石门水库沥水沟渡槽震后改建工程设计探析

王　栋　杨宪元

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

石门水库沥水沟渡槽震后改建工程设计探析

王栋杨宪元

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001）

本文在阐述石门水库沥水沟渡槽现状以及四川汶川地震对其造成影响基础上，分析了工程改建的必要性，通过方案比选，最终确定方案为新修变截面二次抛物线拱式渡槽，运用结构力学和三维有限元相结合的方法进行了方案设计、桩体变位、地基应力复核等工作，有效地指导了工程设计；其设计方法和理念在其它类似渡槽工程中有实际的参考价值。

渡槽；震后改建；方案设计

1　概况

沥水沟渡槽位于陕西省汉中市石门水库灌区东干渠2.1km的沥水沟沟口，是东干渠渠首的重点建筑物，渡槽原设计输水流量30m3/s，渡槽全长214.1m，最大建筑高度43.3m，控制着下游灌溉面积27万亩，沥水沟渡槽按3级建筑物设计。原渡槽全部采用了预制装配式轻型结构，上部结构采用钢筋砼槽箱，其为迭合式变截面“U”型薄壳预应力砼结构，最大跨度17.1m，下部结构采用排架，排架采用预制装配轻型钢筋砼双肢和单肢型式。工程区位于汉江盆地北缘，属巴山弧形构造体系西部，根据《中国地震动参数区划图》标准，工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.45s，相应的地震烈度为Ⅶ度［1］。沥水沟渡槽建成于1972年，其一直发挥着重要的社会经济作用，经多年运行，渡槽混凝土局部碳化、钢筋锈蚀，结构变位、沉降明显，排架裂缝、承载力不足；特别是2008年5月12日，四川汶川发生8.0级大地震，地震及其后续余震波及汉中市，其对沥水沟渡槽产生了比较严重的破坏：①渡槽槽身中心轴线偏差测量值最大达9.95cm；②排架柱身裂缝较为普遍，尤其柱接头上下较为集中。由鉴定报告知槽箱在通过16m3/s流量时渡槽晃动剧烈，已不能正常行水运用；渡槽出现了结构安全问题，经各级部门调查分析，沥水沟渡槽被水利部列为震损工程，为保证农田灌溉，对其进行改建十分必要。

2　工程地质

渡槽位置地处秦岭南麓的沥水沟汇入褒河处，沟口地层主要为前寒武系绿泥石绢云母系千枚岩和第四系松散地层。渡槽可利用承载岩层为千枚岩，其呈灰黑色，夹有绢云母和石英岩脉，片理发育，呈互层状，岩性软弱，具有丝绢光泽，有滑感，遇水易软化，风化后见水成泥状，力学强度低。更为复杂的是在千枚岩表、中层分布有倾倒体，倾倒体的形成是由于千枚岩岩层走向几乎与沟道平行，层理近于直立，其上部厚约10m～20m的岩层，在外力和自重作用下，分别向两岸沥水沟倾倒，倾倒后的岩石（简称倾倒体）片理间发生了相对错动，变的破碎松软，承载力很低，仅为0.3 MPa。

综上所述，工程区地质条件比较复杂，给工程设计带来了很大的难度。

3　渡槽改建方案确定

在设计过程中提出以下两种改建方案。

（1）原址渡槽加固方案

此方案对原渡槽进行加固，包括槽身段及上下游连接段，槽身段长160.54m，进口连接段长26m，出口连接段长5.2m。槽身段加固原则为：排架采用空心墩包裹加固，上部槽箱拆除置换，下部基础井柱新建。

（2）新修渡槽改线方案

此方案在原渡槽上游24m处沟道新建一渡槽。新修渡槽在上游用进口盖板涵、隧洞，下游用出口盖板涵、渐变段、隧洞分别与东干渠进行平顺衔接。

对以上两种方案，从改建长度、改建方式、施工安全、施工难度、灌溉影响、工程投资方面进行综合比较，认为原址加固方案施工难度及施工安全风险较大，工期保障风险大，对下游灌区灌溉影响较大；而改线方案能很好地解决加固方案存在的安全、工期等方面的风险因素。

因此沥水沟渡槽震后改建工程最终确定的方案为新修渡槽改线方案。

4　新修渡槽设计

4.1渡槽体型

设计采用拱式渡槽，由于设计流量达到30m3/s，拱上荷载大，为提高渡槽的整体稳定性，拱圈设计为矩形截面板拱型式，共布置3跨，每跨43m，槽身全长169m，拱圈采用变截面二次抛物线结构型式，拱顶厚度0.8m，拱脚厚度为1.20m，抛物线方程为Y=X2/（2×18.49），矢跨比为1/3.44（矢高12.5m，跨径43m），拱圈宽度结合上部排架及槽箱布置需要，确定为5.65m，为C30钢筋混凝土现浇结构［2］。

拱上排架高度1.82m～8.69m，采用单排架结构型式，为C25钢筋砼现浇结构，排架以拱顶为轴线对称布置。考虑拱圈受力均匀等因素，确定排架间距为6.6m，排架柱断面尺寸为0.6m×0.4m（纵向×横向）。

排架上槽箱为C30钢筋砼箱型结构，结合拱跨布置及拱圈受力，槽箱跨度为6.6m。经水力计算和结构计算，确定断面尺寸4.2m× 3.0m（宽×高），底板衬砌厚度0.33m，侧墙衬砌厚度0.25m，顶板衬砌厚度0.2m。

为加强槽身下部支撑结构整体稳定性，主拱圈与拱座墩台之间采用刚性连接，为无铰拱结构，3跨渡槽两端共布置2个边墩和2个中墩。具体体型见图1。

4.2渡槽特点

新修渡槽有以下4个特点：

（1）渡槽较高；渡槽中墩底部地面到渡槽顶高度为41m；

（2）工程区地质条件较差；岩层为千枚岩，更为复杂的是在千枚岩表、中层分布有倾倒体；

（3）拱式渡槽荷载较大；渡槽设计流量30m3/s，拱端合推力达12080KN，为了尽量减小拱端推力，设计中拱圈采用变截面二次抛物线结构型式，抛物线方程为Y=X2/（2×18.49），矢跨比为1/3.44（矢高12.5m，跨径43m）；相比同类工程，矢跨比比较大，以期尽量减少拱端水平推力。

（4）采用大直径斜桩；为适应较大的拱端合推力，基础采用桩径2.7m、长度18m、倾角为50.73°的大直径（与水平线夹角）斜桩抵抗该推力。

4.3大直径桩基础设计

根据总体布置，两侧边墩基础均位于进、出口边坡倾倒体上，边墩采用C20混凝土大体积9.0 m×8.1m×7.0m（横向×纵向×高度）重力墩。墩底置于全风化下限，且在倾倒体上，基础条件差，承载力很低，必需对两岸边墩基础采取工程措施以抵抗拱端水平推力及竖向荷载作用。

考虑到墩底基础置于全风化倾倒岩体上，以及拱端对基础有较高要求的特点，承载力计算时，竖向承载力和水平承载力由布置的大直径竖直桩和斜桩承担，桩体穿透倾倒体，置于较完整的弱风化基岩之上，既不破坏倾倒体的平衡，又可满足承载力（弱风化地基极限阻力标准值为2400 KPa）的要求。各工况的拱端合力和拱端推力倾角（与水平线夹角）如表1。

经水平及竖向承载力计算，上下游边墩基础底面各需布置2根直径2.7m竖直桩，长度分别为18.0m、22.0m；各布置2根直径2.7m的斜桩，长度均为18m，倾斜角度取综合值，最后核定为50.73°。桩体均穿透倾倒岩体，端部置于弱风化基岩上，斜桩开挖采用人工挖孔，C20钢筋砼浇筑。

4.4有限元计算

图1　渡槽体型图

表1　各工况拱端推力表

图2　三维模型图

图3　不同岩性分布图

图4　桩基有限元模型图

渡槽的无绞拱实际为一空间结构，其对拱端的地质要求较高，并且不允许拱端产生较大变位，现进行边墩拱端部位的三维有限元计算，了解大直径桩体和拱端地层的受力及变位情况。

4.4.1有限元模型

本次计算主要是分析边墩和拱端的变位情况，故选择受力较大的工况组合：渡槽设计流量+地震力。本次有限元模型只取边墩和边墩周围的地质边界，边墩上受到荷载主要为边墩上部的排架重量和拱端的斜向推力，桩体和基础之间用接触单元进行模拟分析。三维模型见图2，不同岩性分布透视图见图3，桩基有限元模型见图4［3］。

4.4.2桩体变位

通过计算可得基桩的综合变位最大为37.7mm，发生在斜桩底端处；另外可求得拱端处的综合平均变位为6.0mm，具体见图5。可见基桩和拱端的总体变位较小，满足设计要求。4.4.3倾倒体应力复核

边墩底部的倾倒体地基承载力为0.3 MPa，经三维有限元计算，在渡槽设计流量工况下，整个边墩底部与表层基础接触部位应力基本都大于0.3 MPa，必须采取一定的工程措施进行处理。因此在边墩底部向下截取不同的地基深度，了解地基应力沿倾倒体深度的变化情况，以确定需要处理的范围和深度。

图5　桩基综合变位图

（1）斜桩周围倾倒体应力

提取斜桩周围倾倒体地基正应力结果，其地基正应力随深度（沿斜桩轴线方向）变化情况见表2，可知离斜桩顶部5m深处（沿桩轴线方向）的地基正应力小于倾倒体基础的地基承载力，此深度的地基正应力最大为0.26 MPa。

表2　基桩周围倾倒体应力变化表

（2）竖直桩周围倾倒体应力

同理提取竖直桩周围倾倒体地基正应力结果，其地基正应力随深度（沿竖直桩轴线方向）变化情况见表2，可知离竖直桩顶部5m深处（沿桩轴线方向）的地基正应力小于倾倒体基础的地基承载力；根据有限元结果可以看出此深度的地基正应力最大为0.28 MPa。

为了不扰动倾倒体，在设计中根据基础倾倒体的有限元分析应力分布情况，在表层基础采取工程措施，以加强倾倒体的地基承载力，具体方法为：对渡槽边墩基底面及开挖斜坡面进行固结灌浆，灌浆孔深5.0m～8.0m，排距3.0m×3.0m，呈梅花型布置。

5　结语

本工程于2013年12月竣工，渡槽上布置有变位观测点，观测数据显示正常运用时，渡槽最大垂直变形为7mm，水平位移和边坡位移基本无变形，水流流态稳定，表明渡槽运行良好。

综上所述，本文在设计中运用结构力学和三维有限元相结合的方法进行了方案设计、桩体变位、地基应力复核等工作，有效地指导了工程设计，其设计方法和理念在其它流量大、基础差的类似渡槽工程中有实际的参考价值。陕西水利

［1］SL203-97，水工建筑物抗震设计规范［S］.

［2］竺慧珠，陈德亮，管枫年.渡槽［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

［3］王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践［M］.西安：西北工业大学出版社，1999.

（责任编辑：唐红云）

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