南水北调中线工程三里庄沟左岸排水渡槽槽身结构设计

□杜 征（四川大学水利水电学院）

1 基本情况

三里庄沟属海河流域卫河水系内的一条小河道，位于太行山前冲洪积平原，从东北流向西南，属季节性河流。沟道发源于辉县市西部丘陵地区，在辉县市三里庄村附近与总干渠相交。交叉断面以上集面积1.63km2，沟长2.38km，平均比降1.91×10-2。

总干渠与三里庄沟交叉处为全挖方渠段，该段总干渠设计流量260m3/s，加大流量310m3/s，相应水位分别为99.46m和99.97m。渠道断面要素为：渠底高程92.46m，渠道底宽15.50m，比降 1/20000，糙率 1.50×10-2，一级内边坡 1∶2.00，二级边坡1∶1.50；左、右岸一级马道高程均为 101.47 m，宽度均为 5 m，总干渠运行维护道路设置在渠道右侧。沿渠道开挖线向外13m范围内左岸设防洪堤、防护林带、截流沟和防护围栏，右岸除不设截流沟外其他与左岸相同。

2 地质条件

三里庄沟位于河南省辉县市百泉镇三里庄南500 m处，工程区位于太行山山前冲洪积平原和华北平原过渡地带，地势东北高西南低，三里庄沟呈东北西南流向，沟底高程103.50～101.00 m，呈宽浅型，两岸为耕地，地面高程106.60～108.50 m。工程区位于华北准地台山西台背斜的东南部，新构造分区为华北断陷～隆起区太行山隆起东南部边缘，区域断裂构造空间展布以北东向为主，次为北西向。在勘探深度范围内，场区上覆第四系粘性土、卵石，下伏上第三系砂岩、粘土岩。场区地震动峰值加速度值为0.20g，相当于地震基本烈度Ⅷ度区。

场区地下水类型为孔隙～裂隙潜水，含水层为第四系中更新统卵石、上第三系砂岩，地下水位标高85.07～85.23m。

场区地下水补给来源主要为大气降水和侧向迳流补给，排泄方式主要为侧向迳流和人工开采。地下水化学类型为“HCO3-Ca”型；矿化度0.23g/L，属淡水；总硬度16.68H°，属硬水；pH值7.48，呈弱碱性；侵蚀性CO2含量为0，对混凝土无腐蚀性。

3 建筑物型式确定及工程总布置

3.1 建筑物型式确定

三里庄沟与总干渠交叉断面处，总干渠设计水位为22.46m，加大水位为22.17m，渠底高程22.46m。三里庄沟沟底高程为103.50 m，高于总干渠各工况水位，因此根据地形条件，经分析比较后确定总干渠与三里庄沟交叉建筑物型式选用排水渡槽。

3.2 槽身断面尺寸拟定

首先拟定槽身比降及不同的槽身宽宽，按明渠均匀流计算各种槽宽的水深～流量关系曲线及相应的进口后水位～流量关系曲线；再按宽顶堰计算各种槽宽的进口前水位～流量关系曲线；然后通过调洪演算确定各种槽宽不同频率时的上游壅高水位。根据河道洪水大小、上游防洪要求、回水淹没损失以及地形地貌条件等确定槽身设计断面（宽×高）为4.00m×3.85m。

3.3 工程总布置

三里庄沟排水渡槽工程主要由槽身段、落地槽段、涵洞段、上游进口段和下游消能防冲段等5部分组成，建筑物全长177.20m。其中槽身段长54.80m,为下承式预应力桁架拱矩形槽结构,槽身下部中墩为双柱单排架支承结构;落地槽段布置在槽身与涵洞之间，上、下游落地槽长度均为11.00m,横向为矩形槽结构，与槽身断面相对应，槽底净宽4.00m，侧墙高3.85 m;涵洞段布置在落地槽进出口，上游涵洞长2.00m，下游涵洞长5.60 m;进口连接段包括护砌段和渐变段两部分，总长27.00 m;消能防冲段包括陡坡、消力池和海漫3部分，总长52.50m。

4 结构计算

4.1 槽身结构尺寸拟定

4.1.1 矢跨比及节间距选定

根据工程布置、水力计算成果、以及桁架拱的力学特性，初步拟定不同的桁架拱轴线长度、节间距、矢高进行内力计算，计算结果显示：矢跨比越大，结构受力条件越好；桁架拱片的节间距越小，对结构受力越有利。但矢跨比过大对结构的稳定不利，给施工也带来不便；桁架拱片的节间距过小，对曲杆发挥作用的限制也越大，从而对整个结构的内力特性起不利影响。故根据工程实践，并考虑地形、施工条件、槽身结构型式及材料用量等因素，最后选定桁架拱轴线长度l＝26.40m、节间距b＝2.20 m、矢高f＝6.00m、矢跨比f/l＝1/4.40进行截面设计。

4.1.2 上弦杆节点坐标

桁架拱的每榀桁架均由上弦杆、下弦杆和竖杆组成。下弦杆为一水平直杆；竖杆由不等长的直杆组成；上弦杆为采用二次抛物线曲杆，拱轴方程，任一节点i的坐标用计算，倾角用计算，长度用计算。拱轴线各节点坐标详见表1。

表1 上弦杆轴线节点坐标及长度计算表

4.1.3 杆件截面尺寸

根据桁架拱受力特点，从最佳受力角度考虑，上弦杆截面高度在满足强度和构造要求的前提下宜采用较小值；下弦杆截面高度宜比上弦杆截面高度小；竖杆截面高度宜小于或等于下弦杆截面高度；拱片各杆件截面宽度宜采用相同值。据此，初步拟定各杆件截面尺寸（宽×高）为：上弦杆40 cm×50 cm，下弦杆40 cm×40 cm，竖杆40 cm×40 cm，上横系梁25 cm×30 cm，下横系梁30cm×50cm。

4.2 荷载组合

作用于桁架拱上的荷载有结构自重、水压力和活荷载，根据规范规定，左岸排水渡槽设计拟采用以下荷载组合：短暂状况基本组合，即自重+50年设计洪水+活荷；偶然状况偶然组合，即自重+200年校核洪水+活荷；短暂状况短期组合，即自重+50年设计洪水+活荷。各种设计工况下的荷载组合及安全系数详见表2。

4.3 杆件内力及节点位移计算

桁架拱为空间刚架结构，内力计算采用空间有限元程序ALGORFEAS（SuperSAP93）进行。

4.3.1 计算模型确定

桁架拱本身是高次超静定结构，但对下部支承排架而言，因纵向桁架两端是简支橡胶支座而变成了轴对称简支结构，因此，利用结构、荷载的对称性，取半跨桁架拱作为计算模型。

表2 排水渡槽结构计算荷载组合及安全系数表

4.3.2 杆件单元划分

桁架的上、下弦杆与竖杆连接处以及竖杆与上、下横梁的连接处均为节点，每两个节点之间的杆件即为一个单元。

4.3.3 整体、局部坐标确定

按照ALGOR有限元程序规定，纵向桁架拱以4节点为原点，顺渡槽水流方向为X轴，垂直水流方向为Z轴，垂直水面方向为Y轴。各杆件局部坐标轴均以节点编号从小到大，顺杆件轴向为1轴方向；2轴方向横杆指向整体坐标系下的＋y方向，竖杆指向整体坐标系下的－x方向；3轴与1、2轴呈左手螺旋关系，即2轴绕1轴端逆时针旋转90°为3轴方向。

4.3.4 内力与节点位移计算

运行ALGORFEAS软件可计算出各杆件在1轴、2轴和3轴方向内力值及各方向的节点变位。取小号端至计算截面间的杆段为脱离体，凡与局部坐标轴同向者为正，反之为负。

运用ALGORFEAS软件计算的内力为标准值，按照《水工混凝土结构设计规范》第4.2.1条规定，对结构安全级别为Ⅰ级的结构及构件，其结构重要性系数取1.1；对应于持久状况、短暂状况、偶然状况，其设计状况系数可分别取1.00、0.95、和0.85。因此，内力标准值应乘以构重要性系数和设计状况系数才是内力设计值。

4.4 主要构件的配筋计算

从内力计算成果看，桁架拱下弦杆为主要受拉构件，为限制裂缝开展宽度，采用预应力混凝土结构，其余构件均采用普通钢筋混凝土结构。混凝土强度等级为C50，预应力钢筋选用7φ5钢绞线，普通钢筋选用Ⅰ级和Ⅱ级钢筋。

5 结语

三里庄沟排水渡槽工程是南水北调中线工程的一部分，其对于南水北调的全线贯通具有重要意义。经过方案的比选而选定的排水式渡槽较好地适应了三里沟庄的地质条件,槽身结构计算采用ALGORFEAS软件计算，较好的模拟了渡槽槽身空间受力形态。本文从渡槽规模确定、槽身结构尺寸包括矢跨比及节间距、杆件尺寸等拟定，到荷载组合、计算模型确定、杆件单元划分等，提出了计算步骤和方法供探讨。