向家坝灌区北总干渠一期高大渡槽选型及跨度论证研究

郑小明，马连军，杜 鹏，王文斌，杨宝全

(1.四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

1 概述

向家坝灌区北总干渠工程是向家坝水电站配套的以农业灌溉、城乡生活及工业供水为任务的大型灌区工程，设计灌面329.40万亩，供水人口380.19万。其中北总干渠一期工程灌面198.57万亩，供水人口254.59万。北总干渠全长约57km，渠首设计流量98m/s3，渠末设计流量30m/s3，渠线所经之处地形条件复杂，深沟谷地横贯其间，需修建高大跨渡槽11座。由于地形起伏多变，常规渡槽难以满足工程建设需要，给该工程建设带来很大的挑战，故高大渡槽引用了先进的设计和施工技术，其技术难度在四川水利工程建设史上前所未有，乃至全国水利工程史上也是少见，因此开展高大跨渡槽的选型及选跨研究是至关重要的。

2 渡槽选型的主要依据

2.1 渡槽选型原则

渡槽沿线地形为起伏多变的溶蚀山区地貌，有近80m深的深切河谷、连续多山低地，有已建水库及省、县级公路，地质条件复杂。经研究渡槽选型按以下原则：

(1)深切V形河谷、两岸基岩裸露且完好坚硬、河谷狭窄，输水流量适中时，布置单拱渡槽；当河谷宽阔时，输水流量较大时布置大跨度预应力简支梁式渡槽[1](以下称大跨简支渡槽)。

(2)开阔的U形河床、谷地或跨已建水库，渡槽架空高度较大时，根据槽墩布置条件及流量大小，选择连拱渡槽或大跨简支渡槽。

(3)深切宽阔的谷地或有通航要求的河道，难以布置连拱或大跨简支渡槽的，且流量适中时则研究采用新型的刚构渡槽[2，3]。

(4)流量较大的渡槽，即使架空不高，为减少槽墩数量有利行洪，也按大跨简支渡槽布置。

(5)跨度和高度均不大的缓坡沟谷或低洼地带，且流量不大时，则按常规渡槽型式布置。

2.2 渡槽选型选择

根据渡槽选型原则，对北总干渠渡槽地形、地质条件分类，渡槽型式按标准化设计，其主要特征参数见表1。

北总干渠渡槽型式归纳为两类：第一类为大跨简支，其特点是流量大、架空高、单跨大、槽壳刚度大。该类渡槽有6座，主跨42m(计算跨40m)；中等流量大跨简支渡槽有2座，主跨52m(计算跨50m)。第二类为3座连拱式渡槽，其中单拱跨最大的是马尔岩渡槽，全长为516m，由3跨108m长箱梁拱组成，最大架空高57.3m。

表1 北总干渠渡槽主要特征

3 渡槽选型及选跨

3.1 结构受力体系

渡槽槽壳常用型式有梁式、拱式、桁架拱式等。早期的大流量渡槽多采用单箱多纵梁或桁架拱型式,槽壳为宽浅式，单跨长10～12m。随着大跨度整体受力预应力箱梁技术的成功应用,水利工程渡槽设计也逐渐借鉴了该结构的受力特性。

北总干渠上11座渡槽根据选型原则初拟渡槽型式可归为两类：大跨简支渡槽和拱式渡槽，下文针对这两种型式的代表性渡槽进行综合比选。

3.2 槽壳断面型式选择

槽壳断面常用U形、矩形和箱形三种断面，从流态及过流能力看，U形断面远优于矩形；从受力条件看，U形槽壳为三维壳体受力，底梁纵向受弯；而矩形和箱形断面是直墙纵梁受力，直墙纵梁往往较厚，在同级荷载下，U形槽壳体型轻薄，降低槽壳自重；从槽壳工程量看，U形槽壳工程量最小，箱形的工程量最大；借鉴已建工程经验，如南水北调中线沙河渡槽[4]单槽流量95m3/s，及东深供水工程[5]的三大渡槽单槽流量为90m3/s，槽壳均采用U形断面；以上已建大流量渡槽，槽壳均采用U形预应力混凝土结构，有效克服了薄壁结构的受力、稳定性问题。因此，本工程的大跨简支渡槽槽壳型式选择U形。

拱式渡槽结构受力机制是拱圈承担拱圈自身及拱圈以上全部荷载，上部槽壳自重越小越好，因此本工程的拱式渡槽槽壳型式也选择U形。

3.3 槽壳的槽数选择

本工程渡槽流量在95～30m3/s，从流量级别上看，槽数可设2槽或单槽。其中2槽又分单线2槽和双线单槽，从工程量上看，单线2槽横向宽度略小于双线单槽，下部支撑结构横向宽度也小于双线单槽，单线2槽工程量较双线单槽的小；在同流量条件下，单线2槽槽壳的横向宽度大于单线单槽，单线单槽的槽高也只略高于单线2槽，因此单线单槽工程量较单线2槽的小；同时单线单槽的下部支撑结构工程量也小于单线2槽；参考已建工程经验，如前述的南水北调中线沙河渡槽和东深供水工程，本工程大跨简支和拱式渡槽槽数均选择单槽。

3.4 渡槽跨度与型式比选论证

除清滩和瓦房头2座渡槽受铁路及天然气管道交叉限制选用拱式渡槽外，其余渡槽选型可分为3类：第一类是适宜布置大流量(95～92m3/s)的大跨简支和拱式渡槽，选会诗沟渡槽为代表比选论证；第二类是适宜布置中等流量(32.5m3/s)的大跨简支和拱式渡槽，选温沱渡槽为代表比选论证；第三类是适宜布置最小流量(30m3/s)的大跨简支和拱式渡槽，对马尔岩渡槽进行比选论证。

3.4.1 会诗沟渡槽跨度及型式比选

3.4.1.1 简支渡槽跨度比选

(1)渡槽下部支撑结构比选

参考已建工程经验，简支渡槽的槽壳跨度假定为40m，单槽总荷载约为2600t，荷载等级很大，下部支撑结构可选用空心墩和双排架墩两种型式。

空心墩:最高墩高70m，采用圆端形变截面型式，墩壁内外坡比为70∶1和30∶1，墩顶壁厚为1m，墩底顺槽向宽度为7.27m，横槽向长度为11.6m。盖梁与墩壁采用渐变方式连接，盖梁高2m；顺槽向墩顶盖梁宽为6.6m，顺槽向盖梁底空心墩顶宽为5m；空心墩混凝土为C45。

表2 各跨度渡槽主要工程量及投资

双排排架墩：墩高70m，盖梁高2m，墩顶顺槽向宽6.6m。排架墩上部20m高范围，墩柱直径1.5m，中部20m高范围，墩柱直径2.0m，下部28m高范围，墩柱直径2.5m；双排排架墩混凝土为C45。

通过对空心墩方案和双排架墩方案渡槽的工程量对比，空心墩方案的工程量最小；同时空心墩支撑型式的整体稳定性优于双排架墩柱，因此大跨简支渡槽下部支撑结构选空心墩型式。

(2)槽壳跨度比选

借鉴已建大型渡槽的工程经验，大流量简支渡槽的单跨长可修建30～45m长，因此会诗沟渡槽初拟大跨简支的跨度为35、40、45m三种跨度(计算跨度)。

主跨35m长方案渡槽共布置7跨，U形槽壳直径8.3m，净高7.5m，槽总高9.2m，壁厚0.35m，采用C50预应力混凝土。下部共布置8根空心墩，墩高为3、39、57、69、73m，65、39、3m。C25墩台下布置3排3列直径1.8的C35桩基，桩基深入弱风化基岩下5m，单桩长11～25m。

主跨40m长方案渡槽共布置6跨40m，槽壳同主跨35m方案。下部共布置7根空心墩，墩高为3、42、58、71、73，50、3m。下部墩台及桩基同主跨35m方案。

主跨45m长方案渡槽共布置5跨45m和1跨14m U形槽，合计6跨，槽壳净空等尺寸与上述两方案相同，但槽壁厚0.40m，采用C55预应力混凝土。下部共布置7根空心墩，墩高为3、42、60、73、73，29、3m。下部墩台及桩基同上述两方案。

三种跨度方案渡槽考虑落地支架法和移动模架[6]两种施工方案，投资等综合比选详见表2。

表3 两种型式渡槽主要工程量及投资

通过3种跨度大跨简支渡槽的相对投资比较，单跨长40m方案较优，因此会诗沟大跨简支渡槽单跨长选择40m。

3.4.1.2 渡槽型式比选

会诗沟渡槽已初拟大跨简支和拱式渡槽两种型式，大跨简支渡槽已选定40m单跨方案，全长251m，工程布置见前文40m跨长方案；拱式渡槽采用箱梁拱型式，全长267.5m，拱上槽壳跨长11.6m，采用C25混凝土；拱上高单排架采用C30，低单排架采用C25；拱圈梁采用C45，拱圈共计2跨，单跨度长108m，矢高27m，矢跨比1/4，拱圈顶部壁厚0.4m，拱圈体型采用悬链线方程。渡槽施工采用落地支架和移动模架两种施工方案，投资综合比选详见表3。

3.4.2 温沱渡槽跨度及型式比选

3.4.2.1 简支渡槽跨度比选

根据会诗沟渡槽下部支撑型式的比选成果，大跨简支渡槽下部支撑结构宜选择空心墩，因此温沱渡槽大跨简支渡槽下部支撑选用空心墩。

3.4.2.2 槽壳跨度比选

参考已建大跨渡槽的工程经验，中小流量简支渡槽的单跨长可修建40～50m长，因此温沱渡槽初拟大跨简支的跨度为40、45、50m三种跨度(计算跨度)。

通过两种型式渡槽的相对投资比较，大跨预应力简支渡槽方案较优，因此会诗沟渡槽选择大跨预应力简支型式，渡槽结构见图1。

(1)主跨40m长方案渡槽共布置6跨，U形槽壳直径5.4m，净高5.1m，槽总高6.7m，壁厚0.35m，采用C55预应力混凝土。下部共布置7根空心墩，采用圆端形等截面型式，壁厚0.8m，墩高分别为11、36、58、63、50、33、11m。

图1 会诗沟大跨预应力简支渡槽结构简图(单位：cm)

C25墩台下布置2排3列直径1.8的C35桩基，桩基深入弱风化基岩下5m，单桩长15～20m。

(2)主跨45m长方案渡槽共布置5跨45m和1跨28m U形槽，槽壳结构同主跨40m方案。下部共布置7根空心墩，墩高分别为11、35、62、63、44、28、3m。下部墩台及桩基同跨径40m方案。

(3)主跨50m长方案渡槽共布置5跨，槽壳结构同上述两方案，但采用C55预应力混凝土。下部共布置6根空心墩，墩高分别为11、37、64、56、35和3m。下部墩台及桩基同上述两方案。

三种跨度方案渡槽考虑落地支架法和移动模架两种施工方案，投资等综合比选详见表4。

通过3种跨度的大跨简支渡槽的相对投资比较，50m长方案最优，因此温沱大跨简支渡槽单跨长选择50m。

3.4.2.3 渡槽型式比选

温沱渡槽也已初拟大跨简支和拱式渡槽两种型式，大跨简支渡槽已选定50m单跨方案，全长277m，工程布置见前文的50m跨长方案；拱式渡槽采用箱梁拱型式，全长281m，拱上槽壳跨长9.8m，采用C25混凝土；拱上高单排架采用C30混凝土，低单排架采用C25混凝土；拱圈梁采用C45混凝土，拱圈共计2跨，跨长90m(根据地形)，矢高22.5m，矢跨比1/4，拱圈顶部壁厚0.3m，拱圈体型采用悬链线方程。渡槽施工采用落地支架和移动模架两种施工方案，投资综合比选详见表5。

通过两种型式渡槽的相对投资比较，大跨预应力简支渡槽方案较优，因此温沱渡槽选择大跨预应力简支型式，渡槽结构见图2。

3.4.3 马尔岩渡槽型式比选

马尔岩渡槽也已初拟大跨简支和拱式渡槽两种型式，根据温沱渡槽的跨度及型式比选成果，及马尔岩渡槽流量与温沱渡槽相当，因此大跨简支渡槽选定50m长跨方案。

马尔岩大跨简支渡槽全长520m，渡槽为9跨50m和1跨32m长U形槽。槽壳结构同温沱渡槽槽壳，但净高4.9m，槽总高6.5m。下部共布置11根空心墩，采用圆端形等截面型，壁厚0.8m。C25墩台下布置2排3列直径1.8的C35桩基，桩基深入弱风化基岩下5m，单桩长15～20m。

表4 各跨度渡槽主要工程量及投资

图2 温沱大跨预应力简支渡槽结构简图(单位：cm)

序号项目单位大跨度预应力渡槽连拱式渡槽备注一建筑工程方案一(跨长40m)方案二(跨长2×90m)土石方综合项3479736189C20喷369387锚杆286307混凝土m334429804C55预应力混凝土m32410C35桩基m323471435钢筋t8801526预应力钢绞线t216二建筑投资万元13411314三施工方案槽壳拱圈及槽壳1满堂支架万t0.920.83满堂支架投资万元12421339工期月3749模架方案1(满堂)2钢管墩贝雷梁万t0.730.65钢管墩贝雷投资万元10161045工期月3443模架方案2(贝雷梁)3钢构移动模架万t0.34—移动模架投资万元705—工期月27—模架方案3(移动模架)4推荐模架方案移动模架贝雷梁支架推荐方案投资万元7051045工期月2743模架方案3四相对投资万元20462360

马尔岩拱式渡槽全长515.83m，拱上槽壳跨长11.6m，采用C25混凝土；拱上高单排架采用C30，低单排架采用C25；拱圈梁采用C45，拱圈共计3跨，单跨度长108m，矢高27，矢跨比1/4，拱圈体型采用悬链线方程；拱圈跨中截面高为2.2m，拱脚截面高为3.16m，拱圈宽度为6.0m；拱圈梁顶板厚0.3m，边板和中板厚0.4m，底板从跨中到拱脚根据体型渐变厚度，厚度为0.3～0.78m；拱圈下部支撑结构采用空心拱墩，拱墩采用C30混凝土；拱墩承台和拱座下布置3排3列的直径1.8的C35桩基，桩基深入弱风化基岩下5m。渡槽施工采用落地支架和移动模架两种施工方案，投资综合比选详见表6。

通过两种型式渡槽的相对投资比较，拱式渡槽方案投资较优，虽工期长于大跨简支方案，但不影响该工程的总工期，因此马尔岩渡槽选择箱梁拱式渡槽结构如图3所示。

综上所述，通过对三个代表性渡槽的投资及施工方案对比论证，向家坝灌区一期北总干渠园包山、大地湾、银匠沟、大岩、会诗沟、红岩子、鸡冠岭及温沱8座渡槽均采用大跨预应力简支渡槽；清滩、瓦房头及马尔岩3座渡槽采用拱式渡槽，选择的渡槽型式合理可行，渡槽主要特征参数详见表1。

4 结语

(1)北总干渠渡槽单槽流量大，单跨跨度长，架空高度高，在目前四川水利工程建设史上仅有，在国内水利工程建设史上也是少见。这些渡槽的设计和施工均是前沿的先进技术，对其合理选跨、选型论证研究是十分必要的，也是这些高大渡槽顺利建设和良好运行的重要保障。

表6 两种方案投资综合比选

图3 马尔岩拱式渡槽结构简图(单位：cm)

(2)从渡槽结构受力、流态、施工方案、投资及安全性等方面对代表性渡槽进行论证研究,确定的渡槽跨度、型式、结构及施工方案,是经济合理、结构安全的。