跨运河桁架式梁拱组合体系钢-混凝土渡槽伸缩装置创新研究

张福强

（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300300）

0 引言

引江济淮淠河总干渠项目渡槽采用钢结构桁架式梁拱组合结构，主跨110m，是目前世界上跨度最大的钢渡槽。国内渡槽多为混凝土渡槽，其伸缩量受水位变化、温度升降影响，但由于混凝土材料温度性能好，其伸缩量一般较小[1-3]，对伸缩装置要求不高。由于钢材的温度性能差，在温度和水位变化下，钢材的热胀冷缩变化大[4-5]，普通的伸缩机构设于钢结构渡槽内，因无法适应钢材的形态变化导致渡槽出现缝隙，造成渗水的问题。另外，钢渡槽与混凝土渡槽间隔设置的设计使两者间形成伸缩装置，而分缝的部位通常是水工结构防渗的薄弱环节[6-7]。

针对这些问题，本文从装置结构设计、试验室水密试验、施工、充排水试验开展研究，协调钢-混凝土变形不同步问题，在控制渗漏的同时满足钢结构的大变位要求，同时评价该装置的水密性能。

1 工程概况

本项目位于江淮沟通段江淮分水岭北侧，为淠河总干渠渡槽段，地处合肥市蜀山区和肥西县境内。起止桩号46+000～48+000，总长2.0km。河道设计输水流量290m³/s，最高通航水位23.86m，最低通航水位17.40m，设计百年一遇防洪水位25.53m。淠河总干渠渡槽是引江济淮工程中的控制性节点工程，与引江济淮渠道立体交叉。渡槽分左右两幅，单幅净宽16m，总长350m，分为进口段（52m）、跨主河渠槽身段（246m）、出口段（52m）三部分，其中进、出口段槽身为混凝土渡槽，跨主河渠槽身段为钢渡槽，总用钢量达到2.1 万t，是国内首座钢结构通航渡槽。淠河总干渠渡槽中的钢-混凝土渡槽之间伸缩装置为U 型结构，宽60cm，槽内水深5.05m。

2 止水伸缩装置结构设计

2.1 设计目标及原理

引江济淮工程淠河总干渠渡槽是大型渡槽，其槽身跨度、过水流量、水深及水荷载均较大。在动水荷载情况下渡槽伸缩装置的结构性能直接影响渡槽安全运行，同时伸缩装置的渗漏将造成灌溉水资源的惊人浪费。因此，设计出水密封效果良好的伸缩装置对淠河总干渠渡槽的运行十分重要。

针对本项目的大水深水下大位移伸缩装置，在支撑条上方安置波纹型止水橡胶带，水体重量和压强通过止水橡胶带转移到支撑条上。当伸缩装置有纵向位移时，支撑条在滑移盒里面运动，止水橡胶带本身发生形变，通过两者共同作用实现纵向位移。同样的原理，横向位移和竖向变形分别通过波纹型止水橡胶带的横向和切向应变实现。该水下伸缩装置止水系统具有更加优异的水密性和可靠性，伸缩装置可在整个桥梁寿命周期内不发生渗漏和腐蚀。

2.2 设计重难点

（1）槽身跨度大，结构复杂，渡槽可能产生较大纵向及横向位移；纵向最大变形±175mm，横向变形±15mm，竖向变形±15mm，允许侧向扭转以适应钢梁和混凝土梁；（2）渡槽为U 型布置，弯曲段伸缩装置受水压力荷载影响作用的应力应变情况与平直段的伸缩装置并不相同；（3）渡槽过水流量、水深及水荷载均较大，水压力引起的伸缩装置形变可能直接影响止水的水封性能，需满足竖向满槽水深的水压力以及渡槽内部检修车辆的局部荷载；（4）伸缩装置各部件安装工艺的不同可能影响伸缩装置止水的水封性能；（5）耐久性不小于20 年，防腐、耐老化性能好，且可更换，方便养护。适用温度-25℃～60℃。

2.3 结构性能及特点

（1）通过上盖板、波型橡胶止水带、止水带压板和托板、支撑滑移条、支撑条滑移盒等复合结构，提升伸缩装置的纵向移位功能，在满足大位移需求的同时确保装置的止水、水密性能；（2）通过上盖板隔离方式，防止泥砂等垃圾堆积而影响装置的伸缩功能，并提升止水带受压变形性能；（3）优化装置的材料和防腐方案，提升装置的水下防腐性能；（4）伸缩装置安装部位为钢梁与混凝土梁对接结构，优化伸缩装置的安装、锚固方案，提升装置的可靠性和水密性能。

3 止水伸缩装置试验室水密试验

止水装置在应用于实际工程之前，必须进行严格的水密性能、防渗性能和变位性能试验，以验证装置的设计合理性。试验过程中的水位高低由设计最大水深5.05m 确定。装置如图1 所示。

图1 止水伸缩装置的结构示意图

3.1 水密性能试验

（1）将伸缩装置安装在试验装置上，并恢复零位；（2）为确保试验装置处于水平位置，需要向装置内充0.9m 深清水，淹没伸缩缝；（3）静置1h，观察伸缩缝橡胶止水带与压板、齿板接触处是否有水渗出。

3.2 防渗性能试验

（1）在水密试验的基础上，安装试验装置封条1、封板2、箱盖，拧紧螺栓；（2）施加水压，水柱高低从1m 开始，每隔10min 以0.5m 的间隔逐级加大，直至水深5.05m；（3）每级均保压静置1h，观察伸缩缝橡胶止水带与压板、齿板接触处是否有水渗出。

3.3 变位性能试验

（1）在防渗试验的基础上，拆下盖板和密封条1、密封条2 及两侧平压板，弯板；（2）通过扳手转动，推动右箱沿止水伸缩缝纵向移动+175mm、横向移动+15mm、竖向移动+15mm 保持1h；（3）观察伸缩缝橡胶止水带与压板、齿板接触处是否有水渗出；（4）通过扳手转动，推动右箱沿止水伸缩缝纵向移动-175mm、横向移动-15mm、竖向移动-15mm，保持1h；（5）观察伸缩缝橡胶止水带与压板、齿板接触处是否有水渗出；（6）重复循环步骤（2）～（5），3 次。

3.4 试验结论

3.4.1 水密性能试验结论

在试验伸缩缝装置内充满0.9m 清水静置1h 后，伸缩缝橡胶止水带与压板、齿板接触处等各部位均未出现渗水现象，满足水密性要求。

3.4.2 防渗性能试验结论

试验伸缩缝装置上部安装好密封盖板后，给装置内注水进行加压试验。

水位在1.0m、1.5m、2.0m、2.5m 和3.0m 期间，装置的密封性能良好，未出现渗漏现象。

水位在3.5m 和4.0m 时，装置两侧止水带压板处均出现2 处局部的渗漏，2～3s 时间渗漏1 滴水，其他部位未出现渗漏。将试验装置的渗漏处拆开对安装平面进行了打磨处理，重新安装后再次进行加压试验，未再出现渗漏现象。

水位在4.5m 和5.05m 时，装置的密封性能均良好，未再现渗漏现象。

3.4.3 变位性能试验结论

分别对试验伸缩缝装置的一侧进行-175mm 和+175mm 的水平位移，在位移后再次进行注水加压试验，水压为5.05m，装置的密封性能均良好，未再出现渗漏现象。

4 止水伸缩装置施工技术

（1）该止水伸缩装置为U 型，每个安装单元根据渡槽结构大小灵活设置，一般1m 为宜，缝宽30cm ≤a ≤60cm，在钢槽侧焊接支撑板，同步清理混凝土槽侧槽口，将L 型螺栓与预埋U 形钢筋焊接。

（2）将支撑伸缩条与支撑伸缩条焊接骨架钢板以每个安装单元为单位提前焊接，同步插入变宽支撑条滑移盒，底板处只伸缩不变宽，侧壁考虑外倾变宽，钢槽侧支撑伸缩条焊接骨架钢板与支撑板焊接，混凝土槽侧将支撑条滑移盒临时固定到L 型螺栓，检测安装平整度，控制在2mm 范围内，浇筑C50 微膨胀钢纤维细石混凝土。

（3）钢槽侧使用全螺纹六角头螺栓安装止水带下托板，混凝土槽侧将下托板插到已安装完成的L型螺栓上，并通过螺母紧固。

（4）在支撑伸缩条上画线摆放不锈钢支撑筋和支撑海绵，在止水带安装底板和下托板的凹槽内安装遇水膨胀橡胶条。

（5）安装全断面橡胶止水带，止水带压板通过螺纹连接将橡胶止水带紧紧压住，形成闭水条件。

（6）浇筑环氧树脂混凝土，其中钢槽侧提前贴遇水膨胀橡胶条作为密封条。

（7）在C50 微膨胀钢纤维细石混凝土和环氧树脂混凝土交界面不小于2cm 宽的凹槽，并深入细石混凝土中2cm，将凹槽洗净注入聚硫密封胶。

（8）磨平环氧树脂混凝土，将聚四氟乙烯滑板按单元粘贴在不锈钢盖板上，装好密封橡胶垫，通过螺纹连接分单元安装好上盖板。

（9）通过托板将不锈钢止水带分别压靠在钢槽侧和混凝土槽侧。

5 止水伸缩装置场内充、排水试验

本次充水试验的最高试验水位按设计水位47.55m（水深4m）加大10%考虑，经计算确定最高试验水位为47.95m，对应水深为4.4m。按照300 年一遇洪水校核水标准，充水至48.60m，对应渡槽水深为5.05m。详细的充排水方案见表1。在充水水位至5.05m 时达到最大变化量，最大变化量为2.05mm，远未超过最大变形技术要求；在5.05m 卸荷以后，伸缩装置变形具有收敛趋势。

充水试验期间，巡查发现混凝土渡槽渗水共10处，进口段7 处、出口段3 处；渡槽排水后，再次对混凝土渡槽迎水侧进行巡视，共发现混凝土渡槽分缝渗水共9 处，进口段8 处、出口段1 处。以上缺陷均为施工质量问题，可通过灌浆后封闭进行处理，未发现影响渡槽结构安全的质量问题。

6 结语

采用波纹型橡胶止水带，止水带两侧固定在两侧的渡槽上，橡胶止水带起密封作用，波纹状结构能满足渡槽的伸缩要求。波纹型止水带下按一定间距设置了齿条，支撑橡胶止水带，起承受渠道水压作用。采用橡胶止水带的波纹结构解决了渡槽水平方向的位移要求，利用橡胶止水带可压缩变形的性能，解决了渡槽上下左右方向的变位要求，同时兼具过水密封性的要求。

该结构已在引江济淮（安徽段）项目上安装使用，2021 年5 月1 日淠河总干渠渡槽顺利通水，使用效果良好，可为同类渡槽建设提供参考依据