左岸排水渡槽结构形式与预应力设计

武爱玲

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

左岸排水渡槽结构形式与预应力设计

武爱玲

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线京石段布置105座河穿渠排水建筑物，其中23座位于干渠深挖方段，河道以排水渡槽的形式穿越，经技术经济比较有22座采用预应力结构，其中多侧墙结构14座，多纵梁结构8座。文中阐述了排水渡槽工程布置和结构形式，对预应力设计从设计原则、预应力材料选择、预应力损失、钢绞线计算、钢绞线布置与施工张拉等方面进行叙述，为同类工程的设计与施工提供参考。

多侧墙；多纵梁；预应力；钢绞线；后张法；施工张拉

南水北调中线工程是一项跨流域、跨省市的特大型调水工程。京石段应急供水工程近期担负着向北京市应急供水和南水北调中线一期工程的输水任务。该段途经河北省石家庄和保定12个县（市），全长227.342km，根据河渠相对位置关系及河道控制流域面积（＜20km2），沿线布置105座河穿渠左岸排水建筑物，其中河穿渠倒虹吸62座，涵洞20座，排水渡槽23座。总干渠全线为自流，设计要求总干渠过水断面内少设或不设墩、柱，以减少渠道水头损失。因此，渡槽在布置时尽量采用大跨度设计，设计大部分排水渡槽为预应力结构。

1 布置及结构形式

排水渡槽位于深挖方渠段，分别建于坡水区或排洪沟内。洪水标准为50a设计，200a校核，设计流量11.5～184.8m3/s，校核流量15.4～264.1m3/s。总体布置纵向采用适应地基变形较强的简支结构，跨数1～7跨，单跨长度12～24m，槽身总长24～154m，横向断面1～5槽。经过技术经济比较有22座排水渡槽采用预应力结构。

根据河渠地形条件，渡槽轴线与总干渠中心线大部分为正交，有3座渡槽斜交布置，其轴线布置与总干渠中心线最小夹角为71°。为使渡槽进出口水流平顺，有效降低槽内水深，进出口渐变段设计有八字墙、圆弧形翼墙两种。

根据槽底与干渠水位相对位置关系，槽身结构分为多侧墙和多纵梁两种结构形式。

1.1 多侧墙结构

以侧墙代梁，侧墙与底板为整体结构，通过水力设计分别为1～5槽，该结构优点是侧墙和底板共同受力，可有效降低槽底高程，自重小；缺点是侧墙影响过水，横向宽度大，不能预制，施工复杂。

1.2 多纵梁结构

过水槽身为单一钢筋混凝土矩形断面，槽下为预应力混凝土纵梁。优点是过水断面大，横向宽度小，纵梁可预制吊装，施工方便。缺点是过水槽身不承担荷载，上部结构重量较大。

经过水力、结构设计和经济比较，采用多侧墙结构14座，多纵梁结构8座。下部支撑结构根据荷载和基础形式，采用薄壁墩和柱墩，基础采用桩基和扩大基础两种形式。

2 预应力设计

2.1 设计原则

结合左岸排水渡槽的运用情况、受力特点，在进行截面应力设计时采用有限预应力混凝土。即在空槽和设计洪水位情况下截面不出现拉应力；在校核洪水位情况下，截面允许出现拉应力，但拉应力不超过混凝土规定的抗拉强度。

2.2 预应力损失

结合排水渡槽的具体情况，在设计中采用后张法。后张法施工的预应力在张拉过程和运用过程中共存在两批4种预应力损失。第一批预应力损失包括张拉端锚具变形和钢绞线内缩引起的预应力损失、预应力钢绞线与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失。第二批预应力损失包括预应力钢绞线应力松弛引起的预应力损失、混凝土收缩和徐变引起的预应力损失。此外考虑施工过程中，钢绞线通常不能同时张拉而必须分批张拉，因此还要计算后批张拉的钢绞线对先批张拉钢绞线的影响。

2.3 预应力材料选择

预应力钢筋采用高强度、低松弛钢绞线。公称直径15.2mm每根（7股），公称截面面积139mm2，公称质量1101kg/km，强度标准值1860N/mm2，抗拉强度设计值1260N/mm2，抗压强度设计值360N/mm2，张拉控制应力取1302N/mm2。

混凝土强度等级C50W4F200，轴心抗压强度的标准值32.0N/mm2，抗压强度的设计值23.5N/mm2；轴心抗拉强度的标准值2.75N/mm2，抗拉强度的设计值2.00N/mm2。

2.4 钢绞线计算

在设计中，钢绞线除按承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算外，还对制作、吊装、施工阶段等进行计算。承载能力计算包括正截面承载能力计算和斜截面承载能力计算。正常使用极限状态验算包括正截面抗裂验算和斜截面抗裂验算。

多侧墙结构采用的是一端张拉；多纵梁结构采用的是两端张拉。一端张拉选取左支座、1/4跨度、跨中、3/4跨度、右支座5个截面进行计算；两端张拉选取支座、1/4跨度、跨中3个截面进行计算。

3 钢绞线布置与施工张拉

3.1 钢绞线布置

多纵梁或多侧墙为简支结构，跨中截面弯矩最大，支座处剪力最大。为抵抗跨中截面边缘的拉应力，跨中截面的钢绞线布置在截面的下边缘，最下层钢绞线距梁底20cm；孔道之间的水平净距不小于5cm，并结合锚板的净距要求进行布置；孔道至构件边缘的净距不小于3cm，且不小于孔道直径的1/2；孔道在竖直方向的净距不小于孔道的外径，采用15cm。梁端部附近截面因拉应力小，剪应力较大，需要弯起部分钢绞线抗剪。弯起的钢绞线数量和位置通过计算确定，并应满足锚垫板的布置要求，设计锚垫板与钢绞线垂直。为解决局部承压问题，在端部锚固区设置螺旋筋和钢筋网片，螺旋筋焊接在锚垫板上。多侧墙、多纵梁的钢绞线布置见图1，2。

图1 多侧墙结构钢绞线布置示意图

图2 多纵梁跨中、梁端钢绞线布置图

3.2 钢绞线张拉控制

钢绞线张拉控制应力σcon为1302MPa，经计算，预应力构件浇筑后，待混凝土设计强度达到90%时方可张拉。多侧墙结构采用一端张拉，多纵梁结构采用两端张拉。张拉遵循同步、对称的原则。钢绞线张拉顺序通过计算确定。张拉步骤：张拉应力σ→15%σcon→30%σcon→103%σcon。预应力筋在张拉过程中，除采用应力控制外，还采取伸长量校核的原则。实际伸长值与计算伸长值的允许偏差为±6%。如果超过该值，则暂停张拉，采取措施予以调整后，方可继续张拉。

预应力钢绞线锚固后的外露长度控制在30mm，多余部分用砂轮锯切割。锚具采用封头混凝土保护，其厚度不小于10mm。梁端二期混凝土严格按预留位置和范围，对混凝土表面进行凿毛后并用水冲洗干净，湿润后在其表面抹10～15mm同梁强度等级相同的细石混凝土，然后再浇筑同梁强度等级相同的混凝土，并振捣密实。

4 结语

（1）根据河渠地形条件，有20座渡槽与总干渠正交，有3座渡槽与总干渠斜交。

（2）根据工程布置，有14座渡槽采用多侧墙结构、8座渡槽采用多纵梁结构，较好地满足了工程安全运行需要。

（3）工程通过近两年多的运行和部分排水渡槽满槽通水检验，工程安全可靠，未发现任何问题，为预应力的设计与施工提供参考。

［1］河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程可行性研究报告（上册）［R］.2003.

［2］河北省水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程初步设计报告［R］.2004.

［3］本书编委会.水工钢筋混凝土结构学［M］.北京：中国水利水电出版社，1996.

［4］SL/T 191—96，水工混凝土结构设计规范［S］.

［5］GB/50010—2002，混凝土结构设计规范［S］.

［6］本书编委会.预应力技术及材料设备［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［7］JTJ/041—2000，公路桥涵施工技术规范［S］.

TV314

A

1672-9900（2011）01-0051-03

2010－01－14

武爱玲（1965－），女（汉族），河北磁县人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计，（Tel）13502010486。