灯塔灌区东沙浒渡槽拆除重建工程设计方案分析

张 帅

(抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113000)

灯塔灌区位于辽宁省中部，辽阳市的东北部，北沙河以东，太子河以北。总面积420km2，占全县总面积(1331 km2)的31.6%。东沙浒渡槽位于灯塔灌区一分干上，全长350m，设计流量2.46 m3/s，工程等别为Ⅴ级，建筑物级别为5级。

1 工程概况

1.1 工程现状

东沙浒渡槽始建于1976年，现状为重力墩基础连续梁式矩形渡槽，进出口采用浆砌石挡土墙，进口渐变段长6.0m，底宽为2.2-1.8m，出口渐变段长8.0m，底宽为1.8-2.2m。槽身为带拉杆矩形渡槽，单跨8.0m，共42跨，槽身段长8.0 m /跨×42跨=336.0m，槽身净宽1.8m，净高为1.7m，侧墙厚度0.15m，底板厚度0.15m，槽顶设置拉杆，尺寸为0.2m×0.2m，间距为2.0m。渡槽下部为重力式槽墩，槽墩由墩帽、墩身和基础三部分组成，墩帽为混凝土结构，长2.4m，宽1.0m，高0.6m，墩身为浆砌石结构，长2.2m，宽0.8m，高0.7m-3.2m，基础为浆砌石结构扩大基础，长3.2m，宽2.0m，高0.8m。工程运行38a来基本上保证了灌区范围内的农业生产的要求，但是由于当初工程施工条件差，影响了工程质量，加之多年的运行，渡槽现状已出现不同程度破损，槽身漏水严重，墩身浆砌石风化，墩身基础沉降等灌区每年都需要投入大量的资金进行维修，严重影响了工程的正常运行，灌区灌溉生产难以保证，工程急需改造。

1.2 工程地质情况

灯塔灌区地处辽东山丘区，高程为30m以上，以西为平原区，其高程为20m左右。地形总的趋势是东北向西南倾斜，地面比降为1/80--1/1000。按不同地形、地貌与地层岩性分为Ⅰ、Ⅱ两区。

Ⅰ区：处于太子河床，包括渠首工程及灌区渠首进水闸出口至官屯倒虹吸进口段。

Ⅱ区：官屯倒虹吸出口-八支渠进水口。

I区呈“U”型堆积河谷，地形微具起伏。坝址东部及北部为岩石裸露的低山五陵，南部较开阔。

Ⅱ区地貌分层单一，为浑太冲积平原，地形微具起伏。地层岩性为粉质黏土，该层分布较均匀，呈黄褐色，较深。

本次渠系改建工程全部位于Ⅰ、Ⅱ区。

粉质黏土：呈黄褐色、湿、硬塑状态，具中等压缩性。探坑深度内为穿透此层。

黏土：呈黄褐色、湿、硬塑状态，具中等压缩性。

2 渡槽设计

2.1 改造方案

东沙浒渡槽担负着下游1133hm2农田的灌溉任务，每年5-10月灌区统一进行放水灌溉，灌溉期间不能断水，11月末-3月初，辽阳地区进入冬季，混凝土工程无法正常施工，导致渡槽的正常施工期只有3个月。若选择现浇混凝土施工，需要采取混凝土冬季施工措施，既增大了施工难度和施工费用，也很难保证施工质量和施工进度；若选择在原渡槽旁边新建，工期可以满足施工要求，但是无法解决渡槽新址的永久征占地问题[1]。

根据现场实际，本次东沙浒渡槽选择在原址拆除重建，渡槽槽身采用悬臂侧墙式带拉杆矩形槽，支撑结构选择预制装配式排架，基础采用现浇杯口扩大基础。新建渡槽设计流量2.46 m3/s，工程等别为Ⅴ，建筑物级别为5级，槽身净宽1.8m，槽身净高1.7m，渡槽全长352.0m，比降为1:1000，槽身为钢筋混凝土结构，长10.0m/跨×34跨=340.0m，进口渐变段长5.0m，底宽为2.2m-1.8m，出口渐变段长7.0m，底宽为1.8m-2.2m，槽身两侧与渠道连接采用钢筋混凝土式挡土墙连接。渡槽槽身采用悬臂侧墙式矩形槽，槽身侧墙为等厚度壁，壁厚为200mm，顶部设置拉杆，拉杆截面尺寸为200mm×200mm，间距2.0m，底板厚为200mm。侧墙与底板浇筑成整体，侧墙地缘低于底板地面200mm；在侧墙和底板的连接处加设贴角，以减少转角处的集中应力。渡槽下部结构采用预制装配式排架和杯口基础，排架柱在横槽向为双根排架柱，高度最低2.5m，最高4.5m，柱横截面尺寸600mm×600mm；柱顶浇筑盖梁，盖梁长2.62m，宽0.8m，厚0.5m；杯口基础长4.5m，宽2.5m，高1.2m。渡槽槽身、排架和基础均采用强度为C30的商品混凝土，抗渗标号为W4，抗冻标号为F200。

2.2 水利设计

渡槽上游渠道的设计水深1.25m，渡槽进出口全长352.0m，其中槽身长度为340.0m，槽身长度远远大于进口前渠道水深20倍，槽中水流按明渠均匀流公式计算：

(1)

式中：L为渡槽长度(m)，340m；h0为渡槽上游渠道(进口渐变段前)正常水深，m，1.25m；Q为渡槽设计流量，2.46 m3/s；w为渡槽过水断面面积，m2；B为槽身宽度，1.8m；R为水力半径，m；i为槽底比降，1∶1000；n为槽身糙率，0.014。

东沙浒渡槽过流能力计算见表1。

表1 东沙浒渡槽过流能力计算

假设槽身净宽度B=1.8m，经计算，满足设计流量Q=2.46m3/s要求，此时槽内流速V=1.37m/s；当通过加大流量时，水深1.20m，经计算，可通过最大流量Q=3.13m3/s，大于规划加大流量3.07m3/s，满足要求，此时槽内流速V=1.45m/s，因此确定槽身净宽度B=1.8m。

矩形断面渡槽侧墙高计算：H=max﹛13/12h+0.05，h加+0.1﹜

根据《渠系建筑物-2015》规范要求，矩形断面渡槽槽身顶部超高可取通过设计流量时槽内水深的1/12加5cm，通过加大流量时槽中水面与拉杆底部高差不应小于0.1m，墙高取两者数值大的，经计算，渡槽槽身侧墙净高H进=1.40m，但是，东沙浒渡槽下游有1座节制闸，灌溉期间用以调节节制闸上游水位，满足支闸进水，节制闸运行壅高东沙浒渡槽槽内水位24cm。综合考虑，本次设计槽身侧墙高取1.7m。

渡槽总水头损失可按下列公式计算：

渡槽进口段水头损失：

Z1=(1+ξ1)(v2-v12)/2g

(2)

式中：Z1为进口段水头损失，m；ζ1为进口段局部水头损失系数，可根据进口渐变段形式查得，0.30；v为糟内平均流速，m/s。

槽身段水头损失：

Z2=iL

(3)

式中：Z2为槽身段水头，m。

渡槽出口段水头损失：

Z3=(1+ξ2)(v2-v12)/2g

(4)

式中：Z3为出口段水头损失，m；ζ2为出口段局部水头损失系数，可根据出口渐变段形式查得，0.50。

渡槽总水头损失：

Z=Z1+Z2-Z3

(5)

式中：Z为渡槽总水头损失，m，应等于或小于渠系分配的水头损失值。

东沙浒渡槽总水头损失计算见表2。

表2 东沙浒渡槽总水头损失计算

续表2 东沙浒渡槽总水头损失计算

经计算，东沙浒渡槽总水头损失0.497m，小于渠系分配的水头损失值0.5，满足设计要求。

渡槽进出口槽底高程确定：

根据灯塔灌区渠系规划渠底高程，上游渠道渠底高程为▽3=47.86m，根据规范公式计算确定进出口高程。

渡槽进口槽身底部高程▽1按下列公式计算：

▽1=▽3+h1+Z1-h

(6)

式中：▽3为进口渐变段前上游渠底高程，m；h1、h为渡槽通过设计流量时相应的上游渠道水深及槽内水深，m。

东沙浒渡槽出口槽身底部高程▽2按下列公式计算：

▽2=▽1-iL

(7)

式中：i为槽底比降，1/1000；L为渡槽长度，340m。

东沙浒渡槽进出口底高程计算见表3及表4。

表3 东沙浒渡槽进口槽底高程计算

表4 东沙浒渡槽出口槽底高程计算

经计算，确定入口槽底高程48.00m，出口槽底高程47.65m，满足渡槽过水要求。东沙浒渡槽为小型渡槽，不对加大流量时的水面衔接进行验算。

3 施工组织

3.1 施工交通

工区域附近有一国防路、沈营公路等国道通过，另外附近乡级公路很多，对外交通比较方便。上述路网和邻近农道及原堤顶路构成进出场的交通网，只需在局部位置铺筑3m宽临时路即可，铺筑路面为20cm厚砂石。

3.2 施工布置

根据东沙浒渡槽地形环境，在渡槽的左侧临时占地5100m2，分别布置钢筋加工厂、预制构件加工厂、预制构件存放场、临时仓库、临时堆料场等。

3.3 主体工程施工

钢筋混凝土拆除：采用1.0m3挖掘机配合8t自卸汽车运至3km以外弃渣场。

浆砌石拆除：采用1.0m3挖掘机拆除清理，88kW推土机推运，8t自卸汽车运至3km以外弃渣场。

土方开挖：用于回填部分用1m3挖掘机挖土，就近堆放暂存。

土方回填：采用74kW推土机推运土方，刨毛机刨毛，74kW拖拉机压实土料， 2.8kW蛙式打夯机补边夯实，回填土方分层推铺压实。

预制混凝土施工：预制混凝土主要是渡槽槽身和排架的预制。

所有混凝土预制件均在混凝土预制厂预制。预制件制作按设计要求及有关规定执行。混凝土浇筑前，认真检查钢筋及预埋件的规格、数量、位置。验收合格后方可浇筑[2]。

每个槽身和排架浇筑成型一次完成，浇筑时采用手持式软轴振捣器振捣密实。预制件表面平整光滑，无蜂窝麻面，与外围混凝土接触面凿毛处理。模板采用钢模，每种钢模根据进度要求确定套数，周转使用。每次拆模后对钢模及时清除污物，立模时刷脱模剂[3]。

构件浇筑完毕后，洒水养护：构件用油漆或墨汁标注生产日期、标号、型号、构件编号等；预制混凝土浇筑的成型偏差遵守GB 50204—2002规定。

构件在移位堆放或安装时，其强度不低于设计强度75%，小心装卸防止出现裂缝或者碰损掉角；一端撬起的高度限制在2cm以内，先松后撬，边撬边垫，防止构件开裂；构件移位方法和吊点支撑位置，应符合构件的受力情况，防止损伤。

预制构件在出厂前进行验收，验收合格后方能出厂安装。构件应按施工图纸或监理工程师的指示进行安装，安装前，应使用仪器校核支撑结构的尺寸和高程，并在支撑结构上标出中心线和标高。预制混凝土构件的安装位置，须经校正无误后，方可焊接或灌注接缝混凝土，焊接质量应符合规定，灌缝的砂浆或混凝土不得低于构件混凝土强度等级。预制混凝土构件的安装偏差，不得超过GB50204-2002中的规定[4]。

止水施工：槽身止水为橡胶止水带和可更换止水。橡胶止水带采用带两道遇水膨胀的止水带，在混凝土浇筑之前必须安装好；可更换止水是在混凝土浇筑时在伸缩缝处预留槽和预埋螺栓，混凝土浇筑后再安装U形止水带。

3.4 施工进度

东沙浒渡槽施工进度安排为：5月下旬施工准备；6月施工队正式进场；6-9月进行预制构件生产；待当年的灌溉任务结束，9月初-9月中旬，将原渡槽拆除；9月中下旬，基础开挖完毕；10月杯口基础及进出口边墩浇筑完毕；第二年的3月中旬，预制装配式排架吊装完毕；4月中旬，槽身吊装完毕；4月下旬，进出口混凝土浇筑完成；5月渡槽通水灌溉。

4 结 语

东沙浒渡槽始建于1976年，担负着下游1.7万亩农田的灌溉任务，至今已运行40年，存在槽身漏水、浆砌石墩裂缝、基础沉降等诸多问题，无法保证渡槽下游的农田生产，每年灌溉期间都需要投入大量资金对其进行维修和重点部位加固，既不利于社会稳定，同时存在一定的安全隐患。

东沙浒渡槽拆除重建工程在原址拆除重建，无需增加永久占地；基础采用扩大杯口基础，预制装配式排架和预制槽身，施工时利用吊车吊装，节省工期，不会影响灌区的通水和农民的日常生活生产。工程的设计理念和施工方案对同类工程具有一定的借鉴意义。