胡朝暉 郭春雷

渡槽是輸送渠道水流跨越河渠、道路、山林、谷口等的架空輸水建筑物,是渠系建筑物中應(yīng)用最廣泛的交叉建筑物之一,渡槽除在灌區(qū)用于輸送渠水進行農(nóng)田灌溉外,還用于輸送城鎮(zhèn)生活用水、工業(yè)用水。半個多世紀(jì)以來,特別是20世紀(jì)80年代以后,隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活用水的不斷增長的需要,渡槽在過水流量、結(jié)構(gòu)型式、施工方法等方面不斷得到發(fā)展,輸水能力由幾立方米流量發(fā)展到上百立方米流量。

南水北調(diào)中線工程屬特大型跨流域調(diào)水工程,它將丹江口水庫的庫水引出,通過湖北、河南、河北向京津地區(qū)自流式輸水。由于南水北調(diào)中線工程總干渠為自流輸水,水頭緊張,可以分配給各座渡槽的水頭損失較小,因而槽身過水?dāng)嗝婧艽?不少渡槽水面總寬在25m以上,水深大于5 m,水荷載特別巨大。由于工程的重要性及工程規(guī)模的龐大,采用常規(guī)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不但不易解決槽身結(jié)構(gòu)防滲抗裂的問題,還將造成槽身結(jié)構(gòu)的槽壁與底板等很厚,大大增加自重,引起上部結(jié)構(gòu)以及下部結(jié)構(gòu)工程量的大大增加,而使工程很不經(jīng)濟合理。因此,為了達到增加渡槽跨度并減小槽身結(jié)構(gòu)尺寸的目的,槽身結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)體系,利用預(yù)應(yīng)力施工技術(shù),充分發(fā)揮材料的性能,在滿足材料強度及結(jié)構(gòu)使用條件的前提下,可有效地減薄底板及側(cè)墻的厚度,從而使工程經(jīng)濟合理。

1 典型工程的選取

南水北調(diào)中線大型渡槽分布在河南、河北省境內(nèi),每座渡槽的過流流量、槽址處的水文及氣象資料、地質(zhì)情況等均不相同。為了有針對性的研究問題,選擇牛河南支渡槽作為本次研究的典型工程。

牛河南支渡槽位于邯鄲市西部太行山東麓,是滏陽河上游主要支流之一,牛河南支渡槽渠道設(shè)計流量為235 m3/s,加大流量265 m3/s。

2 槽身結(jié)構(gòu)布置

為研究渡槽在不同跨度下的計算情況,槽身按30 m跨及35 m跨兩種跨度進行結(jié)構(gòu)計算,混凝土強度等級采用C50。

30 m跨槽身橫向斷面為3槽一聯(lián)矩形槽多側(cè)墻結(jié)構(gòu),槽孔凈寬7 m×3槽,槽身底輪廓總寬為24.3 m。槽內(nèi)設(shè)計水深6.0 m,加大水深6.366 m。槽身內(nèi)墻高(底板以上)6.8 m,底板以下梁高跨中1.5 m,跨端2.3 m,側(cè)墻總高跨中8.3 m,跨端9.1 m。底板以上墻寬0.7 m(中墻)、0.6 m(邊墻)。底板以下墻寬1.5 m(中墻)、1.3 m(邊墻)；墻頂設(shè)翼緣板,中墻板寬3.0 m,邊墻板寬2.7 m。底板厚跨中0.40 m,梁端0.50 m。底板下設(shè)橫梁,跨中斷面為0.7 m×0.4 m(高×寬),支座處斷面為1.4m×1.0 m(高×寬)；墻頂設(shè)拉桿,斷面為0.5 m×0.35 m(高×寬),沿縱向間距均為2.5 m。

35 m跨槽身渡槽橫斷面構(gòu)造基本與30 m跨結(jié)構(gòu)相同,為使渡槽底肋上緣鋼束錨固端局部承壓滿足要求,將邊墻外側(cè)下馬蹄形截面加高10 cm,并將底板橫肋寬度由40 cm增加到52 cm,間距由原設(shè)計2.50m改為3.10 m,同時將渡槽上緣拉桿間距由2.5 m改為3.1m。槽身橫斷面型式見圖1。

3 槽身預(yù)應(yīng)力筋的布置

30 m跨與35 m跨槽身縱、橫向預(yù)應(yīng)力筋采用1860級鋼絞線,抗拉強度值為1 860 MPa,張拉控制應(yīng)力采用1 302MPa。由于槽身斷面大,且水深較深,因此槽身的縱向、橫向及豎向均考慮預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。根據(jù)相應(yīng)結(jié)構(gòu)部位的受力要求,邊墻底部縱向預(yù)應(yīng)力筋配置12束7 Φ j15.2鋼絞線,為斜截面抗剪需要邊墻端部彎起3束(30 m跨)或4束 (35m跨),邊墻頂部縱向預(yù)應(yīng)力筋配置3束7 Φ j15.2鋼絞線,中墻底部縱向預(yù)應(yīng)力筋配置15束9Φ j15.2鋼絞線,為斜截面抗剪需要中墻端部彎起3束(30 m跨)或5束(35 m跨),中墻頂部縱向預(yù)應(yīng)力筋配置3束7Φ j15.2鋼絞線,底板縱向預(yù)應(yīng)力筋每間隔1m布置1束5Φ j15.2鋼絞線。豎向預(yù)應(yīng)力筋一方面承受由于水壓力對側(cè)墻產(chǎn)生的彎矩所造成的拉應(yīng)力,另一方面可以提高截面的抗剪能力。由于其長度較短,采用精軋高強螺紋粗鋼筋錨固體系進行計算,它具有預(yù)應(yīng)力損失小,錨固簡單,安全可靠及施工方便等優(yōu)點。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要采用 Φ 32的精軋螺紋鋼筋,邊墻外側(cè)布置 Φ 32@400 mm精軋螺紋鋼筋,邊墻內(nèi)側(cè)及中墻兩側(cè)均勻布置 Φ 32@300 mm精軋螺紋鋼筋。預(yù)應(yīng)力筋總體布置圖見2(圖為35 m跨預(yù)應(yīng)力筋布置,30 m跨端部彎起筋數(shù)量不同)。

圖2 預(yù)應(yīng)力筋總體布置圖(單位:mm)

4 槽身結(jié)構(gòu)計算

槽身結(jié)構(gòu)計算首先采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,將槽身分為縱向和橫向,分別按平面力系假定進行內(nèi)力計算。①縱向承重:在考慮變形協(xié)調(diào)的影響后,邊梁簡化為承擔(dān)其自重和半槽水重荷載的不對稱的I型簡支梁,中梁簡化為承擔(dān)其自重和整槽水重荷載的對稱的I型簡支梁；②縱向底板簡化為以底部橫梁為支撐的承受板自重和槽內(nèi)水重的多跨連續(xù)板；③橫向按平面剛構(gòu)計算,底板簡化為以底肋為腹板,渡槽底板為翼緣的T型梁、頂部拉桿,橫向計算以橫梁間距為計算單元。

計算荷載包括自重、水壓力(計算分別按兩邊槽過水、中槽過水、三槽過水3種工況進行)、溫升、溫降以及風(fēng)荷載等。渡槽迎水面的側(cè)墻和底板按嚴(yán)格不出現(xiàn)裂縫設(shè)計(即不出現(xiàn)拉應(yīng)力),其余按一般不出現(xiàn)裂縫(即允許出現(xiàn)在限制拉應(yīng)力系數(shù)下的拉應(yīng)力)設(shè)計。槽身縱向邊、中梁主拉、壓應(yīng)力、縱向底板上下緣應(yīng)力及橫向主拉、壓應(yīng)力計算結(jié)果詳見表1～3(表中只列舉35 m跨的計算結(jié)果,30 m跨計算結(jié)果略小)。

通過計算,渡槽槽身縱、橫向結(jié)構(gòu)均能滿足承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)要求。

表1 邊、中梁主拉、壓應(yīng)力驗算結(jié)果表

表2 橫向底板上下緣應(yīng)力計算結(jié)果表MPa

表3 橫向側(cè)墻及底板主拉、壓應(yīng)力驗算結(jié)果表

由于此渡槽槽身斷面大且復(fù)雜,采用簡化的結(jié)構(gòu)力學(xué)平面力系的計算方法對于中小型渡槽經(jīng)過工程實踐檢驗是可靠的,但對于南水北調(diào)中線渡槽這樣的體形尺寸和規(guī)模,尚無工程實例驗證資料,因此須再采用三維有限元計算程序?qū)ζ溥M行模擬計算,來驗證采用上述結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行分析的計算結(jié)果。經(jīng)過三維有限元模擬計算,計算結(jié)果均能滿足要求。

5 結(jié) 語

為了使南水北調(diào)中線大型渡槽工程適應(yīng)大跨度的需要,并且盡量地減小槽身結(jié)構(gòu)尺寸,槽身結(jié)構(gòu)應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)體系,利用預(yù)應(yīng)力施工技術(shù),充分發(fā)揮材料的性能,使工程經(jīng)濟合理。