王　棟　楊憲元

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

石門水庫瀝水溝渡槽震后改建工程設(shè)計(jì)探析

王棟楊憲元

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

本文在闡述石門水庫瀝水溝渡槽現(xiàn)狀以及四川汶川地震對其造成影響基礎(chǔ)上，分析了工程改建的必要性，通過方案比選，最終確定方案為新修變截面二次拋物線拱式渡槽，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和三維有限元相結(jié)合的方法進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)、樁體變位、地基應(yīng)力復(fù)核等工作，有效地指導(dǎo)了工程設(shè)計(jì)；其設(shè)計(jì)方法和理念在其它類似渡槽工程中有實(shí)際的參考價(jià)值。

渡槽；震后改建；方案設(shè)計(jì)

1　概況

瀝水溝渡槽位于陜西省漢中市石門水庫灌區(qū)東干渠2.1km的瀝水溝溝口，是東干渠渠首的重點(diǎn)建筑物，渡槽原設(shè)計(jì)輸水流量30m3/s，渡槽全長214.1m，最大建筑高度43.3m，控制著下游灌溉面積27萬畝，瀝水溝渡槽按3級建筑物設(shè)計(jì)。原渡槽全部采用了預(yù)制裝配式輕型結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼槽箱，其為迭合式變截面“U”型薄殼預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)，最大跨度17.1m，下部結(jié)構(gòu)采用排架，排架采用預(yù)制裝配輕型鋼筋砼雙肢和單肢型式。工程區(qū)位于漢江盆地北緣，屬巴山弧形構(gòu)造體系西部，根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》標(biāo)準(zhǔn)，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，相應(yīng)的地震烈度為Ⅶ度［1］。瀝水溝渡槽建成于1972年，其一直發(fā)揮著重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)作用，經(jīng)多年運(yùn)行，渡槽混凝土局部碳化、鋼筋銹蝕，結(jié)構(gòu)變位、沉降明顯，排架裂縫、承載力不足；特別是2008年5月12日，四川汶川發(fā)生8.0級大地震，地震及其后續(xù)余震波及漢中市，其對瀝水溝渡槽產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的破壞：①渡槽槽身中心軸線偏差測量值最大達(dá)9.95cm；②排架柱身裂縫較為普遍，尤其柱接頭上下較為集中。由鑒定報(bào)告知槽箱在通過16m3/s流量時(shí)渡槽晃動(dòng)劇烈，已不能正常行水運(yùn)用；渡槽出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)安全問題，經(jīng)各級部門調(diào)查分析，瀝水溝渡槽被水利部列為震損工程，為保證農(nóng)田灌溉，對其進(jìn)行改建十分必要。

2　工程地質(zhì)

渡槽位置地處秦嶺南麓的瀝水溝匯入褒河處，溝口地層主要為前寒武系綠泥石絹云母系千枚巖和第四系松散地層。渡槽可利用承載巖層為千枚巖，其呈灰黑色，夾有絹云母和石英巖脈，片理發(fā)育，呈互層狀，巖性軟弱，具有絲絹光澤，有滑感，遇水易軟化，風(fēng)化后見水成泥狀，力學(xué)強(qiáng)度低。更為復(fù)雜的是在千枚巖表、中層分布有傾倒體，傾倒體的形成是由于千枚巖巖層走向幾乎與溝道平行，層理近于直立，其上部厚約10m～20m的巖層，在外力和自重作用下，分別向兩岸瀝水溝傾倒，傾倒后的巖石（簡稱傾倒體）片理間發(fā)生了相對錯(cuò)動(dòng)，變的破碎松軟，承載力很低，僅為0.3 MPa。

綜上所述，工程區(qū)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，給工程設(shè)計(jì)帶來了很大的難度。

3　渡槽改建方案確定

在設(shè)計(jì)過程中提出以下兩種改建方案。

（1）原址渡槽加固方案

此方案對原渡槽進(jìn)行加固，包括槽身段及上下游連接段，槽身段長160.54m，進(jìn)口連接段長26m，出口連接段長5.2m。槽身段加固原則為：排架采用空心墩包裹加固，上部槽箱拆除置換，下部基礎(chǔ)井柱新建。

（2）新修渡槽改線方案

此方案在原渡槽上游24m處溝道新建一渡槽。新修渡槽在上游用進(jìn)口蓋板涵、隧洞，下游用出口蓋板涵、漸變段、隧洞分別與東干渠進(jìn)行平順銜接。

對以上兩種方案，從改建長度、改建方式、施工安全、施工難度、灌溉影響、工程投資方面進(jìn)行綜合比較，認(rèn)為原址加固方案施工難度及施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，工期保障風(fēng)險(xiǎn)大，對下游灌區(qū)灌溉影響較大；而改線方案能很好地解決加固方案存在的安全、工期等方面的風(fēng)險(xiǎn)因素。

因此瀝水溝渡槽震后改建工程最終確定的方案為新修渡槽改線方案。

4　新修渡槽設(shè)計(jì)

4.1渡槽體型

設(shè)計(jì)采用拱式渡槽，由于設(shè)計(jì)流量達(dá)到30m3/s，拱上荷載大，為提高渡槽的整體穩(wěn)定性，拱圈設(shè)計(jì)為矩形截面板拱型式，共布置3跨，每跨43m，槽身全長169m，拱圈采用變截面二次拋物線結(jié)構(gòu)型式，拱頂厚度0.8m，拱腳厚度為1.20m，拋物線方程為Y=X2/（2×18.49），矢跨比為1/3.44（矢高12.5m，跨徑43m），拱圈寬度結(jié)合上部排架及槽箱布置需要，確定為5.65m，為C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)［2］。

拱上排架高度1.82m～8.69m，采用單排架結(jié)構(gòu)型式，為C25鋼筋砼現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，排架以拱頂為軸線對稱布置。考慮拱圈受力均勻等因素，確定排架間距為6.6m，排架柱斷面尺寸為0.6m×0.4m（縱向×橫向）。

排架上槽箱為C30鋼筋砼箱型結(jié)構(gòu)，結(jié)合拱跨布置及拱圈受力，槽箱跨度為6.6m。經(jīng)水力計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算，確定斷面尺寸4.2m× 3.0m（寬×高），底板襯砌厚度0.33m，側(cè)墻襯砌厚度0.25m，頂板襯砌厚度0.2m。

為加強(qiáng)槽身下部支撐結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，主拱圈與拱座墩臺之間采用剛性連接，為無鉸拱結(jié)構(gòu)，3跨渡槽兩端共布置2個(gè)邊墩和2個(gè)中墩。具體體型見圖1。

4.2渡槽特點(diǎn)

新修渡槽有以下4個(gè)特點(diǎn)：

（1）渡槽較高；渡槽中墩底部地面到渡槽頂高度為41m；

（2）工程區(qū)地質(zhì)條件較差；巖層為千枚巖，更為復(fù)雜的是在千枚巖表、中層分布有傾倒體；

（3）拱式渡槽荷載較大；渡槽設(shè)計(jì)流量30m3/s，拱端合推力達(dá)12080KN，為了盡量減小拱端推力，設(shè)計(jì)中拱圈采用變截面二次拋物線結(jié)構(gòu)型式，拋物線方程為Y=X2/（2×18.49），矢跨比為1/3.44（矢高12.5m，跨徑43m）；相比同類工程，矢跨比比較大，以期盡量減少拱端水平推力。

（4）采用大直徑斜樁；為適應(yīng)較大的拱端合推力，基礎(chǔ)采用樁徑2.7m、長度18m、傾角為50.73°的大直徑（與水平線夾角）斜樁抵抗該推力。

4.3大直徑樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體布置，兩側(cè)邊墩基礎(chǔ)均位于進(jìn)、出口邊坡傾倒體上，邊墩采用C20混凝土大體積9.0 m×8.1m×7.0m（橫向×縱向×高度）重力墩。墩底置于全風(fēng)化下限，且在傾倒體上，基礎(chǔ)條件差，承載力很低，必需對兩岸邊墩基礎(chǔ)采取工程措施以抵抗拱端水平推力及豎向荷載作用。

考慮到墩底基礎(chǔ)置于全風(fēng)化傾倒巖體上，以及拱端對基礎(chǔ)有較高要求的特點(diǎn)，承載力計(jì)算時(shí)，豎向承載力和水平承載力由布置的大直徑豎直樁和斜樁承擔(dān)，樁體穿透傾倒體，置于較完整的弱風(fēng)化基巖之上，既不破壞傾倒體的平衡，又可滿足承載力（弱風(fēng)化地基極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值為2400 KPa）的要求。各工況的拱端合力和拱端推力傾角（與水平線夾角）如表1。

經(jīng)水平及豎向承載力計(jì)算，上下游邊墩基礎(chǔ)底面各需布置2根直徑2.7m豎直樁，長度分別為18.0m、22.0m；各布置2根直徑2.7m的斜樁，長度均為18m，傾斜角度取綜合值，最后核定為50.73°。樁體均穿透傾倒巖體，端部置于弱風(fēng)化基巖上，斜樁開挖采用人工挖孔，C20鋼筋砼澆筑。

4.4有限元計(jì)算

圖1　渡槽體型圖

表1　各工況拱端推力表

圖2　三維模型圖

圖3　不同巖性分布圖

圖4　樁基有限元模型圖

渡槽的無絞拱實(shí)際為一空間結(jié)構(gòu)，其對拱端的地質(zhì)要求較高，并且不允許拱端產(chǎn)生較大變位，現(xiàn)進(jìn)行邊墩拱端部位的三維有限元計(jì)算，了解大直徑樁體和拱端地層的受力及變位情況。

4.4.1有限元模型

本次計(jì)算主要是分析邊墩和拱端的變位情況，故選擇受力較大的工況組合：渡槽設(shè)計(jì)流量+地震力。本次有限元模型只取邊墩和邊墩周圍的地質(zhì)邊界，邊墩上受到荷載主要為邊墩上部的排架重量和拱端的斜向推力，樁體和基礎(chǔ)之間用接觸單元進(jìn)行模擬分析。三維模型見圖2，不同巖性分布透視圖見圖3，樁基有限元模型見圖4［3］。

4.4.2樁體變位

通過計(jì)算可得基樁的綜合變位最大為37.7mm，發(fā)生在斜樁底端處；另外可求得拱端處的綜合平均變位為6.0mm，具體見圖5?？梢娀鶚逗凸岸说目傮w變位較小，滿足設(shè)計(jì)要求。4.4.3傾倒體應(yīng)力復(fù)核

邊墩底部的傾倒體地基承載力為0.3 MPa，經(jīng)三維有限元計(jì)算，在渡槽設(shè)計(jì)流量工況下，整個(gè)邊墩底部與表層基礎(chǔ)接觸部位應(yīng)力基本都大于0.3 MPa，必須采取一定的工程措施進(jìn)行處理。因此在邊墩底部向下截取不同的地基深度，了解地基應(yīng)力沿傾倒體深度的變化情況，以確定需要處理的范圍和深度。

圖5　樁基綜合變位圖

（1）斜樁周圍傾倒體應(yīng)力

提取斜樁周圍傾倒體地基正應(yīng)力結(jié)果，其地基正應(yīng)力隨深度（沿斜樁軸線方向）變化情況見表2，可知離斜樁頂部5m深處（沿樁軸線方向）的地基正應(yīng)力小于傾倒體基礎(chǔ)的地基承載力，此深度的地基正應(yīng)力最大為0.26 MPa。

表2　基樁周圍傾倒體應(yīng)力變化表

（2）豎直樁周圍傾倒體應(yīng)力

同理提取豎直樁周圍傾倒體地基正應(yīng)力結(jié)果，其地基正應(yīng)力隨深度（沿豎直樁軸線方向）變化情況見表2，可知離豎直樁頂部5m深處（沿樁軸線方向）的地基正應(yīng)力小于傾倒體基礎(chǔ)的地基承載力；根據(jù)有限元結(jié)果可以看出此深度的地基正應(yīng)力最大為0.28 MPa。

為了不擾動(dòng)傾倒體，在設(shè)計(jì)中根據(jù)基礎(chǔ)傾倒體的有限元分析應(yīng)力分布情況，在表層基礎(chǔ)采取工程措施，以加強(qiáng)傾倒體的地基承載力，具體方法為：對渡槽邊墩基底面及開挖斜坡面進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔深5.0m～8.0m，排距3.0m×3.0m，呈梅花型布置。

5　結(jié)語

本工程于2013年12月竣工，渡槽上布置有變位觀測點(diǎn)，觀測數(shù)據(jù)顯示正常運(yùn)用時(shí)，渡槽最大垂直變形為7mm，水平位移和邊坡位移基本無變形，水流流態(tài)穩(wěn)定，表明渡槽運(yùn)行良好。

綜上所述，本文在設(shè)計(jì)中運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和三維有限元相結(jié)合的方法進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)、樁體變位、地基應(yīng)力復(fù)核等工作，有效地指導(dǎo)了工程設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法和理念在其它流量大、基礎(chǔ)差的類似渡槽工程中有實(shí)際的參考價(jià)值。陜西水利

［1］SL203-97，水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］竺慧珠，陳德亮，管楓年.渡槽［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［3］王國強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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