都江堰灌区东风渠北干渠渡槽整治方案稳定计算分析

熊志军，张静涛，余 江

(四川省都江堰东风渠管理处，成都，610057)

引言

都江堰灌区是有2000多年历史的特大型水利工程，灌区将成都平原孕育成“天府之国”，是四川经济繁荣和文化发达的重要基础设施之一。近五十年来，都江堰灌区进行了大规模的维修、改造和扩建，健全了管理机构，强化了用水调度。都江堰工程已由单一的灌溉供水，发展成为具有灌溉、工业供水、城镇供水、防洪发电等多目标的综合性特大型水利工程。

渡槽作为都江堰灌区典型的水工结构，在农业输水灌溉工程中扮演着十分重要的角色[1-3]。随着都江堰灌区早期建设的渡槽结构逐步进入性能退化期，渡槽结构的安全运行和养护工作面临着严峻的挑战[4]。因此，强化渡槽结构安全监管，防范突发安全事故，进一步提升灌区既有渡槽结构安全运行管理水平，具有十分重要的现实意义[5，6]。

沈晓明[7]等利用有限元软件ANSYS对某渡槽结构进行了计算分析，发现渡槽内外表面受压应力为主，仅局部产生较小拉应力；黄涛[8]等采用理论分析和数值计算方法研究了已建渡槽槽墙表面有竖向长裂缝、流白膏、碱蚀渗水的现象，发现槽墙表面裂缝和内部空鼓缝是积水冻胀造成的；张建伟[9]等对渡槽结构风振响应进行了分析，并将单跨、跨间无连接等模型的风振分析结果进行对比；刘帅[10]等利用有限元模型计算了渡槽在运营期应力和应力分布规律，给出了渡槽应力和位移的变化云图，发现在纵向和环向预应力作用下内表面基本为压应力。

本文以四川省都江堰东风渠灌区北干渠拆除重建的渡槽为例，对渡槽整治设计方案进行力学稳定计算分析，旨在指导该渡槽结构的安全加固整治工作，并保障工程的安全与稳定。

1 整治工程概况

都江堰东风渠灌区是都江堰灌区的重要组成部分，涉及成都、眉山、资阳、乐山、内江五市共19个县(市、区)，东风渠灌区幅员面积12047.3km2。规划灌溉面积23.462万hm2，占全灌区的34.84%。灌区田土比74∶26。灌区国民生产总值932．19亿元，占全省的12.1%。

东风渠灌区北干渠始建于1956年，是都江堰东风渠灌区东风渠总干系统首建的分干渠之一。北干渠渠首位于成都市成华区境内，全长34.832km，渠道进口流量10.5m3/s，东北向沿等高线经成都市成华区、新都区、青白江区注入西江河，总控灌面积0.641万hm2，其中田0.461万hm2，地0.18万hm2。1996年对0+000～5+630进行了改造。剩余段5+630～34+832总长29.202km还未整治，设计流量5.6m3/s～0.5m3/s。

北干渠全长34.832km，渠道傍山沿等高线绕行，弯道多，转弯半径小，由于是在特定条件下建设起来的工程，建设标准低，遗留问题多，土壤粘性大，边坡稳定性差，渠道纵横断面的几何形状极不规范，滑坡、垮塌隐患多，加之运行六十多年，渠道已严重老化，造成过流能力达不到设计要求，继而产生阻碍水流，淹没农田，渠堤漏水等问题，严重影响灌区的工农业生产发展，为了适应灌区工农业生产发展的需要，灌区迫切要求对北干渠进行配套整治。

北干渠渠道进口流量10.5m3/s，整治段设计流量5.6m3/s～0.5m3/s，经成都市的新都区和青白江区。整治段控灌面积0.538万hm2。东风渠北干渠具有控灌面大，输水距离远，送水线路长的特点，如果不及时对工程病险、病害进行整治，将使灌区用水得不到保证，特别是尾水丘陵灌区，无法解决干旱灾害。通过对北干渠的整治，拟达到渠系输水畅通、渠系工程安全运行及灌区节约用水的目的。

2 渡槽整治设计方案

北干渠拆除重建渡槽采用钢筋混凝土结构，共25跨总长300m，跨长为12m。槽身进口底板高程484.089m，出口底板高程483.685m，槽身净宽2.0m，高1.35m。

支承结构采用重力式混凝土槽墩。重力式混凝土槽墩为实体墩，主要布置在渡槽进出口两端，槽墩用C20混凝土建造，基础宽度2.88m。承台采用C25现浇钢筋混凝土，高0.8m，下部宽2.0m，上部宽2.6m，厚度1.5m，两侧设0.15m高C25现浇钢筋混凝土挡块，宽0.15m。C25钢筋混凝土承台置于桩基础上，基础采用C25钢筋混凝土钻孔灌注端承桩，桩端置于基岩弱风化层，桩径1.20m，桩长15.85m～20.85m，其中露出地面0.85m，填土层4.5m，粘土层最小厚度10.5m。桩共计24根。

对渡槽结构进行力学计算时，应考虑作用于渡槽上的各项荷载，包括结构重力、槽内水重、静水压力、土压力、风压力、动水压力、漂浮物的撞击力、温度作用、混凝土收缩及徐变影响力、预应力、人群荷载、地震荷载以及施工吊装时的动力荷载等，如表1所示。

表1 北干渠渡槽结构设计荷载组合

3 计算过程及结果分析

3.1 桩基承载力设计

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)，端承桩单桩竖向极限承载力标准值按下式计算：

Quk=Qsk+Qrk

(1)

Qsk=u∑qski×li=ξr×frk×Ap

(2)

式中：Qsk、Qrk——分别为土的总极限侧阻力标准值、嵌岩段总极限阻力标准值，kN；

qski——桩周第i层土的极限侧阻力标准值，粘土层物理力学建议指标值为65kPa～75kPa，取65kPa；

frk——岩石饱和单轴抗压强度标准值，弱风化基岩层物理力学建议指标值为6000kPa～6500kPa，取6000kPa；

ξr——桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数，取0.7；

u——桩身周长，桩直径为1.2m；

li——第i层土厚度，最小值取10.5m；

Ap——桩端横截面积，1.13m2。

根据地勘资料，上层为人工填土，厚4.5m，计算中无需考虑其侧摩阻力。下层为成都粘土，液性指数为0.18～0.35，硬可塑状态，qsk取65kPa。在不考虑桩周土侧阻力情况下，经上式计算的Quk=4747.68kN。

Pc=Quk/K

(3)

式中：K——安全系数，取K=2。故计算的本工程桩基容许承载力Pc=2373.84kN。同时，单桩承受荷载经计算P=1561.21kN，远小于桩基容许承载力Pc，故满足承载力要求。

3.2 槽身横断面结构计算

3.2.1 侧墙内力计算

侧墙各截面弯矩按弯矩分配法推算的下列公式计算[11]：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：My为距墙顶距离为y的截面弯矩，kN·m；

MA为侧墙底部弯矩，kN·m；

MF侧向水压力作用的固定弯矩，满槽水(h=H)时MF=r水h3/15；

y为截面距墙顶的距离，m；

【病因】由原生动物的纤毛虫，贪食迈阿密虫（Miamiensis avidus）寄生所引起。该虫为长20～45μm的泪滴形，全身有纤毛，运动活泼。在鳍条基质、体表鳞囊内、真皮下的结缔组织和脑等高密度寄生，用显微镜观察各组织抹片或压片标本可以检出该虫。未见报道脑内寄生的其他纤毛虫。该虫为条件性寄生，池塘中剩下的饵料、死鱼是其喜爱的生存场所。

h为槽内设计水深，m；

H为侧墙净高(底板顶面至墙顶高)，m；

t1为侧墙平均厚，m；

t2为底板厚度，m；

I1为侧墙截面惯性矩，m4；

I2为底板截面惯性矩，m4；

q为水荷载与底板自重之和，kN/m2；

r水为水的重度，采用r水=10kN/m2；

r自为钢筋砼的重度，采用r自=25kN/m2；

u为分配系数；弯矩符号以使侧墙内侧受拉为正。

经计算，在满槽水深情况下，墙底截面的弯矩值为7.98kN·m，半墙高截面的弯矩值为-0.21kN·m。

3.2.2 底板内力计算：

底板各截面弯矩及轴向力按下列公式计算：

(8)

(9)

(10)

式中：Mx为距底板左端墙底中心距离为x的截面弯矩，kN·m；

x为截面距距底板左端墙底中心的距离，m；

NA为底板轴向拉力，kN；

弯矩符号以使底板内侧受拉为正；

轴向力以拉力为正；

其余符号意义同前。

经上述公式计算，在满槽水深情况下端部截面的弯矩值为6.7kN·m，跨中截面的弯矩值为-7.4kN·m。

3.2.3 横杆轴向力计算

横杆轴向力按下式计算：

(11)

式中：N为横杆轴力，以拉力为正，kN；

S为横杆间距，m；

其余符号意义同前。

槽内水深与槽宽之比>0.75时，横杆为拉杆；槽内水深与槽宽之比<0.75时，横杆为压杆。经计算，在满槽水深情况下横杆轴力为2.69kN。

此外，还对北干渠的槽身纵向结构进行了计算。本渡槽按满槽水深计算，作用于槽身的荷载主要有：槽壳重、槽顶结构重、人群荷载、水重等。经计算，在满槽水深情况下槽身跨中弯矩为1247.0kN·m。

4 结论

本文以四川省都江堰灌区东风渠北干渠拆除重建的渡槽为例，对渡槽整治设计方案进行力学稳定计算分析，通过对本工程桩基承载力和槽身横断面结构的计算结果进行分析，得到以下结论以供参考：

(1)本渡槽工程的桩基容许承载力Pc为2373.84kN，单桩承受荷载经计算P=1561.21kN，远小于桩基容许承载力Pc，故满足承载力要求，渡槽基础的稳定性较高，能够保证工程安全。

(2)侧墙内力计算结果表明：在满槽水深情况下，墙底截面的弯矩值为7.98kN·m，半墙高截面的弯矩值为-0.21kN·m；底板内力计算结果表明：在满槽水深情况下，端部截面的弯矩值为6.7kN·m，跨中截面的弯矩值为-7.4kN·m；横杆轴向力计算结果表明：在满槽水深情况下横杆轴为2.69kN，而槽身纵向结构计算结果表明：在满槽水深情况下槽身跨中弯矩为1247.0kN·m。

(3)槽身横断面结构计算结果说明在最不利的满槽水深工况下，渡槽槽身所受的弯矩和轴力均非常小，渡槽结构自身稳定性良好。