DFQ灌区渡槽重建方案设计分析

马新勇

1 工程概况

DFQ灌区内共有22个乡（镇），人口总数63.85万人。灌区为跨流域引水，灌溉网络组成有中小型水库、泵站等，规划有效灌溉面积为116.21万亩。该渡槽是灌区总干渠的重要组成，始建于1970年，全长1005.3 m，槽身坡降1/491，设计流量范围在15～18 m3/s。渡槽断面形式为矩形，净宽4.1 m，净高1.70 m，结构形式为简支梁。支承结构有单肢排架、双肢排架和槽墩三种型式。渡槽部分分为槽、桥双层联合建筑形式。槽身每节长度16.72 m，全长共分61节槽身，矩形断面，槽身底宽4.1 m，槽身侧墙高1.7 m。

2 渡槽存在问题

2.1 槽身

经现场勘察，渡槽槽身侧墙、底板混凝土大面积剥蚀，砼老化严重，呈灰白、灰黑色，局部蜂窝麻面、破损；槽身迎水面硅抹面和拉梁有露筋、胀裂现象；槽身底板横梁露筋锈蚀裂缝严重（裂缝宽度0.5～2 mm，裂缝长度0.5～2 m）；槽身两侧有多条裂缝分布，槽身底板背水面横梁混凝土多处露筋，拼装接缝处渗水严重。经检测：槽身混凝土强度范围在9.5～19.4MPa，碳化平均深度25.2mm。

2.2 排架墩帽

未经加固的排架混凝土碳化严重，帽梁底面有露筋裸石、麻面、混凝土剥落等病害，可见多条贯通裂缝，多处可见钢筋锈蚀胀裂缝。槽墩排架立柱混凝土强度范围在14.7～20.5 MPa。碳化平均深度为23.7 mm。

经检测得出以下结论：①槽身和排架混凝土钢筋锈蚀电位平均值均大于-220 mv，说明槽身混凝土中的钢筋已经处于全面锈蚀状态，部分区域有锈断危险[2]；②渡槽在现状供水工况下处于不安全运行状况；③槽身底板横向、侧墙纵向配筋，斜截面抗剪不满足现行规范要求，需拆除重建；④排架柱作为主要承压构件，砼强度最小值仅为14.7 MPa，其承载力和柱顶接触面（支座）砼抗压强度均不满足现行规范要求。

3 设计方案设计

经调研，原渡槽已经没有维修加固价值，设计渡槽重建方案为“20跨×40 m预应力槽身+进出口15 m简支结构”。

该方案设计渡槽平面布置上呈“L”型，进出口呈直线，设置转弯连接段。渡槽总长1003.42 m，其中进口明渠段58.11m，进口渐变段20 m，进口连接段30 m，渡槽段长800.0 m，出口转弯段长70.31 m，出口渐变段长15.0 m。

3.1 槽身设计

槽身为单孔空箱简支结构，顶部设通气孔，每40m一跨，采用钢筋混凝土整体浇筑，每节槽身设19束钢绞线，两端各预留0.6m待张拉完成后进行二期浇筑，可利用造槽机机械化施工。

3.2 槽墩设计

结合地形特征和考虑施工方便，设计1-3#、23-24#槽墩排架高度小于15 m，采用单肢排；对4～22#墩槽墩高度小于35 m的采用双肢排架。其中35 m以上采用空心墩，空心墩最大高度控制为45 m，高度大于45 m的采用空心墩与实心墩相结合的结构形式。其中排架柱、基础、实心墩及墩帽采用C30混凝土，空心墩采用C40混凝土。

根据各槽墩处的地质条件和其本身高度，设计1-6#、12-13#、22-23# 槽墩采用明挖扩大基础，7-11#，14～21# 槽墩需开挖深10 m左右，也采用钢筋混凝土灌注桩，桩径1200mm，间距4.3m，垂直水流方向布置三排，间距3.7 m，桩深入微风化层以下3 m。

该方案结构设计简单，技术成熟，风险系数和施工难度系数小，总工期为32个月，预计投资额为7354.3万元。

4 重点结构设计分析

4.1 水力计算

渡槽水力计算直接决定了其输水能力和建造成本[1]，采用明渠均匀流公式，具体见式（1），计算结果见表1[2]。

表1 渡槽水力计算结果

式中：Q为设计流量，m3/s；A为槽身过水断面面积，m2；R为水力半径，m；i为槽身纵坡；n为糙率系数。

4.2 槽身结构设计

根据水力学计算和灌溉需求，设计槽底纵坡i=1/600，槽内净宽B＝3.1 m，槽内净高H＝2.6 m，槽身和底板厚度均设计30 cm，其断面尺寸如下图1所示[3]。

图1 槽身断面尺寸（单位：cm）

为分析槽身受力情况，沿槽身纵向取1.0 m长的脱离体，简化为平面问题横向计算[4]。假设脱离体侧墙与底板交结为固结，槽身与墩柱可视为铰接。槽身近似为均质的箱涵结构，底板受力最大为Mkx，按不利断面进行配筋，按式（2）进行计算。

经计算：底板最大弯弯距值为28.21 kN·m（跨中）和24.59 kN·m（端部）。设计浇筑混凝土型号为C50，fc=23.1MPa，钢筋标准为Ⅱ级 Φ16@100，fy=310N/mm2。

4.3 支承结构设计

对于墩帽及墩柱，最不利工况为“满槽+横向风荷载”[5]，沿横向槽身方向设置双肢排架（见图2），则垂直集中荷载Q=4698 kN（满槽），水平集中荷载P=115.5 kN。

图2 双肢排架受力结构

计算得最大弯矩发生在柱底处，为1249.06 kN·m；最大轴力位于背风侧柱，为6554.72 kN；剪力位于拉杆处，为266.66 kN；最大位移位于立柱顶部，为0.004 m。其配筋按Mmax=1249.06 kN·m考虑，其求受拉、受压钢筋为As=19712 mm2，满足最小配筋率0.6%要求[6]。

5 新建渡槽变形监测

为检测新建渡槽的稳定性，在槽底选取20个点测量其相对于输水水位的竖向位移变化。表2是其中5个点的竖向位移水位关系表。有表中数据可知：测点中最大位移值为-4.391 mm，远小于相关规范规定限值L/500。因此新建渡槽的稳定性完全满足使用要求。

表2 测点竖向位移水位关系表

6 结语

新建渡槽采用“20跨×40 m预应力槽身+进出口15 m简支结构”建造方案，取得了较好的经济性和实用性，对槽身及支承结构的形式和最小配筋设计，最大限度地降低成本投资。

[1]夏富洲,王长德,曹为民,等.大流量预应力渡槽设计和施工技术研究[J].南水北调与水利科技,2009,7(6):20-25.

[2]吴轶,莫海鸿,杨春.大型渡槽动力设计方法研究[J].计算力学学报,2006,23(06):778-782.

[3]李遇春,李锦华.关于大型渡槽结构设计的几个问题[J].中国农村水利水电,2006(07):57-60.

[4]和秀芬,赵立敏,李书群.洺河渡槽大跨度三向预应力结构设计[J].水利水电技术,2006,37(05):45-47.

[5]石江琳.新疆玛纳斯河灌区跨河渡槽设计[J].陕西水利,2014(6):168-169.

[6]杨建红.山西禹门口灌区二级干渠渡槽工程修补加固技术[J].南水北调与水利科技，2017（09）：25-29.