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南水北调中线沙河梁式渡槽结构选型与跨度分析研究
作者：冯光伟 左 丽 王彩玲 陈小光 张玉明 来源：《南水北调与水利科技》2010年第04期
摘要：对已建输水渡槽工程结构与跨度以及南水北调中线大流量预应力渡槽工程本身的特点进行分析的基础上，研究沙河梁式渡槽上部结构型式、受力体系、槽数与跨度，并结合满堂架、造槽机、架槽机施工方法，对不同结构与跨度方案的优缺点从结构受力、过流条件、防洪影响、施工技术水平与施工质量、施工工期、经济性、安全性等多方面进行综合对比，论证沙河渡槽经济合理的上部结构型式与跨度。
关键词：南水北调中线工程；渡槽；结构型式；跨度；施工方案
中图分类号：TV68；TV672＋.3 文献标识码：A 文章编号：1672－1683(2010)04－0027－04
0、引 言
南水北调中线一期工程沿线规划有几十座大型渡槽，与此前灌区输水渡槽不同：①低水头大流量造成过水断面超大，输水流量60－420m>sUp>3/s，纵比降1/2900－1/5700，横向2槽至4槽。单槽净宽6－10m，净高4.6－7.8m左右；②受净空高度、地形地质条件加上水荷载较大，难以形成拱渡槽，基本为梁式渡槽。渡槽规模超大，特别是沙河渡槽总长达9 km，属南水北调中线工程中规模最大、黄河南段控制工期的建筑物，综合规模亚洲第一。渡槽上部结构型式与跨度直接影响到工程投资、安全与施工工期控制，因此对沙河渡槽槽身设计方案进行研究十分必要，意义重大。
1、工程概况
沙河渡槽属南水北调中线总干渠沙河南一黄河南段，工程位于河南省鲁山县城东，全长9.05 km，由跨越沙河、大郎河的梁式渡槽(梁槽长2166 m)、跨越河道间低洼地带的箱基渡槽(长5354 m)以及绕鲁山坡的落地槽(长1530 m)组成，总设计水头1.77m。沙河与渡槽工程交叉
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断面以上流域面积为1918 km>sUp>2，百年一遇洪峰流量为8190 m>sUp>3/s，相应洪水位120.84 m，三百年一遇洪峰流量为10160 m>sUp>3/s，相应洪水位121.23m。常年有水河流，河地114－115 m左右，河谷宽浅开阔。
渡槽设计流量320m>sUp>3/s，加大流量380m>sUp>3/s，跨沙河梁式渡槽槽身采用双线4槽预应力混凝土U形30 m跨简支结构，单槽净宽8 m，净高7.4 m，每两槽支承于一个墩上，共47跨，1410 m；下部为空心墩、桩基，桩径1.8 m，主要穿过卵石、泥质砂砾岩及砾质泥岩，桩端位于砾质泥岩中。大郎河梁式渡槽长300 m，10跨，结构与沙河梁式渡槽类似。 沙河一大郎河箱基渡槽长3534 m，大郎河－鲁山坡箱基渡槽段长1820 m。槽身采用矩形双线双槽，单槽净宽12.5m，两槽相互。下部为箱形涵洞。鲁山坡落地槽轴线长1530 m，矩形单线单槽布置，底宽22.2 m。
2、沙河梁式渡槽槽身结构选型
2.1 槽身受力结构体系
渡槽上部槽身常用的结构形式有梁式渡槽、拱式渡槽、桁架拱式渡槽、工字梁组合渡槽等，输水断面有矩形、U形。早期渡槽工程，尤其是流量稍大、断面宽的渡槽大多做成底宽较大的单箱多纵梁或桁架拱型式，如河南省陆浑灌区溢洪道渡槽，流量77 m>sUp>3/s，双曲拱支撑结构；河南省鲇鱼山灌区灌河渡槽，流量100 m>sUp>3/s，矩形简支结构，净宽10 m，跨度10 m。近年来随着大跨度整体受力预应力箱梁在公路、铁路尤其是高铁工程中成功采用，渡槽结构设计多倾向于输水槽体与承重结构体系一体化。
沙河渡槽渠底与河道设计洪水位间高差3.5－4 m，流量大，净空小，河谷宽浅，因此对沙河而言，渡槽上部宜为梁式渡槽。连续梁槽可有效地降低跨中弯矩，结构受力合理，但适应不均匀沉降变形能力较低，施工难度、裂缝控制较难，更主要的是渡槽为开口截面，如此大的截面支座负弯矩难以满足，所以沙河渡槽选择梁式简支结构渡槽。 2.2 渡槽的槽数选择
沙河梁式渡槽上部槽数可选有2槽、3槽、4槽3种，对于3槽方案，因为跨河梁式渡槽进出口均存在与箱基渡槽的衔接问题，槽型变化为：沙河梁式渡槽一沙河至大郎河段箱基渡槽一大郎河梁式渡槽一大郎河出口箱基渡槽一鲁山坡落地槽。同时由于箱基渡槽长5.35 km，对工程量影响巨大，若箱基渡槽对应采用3槽，不论梁式渡槽采用何种结构，与箱基采用2槽相比总体工程量都增加很多，不经济，因此，梁式渡槽槽数不宜用3槽方案。
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2槽及4槽方案断面为：采用2槽矩形，单槽净宽11m，净高7.7m；采用U形2槽，单槽净宽11.8m，净高7.7m；采用矩形4槽，单槽净宽7m，净高7.8m；采用U形4槽，单槽净宽8m，净高7.4m。
从结构设计及安全性分析，结构断面之大都是前所未有的，4槽的安全性优于2槽；从施工难度及施工质量分析，由于槽身断面尺寸过大，施工难度均比一般渡槽要大的多。从目前的施工技术看，国外已建的大型渡槽有印度戈麦蒂渡槽，矩形过水槽宽12.8 m、槽高7.45 m，渡槽上部采用预应力承重框架支承非预应力输水槽身的布置形式。国内已建大渡槽有东深漳洋渡槽，槽身为U形薄壁预应力钢筋混凝土结构，直径7 m跨度24 m；刚刚建成的南水北调漕河渡槽，3槽预应力矩形，单槽宽6 m跨度30 m。从已建工程的结构型式和规模看，不管U槽还是矩形槽，都已有成功的施工经验，但也存在一些施工技术问题，南水北调工程的特点是输水保证率要求较高，因此，从施工技术及工程安全考虑，宜采用4槽方案。 2.3 槽身上部结构选型、跨度研究 2.3.1 方案拟定
槽身多槽时常见的结构型式一般为矩形和U形，因此沙河梁式渡槽槽身结构型式比较矩形4槽和U形4槽两种型式。作为预应力结构，跨度应较传统的钢筋混凝土结构有所突破，选择30m及40 m两种，共组合4种结构方案。即：①矩形4槽跨度30m；②矩形4槽跨度40m；③U形4槽跨度30m；④U形4槽跨度40m。
渡槽的施工方案对渡槽的投资影响很大，应纳入结构方案一并比较。渡槽施工方法较多，比较常用的有满堂支架现浇法、造槽机法、架槽机法等。沙河渡槽规模较大，矩形槽身单槽自重3240－3680 t，U形槽身单槽自重1200－1700t。根据目前的施工技术，矩形槽比较适合的施工方法有满堂法和造槽机法，但由于矩形槽两槽一体，结构复杂，造槽机法施工难度较大，因此，矩形槽施工方案采用满堂支架法。U形槽4槽各自，几种方法都可以采用，因此U形槽施工方案选择满堂法、造槽机法及架槽机法3种施工方案。
①矩形4槽跨度30m。双线4槽，每两槽支撑在一个墩上。单槽净宽7 m，侧墙净高7.8 m，总高9.5 m，双联间两侧墙内壁相距9.2 m。槽内设计水深6.38 m。槽身侧墙厚0.60m，底板厚0.4m。纵向每2.95m设底肋，肋宽0.5 m，底肋净高1.0 m，槽顶部设横拉杆。侧墙和中隔墙兼做纵梁，中隔墙厚0.8 m。槽身为三向预应力混凝土结构，混凝土采用C50。槽身纵向为简支梁型式，跨径30m，共48跨，槽底比降为1/4600。下部支承采用钢筋混凝土空心墩，圆端头截面，长21 m，宽5.6 m，空心墩壁厚1 m；基础为灌注桩，桩径1.8m，每个基础下顺槽向设两排，每排5根，单桩长19－27 m。
②矩形4槽跨度40m。双线4槽预应力结构，上部槽身及下部支承结构型式及尺寸同矩形4槽，下部共36跨，单桩长20－34m。
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③U形4槽跨度30 m。槽身采用U形双向预应力结构，双线4槽，单槽直径8m，U槽净高7.4m，4槽各自，每2槽支承于一个下部槽墩上。U槽壁厚0.35 m，槽底局部加厚至0.9 m，宽2.60 m。槽顶设拉杆，槽两端设端肋，跨径30 m共48跨，槽底比降为1/4600。下部支承采用钢筋混凝土空心墩，采用圆端头截面，长21 m，宽5.6 m，基础为灌注桩，每个基础下顺槽向设两排，每排5根，桩径1.8 m，单桩长17－25m。
④U形4槽跨度40m。上部槽身壁厚0.4m，其余部位尺寸基本与30 m跨度相同。下部与40 m跨矩形槽相同。
各方案工程量及投资(仅为跨沙河梁式渡槽段的投资)见表1。 2.3.2 上部结构型式、跨度方案论证比选
①从结构受力特点分析。U形槽和矩形槽两种结构型式均有整体性好，刚度大，受力明确等优点。二者相比，U槽水力条件较好，外形线条流畅，轻巧。同时U型槽为双向预应力，矩形槽为三向预应力，U槽预应力施工比矩形槽相对简单。另外，从结构应力状态分析，U槽结构流畅不像矩形槽有那么多转折、边角，U槽环向预应力筋可以沿着结构面布置，不像矩形槽贴角部位钢绞线根本控制不住，与矩形槽比，基本无应力集中现象。
②从不同跨度对防洪安全、工程安全、质量影响分析。从跨度对河道行洪的影响分析，在1440 m渡槽长度内，30 m跨径有48个槽墩，40 m跨径有37个槽墩，槽墩多，槽下过流断面小，对河道的影响相对就大。沙河为宽浅形河道，两种跨度水位变化不明显。30 m跨河道20年一遇洪水工程后水位比工程前水位壅高0.05 m，河道百年一遇洪水比工程前水位壅高0.10 m；40 m跨20年一遇洪水工程后水位比工程前水位壅高0.07 m，河道百年一遇洪水比工程前水位壅高0.12m。因此，从对河道行洪影响看，30 m跨和40 m跨方案之间没有本质的差别。 从沙河的地质条件分析，沙河基础持力层主要为卵石及第三系软岩，卵石层不均匀，相变较大，第14层泥质砂砾岩和砾质泥岩物质组成不均匀，胶结成岩差跚，因此小跨度较大跨度为优。
从不同跨度的结构安全性分析，一般情况下，渡槽跨径小，施工难度亦小，安全性也高。但近几年来，随着设计水平及施工技术的提高，许多大型、超大型结构不断涌现，如前所述，漳洋渡槽、漕河渡槽，给大型渡槽设计及施工提供了宝贵的施工经验。另外，南水北调145亿m>sUp>3调水规模规划阶段，河南省水利勘测设计研究有限公司委托华北水利水电学院进行的双洎河渡槽仿真模型试验，40 m跨、单槽净宽10.5 m、槽高9.8 m，实验槽身为矩形双隔墙形式，实验表明槽身各构件处于受压状态。从理论上分析，两种跨度都是可行的，但30 m跨施工质量保证程相对高些，且30 m内大型渡槽具有成功建设经验。
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③从工程量及投资分析。从建筑工程投资看，两种跨度8个方案中，矩形槽方案投资最大，比其他方案多2000－8000万元；从工程总投资看，30 m跨度矩形槽投资次大，40 m跨度矩形槽投资最大，因此，从投资方面U形槽优于矩形槽。
对U形槽身结构，从建筑工程投资看，各种施工方法中，大跨度优于小跨度；施工方案投资，不管30 m还是40 m跨度，满堂支架方案投资最小，架槽机方案投资最大；从跨度比较，满堂支架方案大跨度优于小跨度，造槽机及架槽机方案，由于施工设备增加，则是小跨度优于大跨度。
④从施工方案、施工质量保证程度分析。从施工角度分析，满堂支架法是在水利工程重最常见，但脚手架和模板工作量大，施工期较长并受河道洪水影响较大，一般适用于上部荷载相对较小，下部基础承载力较高，净空较低的情况。对上部荷载较大的大跨度、大吨位渡槽且槽身为薄壁结构。存在施工时模板脚手架变形偏大问题工程质量不易保证，安全风险大，因此，对沙河渡槽来说，不应是较优方案。
造槽机法优点是不受河滩软弱地基或河水影响，可以节省大量的落地支架和临时基础及地基处理的费用，可以汛期施工。但是，由于造槽机外模移动需要，槽身之间需要较大的空间(至少4 m)，下部支承长度加大，增加了下部支撑的工程量。
架桥机法优点同造槽机基本不受河道、河床地质条件影响，同时采用地面预制，蒸汽养护，施工周期短，施工质量可以得到保证，相邻槽身之间需要的空间也较小，只需0.4 m。其缺点是架槽机架设导梁需支撑在墩帽上加大下部支撑的长度，增加下部支承的工程量，设备投资也较大。另外一方面，沙河渡槽是渠首陶岔一黄河南控制工期的建筑物，其施工工期决定着南水北调中线工程在2013年能否通水，从这个角度分析，地面预制吊装对工期优化有利。 综上所述，对南水北调沙河渡槽而言，各方案总体上投资相差不大，下部支撑结构河道行洪影响基本相同，考虑U形槽水力条件好，结构基本无应力集中现象，造型轻巧美观；地面预制便于施工且混凝土浇筑质量易于保证，预制架设不受河道条件制约，实施中工期有优化的空间便于南水北调建设总工期的控制；30 m跨度的施工机械设备容易解决，因此，沙河梁式渡槽上部结构采用双线4槽30 m跨U形简支预制架设方案。
3、结 语
①对大流量大断面预应力沙河梁式渡槽结构型式，通过结构受力、过流条件、施工质量与施工技术水平、防洪影响、投资分析、安全性等角度充分论证的前提下，综合多方面因素选定沙河渡槽上部结构30 m跨预应力U形槽架槽机施工方案，应该是科学经济合理的。
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