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        向家壩灌區(qū)北總干渠一期高大渡槽選型及跨度論證研究

        2019-03-18 09:08:06鄭小明馬連軍王文斌楊寶全
        關(guān)鍵詞:簡支模架渡槽

        鄭小明,馬連軍,杜 鵬,王文斌,楊寶全

        (1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610065)

        1 概述

        向家壩灌區(qū)北總干渠工程是向家壩水電站配套的以農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水為任務(wù)的大型灌區(qū)工程,設(shè)計(jì)灌面329.40萬畝,供水人口380.19萬。其中北總干渠一期工程灌面198.57萬畝,供水人口254.59萬。北總干渠全長約57km,渠首設(shè)計(jì)流量98m/s3,渠末設(shè)計(jì)流量30m/s3,渠線所經(jīng)之處地形條件復(fù)雜,深溝谷地橫貫其間,需修建高大跨渡槽11座。由于地形起伏多變,常規(guī)渡槽難以滿足工程建設(shè)需要,給該工程建設(shè)帶來很大的挑戰(zhàn),故高大渡槽引用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù),其技術(shù)難度在四川水利工程建設(shè)史上前所未有,乃至全國水利工程史上也是少見,因此開展高大跨渡槽的選型及選跨研究是至關(guān)重要的。

        2 渡槽選型的主要依據(jù)

        2.1 渡槽選型原則

        渡槽沿線地形為起伏多變的溶蝕山區(qū)地貌,有近80m深的深切河谷、連續(xù)多山低地,有已建水庫及省、縣級(jí)公路,地質(zhì)條件復(fù)雜。經(jīng)研究渡槽選型按以下原則:

        (1)深切V形河谷、兩岸基巖裸露且完好堅(jiān)硬、河谷狹窄,輸水流量適中時(shí),布置單拱渡槽;當(dāng)河谷寬闊時(shí),輸水流量較大時(shí)布置大跨度預(yù)應(yīng)力簡支梁式渡槽[1](以下稱大跨簡支渡槽)。

        (2)開闊的U形河床、谷地或跨已建水庫,渡槽架空高度較大時(shí),根據(jù)槽墩布置條件及流量大小,選擇連拱渡槽或大跨簡支渡槽。

        (3)深切寬闊的谷地或有通航要求的河道,難以布置連拱或大跨簡支渡槽的,且流量適中時(shí)則研究采用新型的剛構(gòu)渡槽[2,3]。

        (4)流量較大的渡槽,即使架空不高,為減少槽墩數(shù)量有利行洪,也按大跨簡支渡槽布置。

        (5)跨度和高度均不大的緩坡溝谷或低洼地帶,且流量不大時(shí),則按常規(guī)渡槽型式布置。

        2.2 渡槽選型選擇

        根據(jù)渡槽選型原則,對(duì)北總干渠渡槽地形、地質(zhì)條件分類,渡槽型式按標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),其主要特征參數(shù)見表1。

        北總干渠渡槽型式歸納為兩類:第一類為大跨簡支,其特點(diǎn)是流量大、架空高、單跨大、槽殼剛度大。該類渡槽有6座,主跨42m(計(jì)算跨40m);中等流量大跨簡支渡槽有2座,主跨52m(計(jì)算跨50m)。第二類為3座連拱式渡槽,其中單拱跨最大的是馬爾巖渡槽,全長為516m,由3跨108m長箱梁拱組成,最大架空高57.3m。

        表1 北總干渠渡槽主要特征

        3 渡槽選型及選跨

        3.1 結(jié)構(gòu)受力體系

        渡槽槽殼常用型式有梁式、拱式、桁架拱式等。早期的大流量渡槽多采用單箱多縱梁或桁架拱型式,槽殼為寬淺式,單跨長10~12m。隨著大跨度整體受力預(yù)應(yīng)力箱梁技術(shù)的成功應(yīng)用,水利工程渡槽設(shè)計(jì)也逐漸借鑒了該結(jié)構(gòu)的受力特性。

        北總干渠上11座渡槽根據(jù)選型原則初擬渡槽型式可歸為兩類:大跨簡支渡槽和拱式渡槽,下文針對(duì)這兩種型式的代表性渡槽進(jìn)行綜合比選。

        3.2 槽殼斷面型式選擇

        槽殼斷面常用U形、矩形和箱形三種斷面,從流態(tài)及過流能力看,U形斷面遠(yuǎn)優(yōu)于矩形;從受力條件看,U形槽殼為三維殼體受力,底梁縱向受彎;而矩形和箱形斷面是直墻縱梁受力,直墻縱梁往往較厚,在同級(jí)荷載下,U形槽殼體型輕薄,降低槽殼自重;從槽殼工程量看,U形槽殼工程量最小,箱形的工程量最大;借鑒已建工程經(jīng)驗(yàn),如南水北調(diào)中線沙河渡槽[4]單槽流量95m3/s,及東深供水工程[5]的三大渡槽單槽流量為90m3/s,槽殼均采用U形斷面;以上已建大流量渡槽,槽殼均采用U形預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),有效克服了薄壁結(jié)構(gòu)的受力、穩(wěn)定性問題。因此,本工程的大跨簡支渡槽槽殼型式選擇U形。

        拱式渡槽結(jié)構(gòu)受力機(jī)制是拱圈承擔(dān)拱圈自身及拱圈以上全部荷載,上部槽殼自重越小越好,因此本工程的拱式渡槽槽殼型式也選擇U形。

        3.3 槽殼的槽數(shù)選擇

        本工程渡槽流量在95~30m3/s,從流量級(jí)別上看,槽數(shù)可設(shè)2槽或單槽。其中2槽又分單線2槽和雙線單槽,從工程量上看,單線2槽橫向?qū)挾嚷孕∮陔p線單槽,下部支撐結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾纫残∮陔p線單槽,單線2槽工程量較雙線單槽的??;在同流量條件下,單線2槽槽殼的橫向?qū)挾却笥趩尉€單槽,單線單槽的槽高也只略高于單線2槽,因此單線單槽工程量較單線2槽的小;同時(shí)單線單槽的下部支撐結(jié)構(gòu)工程量也小于單線2槽;參考已建工程經(jīng)驗(yàn),如前述的南水北調(diào)中線沙河渡槽和東深供水工程,本工程大跨簡支和拱式渡槽槽數(shù)均選擇單槽。

        3.4 渡槽跨度與型式比選論證

        除清灘和瓦房頭2座渡槽受鐵路及天然氣管道交叉限制選用拱式渡槽外,其余渡槽選型可分為3類:第一類是適宜布置大流量(95~92m3/s)的大跨簡支和拱式渡槽,選會(huì)詩溝渡槽為代表比選論證;第二類是適宜布置中等流量(32.5m3/s)的大跨簡支和拱式渡槽,選溫沱渡槽為代表比選論證;第三類是適宜布置最小流量(30m3/s)的大跨簡支和拱式渡槽,對(duì)馬爾巖渡槽進(jìn)行比選論證。

        3.4.1 會(huì)詩溝渡槽跨度及型式比選

        3.4.1.1 簡支渡槽跨度比選

        (1)渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)比選

        參考已建工程經(jīng)驗(yàn),簡支渡槽的槽殼跨度假定為40m,單槽總荷載約為2600t,荷載等級(jí)很大,下部支撐結(jié)構(gòu)可選用空心墩和雙排架墩兩種型式。

        空心墩:最高墩高70m,采用圓端形變截面型式,墩壁內(nèi)外坡比為70∶1和30∶1,墩頂壁厚為1m,墩底順槽向?qū)挾葹?.27m,橫槽向長度為11.6m。蓋梁與墩壁采用漸變方式連接,蓋梁高2m;順槽向墩頂蓋梁寬為6.6m,順槽向蓋梁底空心墩頂寬為5m;空心墩混凝土為C45。

        表2 各跨度渡槽主要工程量及投資

        雙排排架墩:墩高70m,蓋梁高2m,墩頂順槽向?qū)?.6m。排架墩上部20m高范圍,墩柱直徑1.5m,中部20m高范圍,墩柱直徑2.0m,下部28m高范圍,墩柱直徑2.5m;雙排排架墩混凝土為C45。

        通過對(duì)空心墩方案和雙排架墩方案渡槽的工程量對(duì)比,空心墩方案的工程量最??;同時(shí)空心墩支撐型式的整體穩(wěn)定性優(yōu)于雙排架墩柱,因此大跨簡支渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)選空心墩型式。

        (2)槽殼跨度比選

        借鑒已建大型渡槽的工程經(jīng)驗(yàn),大流量簡支渡槽的單跨長可修建30~45m長,因此會(huì)詩溝渡槽初擬大跨簡支的跨度為35、40、45m三種跨度(計(jì)算跨度)。

        主跨35m長方案渡槽共布置7跨,U形槽殼直徑8.3m,凈高7.5m,槽總高9.2m,壁厚0.35m,采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土。下部共布置8根空心墩,墩高為3、39、57、69、73m,65、39、3m。C25墩臺(tái)下布置3排3列直徑1.8的C35樁基,樁基深入弱風(fēng)化基巖下5m,單樁長11~25m。

        主跨40m長方案渡槽共布置6跨40m,槽殼同主跨35m方案。下部共布置7根空心墩,墩高為3、42、58、71、73,50、3m。下部墩臺(tái)及樁基同主跨35m方案。

        主跨45m長方案渡槽共布置5跨45m和1跨14m U形槽,合計(jì)6跨,槽殼凈空等尺寸與上述兩方案相同,但槽壁厚0.40m,采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土。下部共布置7根空心墩,墩高為3、42、60、73、73,29、3m。下部墩臺(tái)及樁基同上述兩方案。

        三種跨度方案渡槽考慮落地支架法和移動(dòng)模架[6]兩種施工方案,投資等綜合比選詳見表2。

        表3 兩種型式渡槽主要工程量及投資

        通過3種跨度大跨簡支渡槽的相對(duì)投資比較,單跨長40m方案較優(yōu),因此會(huì)詩溝大跨簡支渡槽單跨長選擇40m。

        3.4.1.2 渡槽型式比選

        會(huì)詩溝渡槽已初擬大跨簡支和拱式渡槽兩種型式,大跨簡支渡槽已選定40m單跨方案,全長251m,工程布置見前文40m跨長方案;拱式渡槽采用箱梁拱型式,全長267.5m,拱上槽殼跨長11.6m,采用C25混凝土;拱上高單排架采用C30,低單排架采用C25;拱圈梁采用C45,拱圈共計(jì)2跨,單跨度長108m,矢高27m,矢跨比1/4,拱圈頂部壁厚0.4m,拱圈體型采用懸鏈線方程。渡槽施工采用落地支架和移動(dòng)模架兩種施工方案,投資綜合比選詳見表3。

        3.4.2 溫沱渡槽跨度及型式比選

        3.4.2.1 簡支渡槽跨度比選

        根據(jù)會(huì)詩溝渡槽下部支撐型式的比選成果,大跨簡支渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)宜選擇空心墩,因此溫沱渡槽大跨簡支渡槽下部支撐選用空心墩。

        3.4.2.2 槽殼跨度比選

        參考已建大跨渡槽的工程經(jīng)驗(yàn),中小流量簡支渡槽的單跨長可修建40~50m長,因此溫沱渡槽初擬大跨簡支的跨度為40、45、50m三種跨度(計(jì)算跨度)。

        通過兩種型式渡槽的相對(duì)投資比較,大跨預(yù)應(yīng)力簡支渡槽方案較優(yōu),因此會(huì)詩溝渡槽選擇大跨預(yù)應(yīng)力簡支型式,渡槽結(jié)構(gòu)見圖1。

        (1)主跨40m長方案渡槽共布置6跨,U形槽殼直徑5.4m,凈高5.1m,槽總高6.7m,壁厚0.35m,采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土。下部共布置7根空心墩,采用圓端形等截面型式,壁厚0.8m,墩高分別為11、36、58、63、50、33、11m。

        圖1 會(huì)詩溝大跨預(yù)應(yīng)力簡支渡槽結(jié)構(gòu)簡圖(單位:cm)

        C25墩臺(tái)下布置2排3列直徑1.8的C35樁基,樁基深入弱風(fēng)化基巖下5m,單樁長15~20m。

        (2)主跨45m長方案渡槽共布置5跨45m和1跨28m U形槽,槽殼結(jié)構(gòu)同主跨40m方案。下部共布置7根空心墩,墩高分別為11、35、62、63、44、28、3m。下部墩臺(tái)及樁基同跨徑40m方案。

        (3)主跨50m長方案渡槽共布置5跨,槽殼結(jié)構(gòu)同上述兩方案,但采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土。下部共布置6根空心墩,墩高分別為11、37、64、56、35和3m。下部墩臺(tái)及樁基同上述兩方案。

        三種跨度方案渡槽考慮落地支架法和移動(dòng)模架兩種施工方案,投資等綜合比選詳見表4。

        通過3種跨度的大跨簡支渡槽的相對(duì)投資比較,50m長方案最優(yōu),因此溫沱大跨簡支渡槽單跨長選擇50m。

        3.4.2.3 渡槽型式比選

        溫沱渡槽也已初擬大跨簡支和拱式渡槽兩種型式,大跨簡支渡槽已選定50m單跨方案,全長277m,工程布置見前文的50m跨長方案;拱式渡槽采用箱梁拱型式,全長281m,拱上槽殼跨長9.8m,采用C25混凝土;拱上高單排架采用C30混凝土,低單排架采用C25混凝土;拱圈梁采用C45混凝土,拱圈共計(jì)2跨,跨長90m(根據(jù)地形),矢高22.5m,矢跨比1/4,拱圈頂部壁厚0.3m,拱圈體型采用懸鏈線方程。渡槽施工采用落地支架和移動(dòng)模架兩種施工方案,投資綜合比選詳見表5。

        通過兩種型式渡槽的相對(duì)投資比較,大跨預(yù)應(yīng)力簡支渡槽方案較優(yōu),因此溫沱渡槽選擇大跨預(yù)應(yīng)力簡支型式,渡槽結(jié)構(gòu)見圖2。

        3.4.3 馬爾巖渡槽型式比選

        馬爾巖渡槽也已初擬大跨簡支和拱式渡槽兩種型式,根據(jù)溫沱渡槽的跨度及型式比選成果,及馬爾巖渡槽流量與溫沱渡槽相當(dāng),因此大跨簡支渡槽選定50m長跨方案。

        馬爾巖大跨簡支渡槽全長520m,渡槽為9跨50m和1跨32m長U形槽。槽殼結(jié)構(gòu)同溫沱渡槽槽殼,但凈高4.9m,槽總高6.5m。下部共布置11根空心墩,采用圓端形等截面型,壁厚0.8m。C25墩臺(tái)下布置2排3列直徑1.8的C35樁基,樁基深入弱風(fēng)化基巖下5m,單樁長15~20m。

        表4 各跨度渡槽主要工程量及投資

        圖2 溫沱大跨預(yù)應(yīng)力簡支渡槽結(jié)構(gòu)簡圖(單位:cm)

        序號(hào)項(xiàng)目單位大跨度預(yù)應(yīng)力渡槽連拱式渡槽備注一建筑工程方案一(跨長40m)方案二(跨長2×90m)土石方綜合項(xiàng)3479736189C20噴369387錨桿286307混凝土m334429804C55預(yù)應(yīng)力混凝土m32410C35樁基m323471435鋼筋t8801526預(yù)應(yīng)力鋼絞線t216二建筑投資萬元13411314三施工方案槽殼拱圈及槽殼1滿堂支架萬t0.920.83滿堂支架投資萬元12421339工期月3749模架方案1(滿堂)2鋼管墩貝雷梁萬t0.730.65鋼管墩貝雷投資萬元10161045工期月3443模架方案2(貝雷梁)3鋼構(gòu)移動(dòng)模架萬t0.34—移動(dòng)模架投資萬元705—工期月27—模架方案3(移動(dòng)模架)4推薦模架方案移動(dòng)模架貝雷梁支架推薦方案投資萬元7051045工期月2743模架方案3四相對(duì)投資萬元20462360

        馬爾巖拱式渡槽全長515.83m,拱上槽殼跨長11.6m,采用C25混凝土;拱上高單排架采用C30,低單排架采用C25;拱圈梁采用C45,拱圈共計(jì)3跨,單跨度長108m,矢高27,矢跨比1/4,拱圈體型采用懸鏈線方程;拱圈跨中截面高為2.2m,拱腳截面高為3.16m,拱圈寬度為6.0m;拱圈梁頂板厚0.3m,邊板和中板厚0.4m,底板從跨中到拱腳根據(jù)體型漸變厚度,厚度為0.3~0.78m;拱圈下部支撐結(jié)構(gòu)采用空心拱墩,拱墩采用C30混凝土;拱墩承臺(tái)和拱座下布置3排3列的直徑1.8的C35樁基,樁基深入弱風(fēng)化基巖下5m。渡槽施工采用落地支架和移動(dòng)模架兩種施工方案,投資綜合比選詳見表6。

        通過兩種型式渡槽的相對(duì)投資比較,拱式渡槽方案投資較優(yōu),雖工期長于大跨簡支方案,但不影響該工程的總工期,因此馬爾巖渡槽選擇箱梁拱式渡槽結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        綜上所述,通過對(duì)三個(gè)代表性渡槽的投資及施工方案對(duì)比論證,向家壩灌區(qū)一期北總干渠園包山、大地灣、銀匠溝、大巖、會(huì)詩溝、紅巖子、雞冠嶺及溫沱8座渡槽均采用大跨預(yù)應(yīng)力簡支渡槽;清灘、瓦房頭及馬爾巖3座渡槽采用拱式渡槽,選擇的渡槽型式合理可行,渡槽主要特征參數(shù)詳見表1。

        4 結(jié)語

        (1)北總干渠渡槽單槽流量大,單跨跨度長,架空高度高,在目前四川水利工程建設(shè)史上僅有,在國內(nèi)水利工程建設(shè)史上也是少見。這些渡槽的設(shè)計(jì)和施工均是前沿的先進(jìn)技術(shù),對(duì)其合理選跨、選型論證研究是十分必要的,也是這些高大渡槽順利建設(shè)和良好運(yùn)行的重要保障。

        表6 兩種方案投資綜合比選

        圖3 馬爾巖拱式渡槽結(jié)構(gòu)簡圖(單位:cm)

        (2)從渡槽結(jié)構(gòu)受力、流態(tài)、施工方案、投資及安全性等方面對(duì)代表性渡槽進(jìn)行論證研究,確定的渡槽跨度、型式、結(jié)構(gòu)及施工方案,是經(jīng)濟(jì)合理、結(jié)構(gòu)安全的。

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