大跨度双曲连拱渡槽施工方法及技术决策

李 勇，张 涛

(湖北省宜昌市东风渠灌区管理局，湖北宜昌 443100)

1 工程概述

大型灌区续建配套与节水改造工程是当前我国灌区建设的一项重要任务［1，2］。而大型灌区中的病险工程大多出现在大坝和渡槽两类工程中［3］。虽然在渡槽施工工艺方面先后开展过较多的研究，如大型渡槽关键技术［4］、渡槽的施工方案研究及优选［5］等方面的研究，但专门针对大跨度双曲连拱渡槽方面的研究较少。本文针对红星渡槽重建过程中所面临的技术难题，开展了大跨度双曲连拱渡槽施工方法及技术决策方面的研究。

红星渡槽是湖北省东风渠灌区的标志性建筑物之一，以自流方式灌溉东风渠灌区百万亩农田，是向宜昌市城区百万人口提供饮用原水的引水咽喉工程。渡槽位于宜昌市夷陵区分乡镇，横跨长江一级支流黄柏河。因老渡槽病险严重，危及输水安全，重建渡槽采用大跨度双曲连拱结构支承，整体结构宏伟、壮观，为湖北省近年来新建最大跨度的双曲双拱式渡槽工程(见下页图1)。

图1 红星渡槽立视图

重建渡槽位于原渡槽轴线上游40m。重建渡槽全长269m，纵坡1/800，最大高度57.7m，设计引水流量15.0m3/s。采用双跨等截面悬链线无铰双曲拱的结构设计;单拱净跨70m，矢高17m，矢跨比1/4.12，拱轴导数m为1.347，宽跨比为1/17.77。双曲拱拱圈由拱肋、肋间横系梁、拱波及拱板组成(见图2);拱肋间横系梁截面尺寸为40cm×40cm，水平间距3m;拱波跨度1.25m、厚8cm;为减轻拱上荷载及便于施工，拱板布置呈折线型。

图2 双曲拱横剖图 (单位:cm)

2 双曲连拱拱圈施工方法及技术决策

双曲拱起拱线距中墩建立面高28.7m，净高17.8m。为降低临时工程投资，确保施工时支撑体系的稳定和现浇混凝土结构质量，采用钢构支架、军用梁及碗扣式脚手架组成的联合支撑体系，以控制好支撑体系的非弹性变形和弹性变形，避免现浇高度20m以上混凝土常出现的质量缺陷现象。

2.1 拱圈支撑体系布置

拱圈施工支架选用军用梁支撑碗扣满堂脚手架的方式，根据无绞拱受力位移影响线和军用梁拼接跨度等要素，在拱变形最大位置布置钢支架，每跨均匀布置3组(见图3)。根据地形，左拱布设4跨军用梁;右拱布置3跨军用梁、1跨置于岸坡上的碗扣满堂脚手架。为减少军用梁上碗扣脚手用量，拱跨中部军用梁高于两端军用梁8.45m。军用梁型号为“六四式”，每跨搁置4片。

图3 双曲拱施工支架布置图

拱肋现浇施工的支撑由竖向与横向结构共同组成。竖向结构采用型钢支架，由∠140、∠100、∠50三种角钢在工地现场焊接加工成型，横向结构军用梁上铺装Ι20a工字钢，间距1500mm，用U形卡扣件与军用梁固定。军用梁上铺装［100槽钢作为碗扣式支撑基础，在碗扣钢管顶部设置螺旋顶托，适应拱弧线变化和卸拱需要。用∠50角钢加工成的桁架梁连接钢支架，以增强纵向稳定性。

2.2 预拱度计算与选择

在大跨度拱式渡槽的施工期及运行期，临时支撑系统在施工荷载作用下发生的各项非弹性变形和弹性变形、地基沉陷位移以及运行期各种荷载组合出现的挠度大小等若不严格控制，多年后现浇混凝土结构将会出现大量裂缝。为使变形后拱轴线符合设计要求，故在施工时须预留一定的与变形方向相反的校正量。

通过预压荷载试验可消除支撑系统的非弹性变形，同时取得支撑系统的弹性变形的实际数值，得出支撑系统荷载～挠度曲线，以检验设计计算结果。预拱度主要为支撑系统弹性变形值和拱结构挠度，支撑系统的弹性变形取Δl1=σl/E=30kN×l/A×E=0.3×l(mm)，双曲拱结构挠度通常取Δl2=l2/6000f～l2/4000f;经计算和试验检验，预拱度为0～120mm，在装拱肋底模前，通过支撑顶托调整的拱顶预拱度最大值为120mm，拱脚预拱度最小值为0mm，拱圈各部位预拱度以拱的悬链线方程的曲线对应调整。

2.3 模板结构形式与安装

拱肋模板安装分:拱肋底模控制点设置、底模支撑架安装、底模安装及调校、侧模及盖模安装及调校、拱圈轴线复核等5个步骤。

a.控制点的设置。以拱轴与边墩相交点为原点，以拱跨为X轴，拱高为Y轴，均匀测出拱肋底模下缘上48个点的坐标作为控制点。

b.底模支撑采用木质结构。垂直轴线向，将100mm×100mm的木方固定在碗扣式脚手架可伸缩的顶托上。顺轴线向，拱肋底模位置满铺板筋(50mm×100mm)，在对应木方倒角处，将底模板筋锯深20mm的缝，经压载形成水平间距600mm的小折线，保证拱弧线。

c.模板安装及调校。拱圈底模按照顺序依次铺装，在控制支撑架上连成拱。边模制作安装时兼顾拱上二期混凝土，做到一次立模到位。侧模调整及加固后等距间隔封盖模2m，利于混凝土进仓和插入式振动棒振捣，前段2m拱圈混凝土浇筑后封闭该段2m盖模。

d.拱圈轴线复核。待底模、侧模、等距间隔盖模安装完成后，再次对拱轴线校验点进行校核，以降低误差。

2.4 预压及支架预拱度测设

为检验支架稳定性及地基强度，消除支撑系统的非弹性变形和地基沉降，在支架及底模铺设完毕后，进行支撑系统预压。预压荷载综合取拱肋自重的1.2倍，预压材料为沙袋。预压严格模拟拱肋混凝土施工加载程序。在加载完成后，对所有支架螺栓连接部位进行检查并加固。

a.预压时间。由于拱离地面较高，加载材料转运较困难，加载历时共3天，预压时间为加载完成后72h。

b.变形观测。加载前在拱肋底模设定检测点并测出各点坐标，完成后对各坐标点观测三次，预压72h对各点观测三次;卸载后间隔6h、12h、24h对各点观测三次。取得支撑系统的弹性变形的实际数值，得出支撑系统荷载～挠度曲线。

c.预压效果。统计预压检测测量数据，支架承台基础最大沉降位移为8mm，卸载后基础无明显回弹;支架最大沉降量为22mm，支撑系统的弹性变形与设计值基本吻合，根据拱圈预拱度最后一次校正底模并加固。

2.5 混凝土浇筑

2.5.1 混凝土施工方法的合理性论述

无绞拱拱肋混凝土的分段、分期浇筑主要是考虑温度、混凝土干缩、自身体积变形、徐变等因素会产生不利裂缝，影响拱结构的安全性和耐久性。因本工程拱肋混凝土浇筑时间为2月底～3月初，根据本地区历史气温推测和天气预报，该时段气温处于逐渐回升期间，从而在拱肋成型后，温升效应会导致拱轴线变长l1=L×α×Δt=1.10cm;混凝土的干缩(含部分自身体积变形)因素影响下，拱轴线收缩l2=L×β=1.22cm;因采用有支架施工，在拱肋成型后，与支架联合承受拱肋自重，故不考虑混凝土徐变影响(L拱轴线取81.2m，采用石灰岩粗骨料、天然细骨料α线膨胀系数综合取0.9×10-5/℃，Δt平均温升取15℃，β干缩率取1.5×10-4mm)。通过计算认为温升与干缩、体积变形对拱轴线的影响基本相抵消，且拱肋分期浇筑合龙通常在混凝土干缩及自身体积变形完成后进行(约15d)，影响下一步拱上作业、加载约20d，拱肋不分期浇筑能大大加快施工进度，综合分析选取分段不分期浇筑方式。

拱支架经过预压试验，充分验证先浇拱顶1/3段，再自两拱脚短间歇对称交替上升直至合龙的浇筑顺序是成功的。考虑支架为简支形式，两跨拱肋混凝土不必同时浇筑，可减小施工强度。两个仓面混凝土入仓浇筑间隔时间严格控制在混凝土凝结前，杜绝施工冷缝的产生，保证拱的整体性。鉴于拱肋混凝土的严格对称浇筑施工顺序的要求和高空作业的难度，采用混凝土搅拌车中转运料，臂长42m混凝土汽车高压输送泵布料入仓。

2.5.2 混凝土生产及配合比选取

本工程选用外购商品混凝土、自行式混凝土泵车入仓的施工方式。拱肋混凝土选用C30二级配(5～31.5mm)泵送混凝土，塌落度120～140mm，掺加粉煤灰和缓凝高效减水剂，运输进场耗时约45min。

2.5.3 拱肋混凝土浇筑

为防止混凝土浇筑时，拱顶底模起拱，避免拱轴线变陡而产生整体偏差及拱肋模板的失稳，混凝土浇筑按分环多工作面均衡进行，即先拱顶、后拱脚，先中肋、后边肋的浇筑顺序进行。混凝土浇筑时先浇拱顶1/3分段压顶，再由两拱脚浇起，两侧混凝土基本交替升高到1/3分段处合龙，按此浇筑顺序，拱顶逐渐合龙正好适应支架体系跨中挠度增到最大的变形。鉴于拱顶段浇筑完到封拱，历时20h，拱顶段混凝土己终凝，为保证封拱接头的联结紧密，在封拱处加高侧模，并装盖模保证下端混凝土料面高于且盖住上端(拱顶段)混凝土顶面，避免泵送混凝土料因坍落度大，下座造成结合不紧密。将接头缝面处理为垂直拱轴向，浇筑前涂刷水泥净浆。右拱肋于2月22日11时～23日13时完成，历时26h;左拱肋于2月26日10时～27日9时完成，历时23h。

2.5.4 拱肋封拱温度控制

设计封拱温度控制在15℃，考虑浇筑期间气温影响，将封拱定在上午的温度回升时间内完成，尽量控制在多年平均气温范围内，以保证双曲拱受力曲线最优。左、右拱肋封拱温度为12℃和17℃。

2.5.5 拱板混凝土浇筑

拱板混凝土在拱肋成型21d后进行，自拱脚到拱顶的浇筑顺序。右拱板于3月19日11～23时完成，历时12h;左拱板于3月25日9～22时完成，历时13h。拱板封拱温度12℃。

2.5.6 浇筑期间支架位移观测

在混凝土浇筑过程中，须严格控制对称进行。通过观测数据统计分析，支架体系变形可控、稳定。

2.6 多点卸拱施工

为了使拱圈体逐渐均匀地降落、受力并防止不对称卸拱造成连拱垮塌事故或产生不利裂缝，拱支架应在拱结构混凝土龄期达28 d后，按各支点分三次卸落完成。单跨拱卸拱人数分2组，每次均按两跨从拱顶至拱脚同步、对称、匀速的顺序进行，其间密切观测拱圈挠度和基础沉降情况，一旦出现异常，立即停止，进行全面检查。

第一次:松动拱支架上顶托2.5mm左右。第二次:在首次卸落后一天开始进行，第二次卸落5mm左右。第三次:第二次卸落后密切观察主拱受力情况，无异常方进行第三次卸落，拱支架彻底脱离拱结构体，并实现力的转移。

卸拱后检查拱圈，未发现裂缝，局部缺陷处理完后，全面拆除拱支架体系。支架脱拱后，再拉起风缆绳，增加侧向稳定，防止在拆除支架期间遭遇大风，造成事故。

3 施工效果评价

实践表明，本工程双曲连拱结构的施工经过合理计算后，巧妙地利用钢支架的设计布置，改变拱肋混凝土的浇筑顺序以适应并调节拱架变形顺序，采用不分期、分肋多工作面对称浇筑法，在一定程度上突破了无绞拱的常规施工方法，且有力地保障了工程质量，加快了工程进度，对类似工程施工有一定的参考价值。■

1 许迪，龚时宏.大型灌区节水改造技术支撑体系及研究重点［J］.水利学报，2007(07):806-811.

2 杜丽娟，刘钰，雷波.灌区节水改造环境效应评价研究进展［J］.水利学报，2010(05):613-618.

3 倪文进.中国农村水利发展状况与科技需求［J］.农业工程学报，2010(03):1-8.

4 周厚贵.南水北调中线漕河渡槽工程施工的关键技术问题［J］.南水北调与水利科技，2005(04):10-13.

5 王玉华，张利，宋谦.南水北调中线沙河渡槽施工方案研究及优选［J］.南水北调与水利科技，2011(03):13-16.