熊志軍，張靜濤，余 江

(四川省都江堰東風渠管理處，成都，610057)

引言

都江堰灌區(qū)是有2000多年歷史的特大型水利工程，灌區(qū)將成都平原孕育成“天府之國”，是四川經(jīng)濟繁榮和文化發(fā)達的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。近五十年來，都江堰灌區(qū)進行了大規(guī)模的維修、改造和擴建，健全了管理機構(gòu)，強化了用水調(diào)度。都江堰工程已由單一的灌溉供水，發(fā)展成為具有灌溉、工業(yè)供水、城鎮(zhèn)供水、防洪發(fā)電等多目標的綜合性特大型水利工程。

渡槽作為都江堰灌區(qū)典型的水工結(jié)構(gòu)，在農(nóng)業(yè)輸水灌溉工程中扮演著十分重要的角色[1-3]。隨著都江堰灌區(qū)早期建設(shè)的渡槽結(jié)構(gòu)逐步進入性能退化期，渡槽結(jié)構(gòu)的安全運行和養(yǎng)護工作面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[4]。因此，強化渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)管，防范突發(fā)安全事故，進一步提升灌區(qū)既有渡槽結(jié)構(gòu)安全運行管理水平，具有十分重要的現(xiàn)實意義[5，6]。

沈曉明[7]等利用有限元軟件ANSYS對某渡槽結(jié)構(gòu)進行了計算分析，發(fā)現(xiàn)渡槽內(nèi)外表面受壓應(yīng)力為主，僅局部產(chǎn)生較小拉應(yīng)力；黃濤[8]等采用理論分析和數(shù)值計算方法研究了已建渡槽槽墻表面有豎向長裂縫、流白膏、堿蝕滲水的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)槽墻表面裂縫和內(nèi)部空鼓縫是積水凍脹造成的；張建偉[9]等對渡槽結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)進行了分析，并將單跨、跨間無連接等模型的風振分析結(jié)果進行對比；劉帥[10]等利用有限元模型計算了渡槽在運營期應(yīng)力和應(yīng)力分布規(guī)律，給出了渡槽應(yīng)力和位移的變化云圖，發(fā)現(xiàn)在縱向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力作用下內(nèi)表面基本為壓應(yīng)力。

本文以四川省都江堰東風渠灌區(qū)北干渠拆除重建的渡槽為例，對渡槽整治設(shè)計方案進行力學穩(wěn)定計算分析，旨在指導該渡槽結(jié)構(gòu)的安全加固整治工作，并保障工程的安全與穩(wěn)定。

1 整治工程概況

都江堰東風渠灌區(qū)是都江堰灌區(qū)的重要組成部分，涉及成都、眉山、資陽、樂山、內(nèi)江五市共19個縣(市、區(qū))，東風渠灌區(qū)幅員面積12047.3km2。規(guī)劃灌溉面積23.462萬hm2，占全灌區(qū)的34.84%。灌區(qū)田土比74∶26。灌區(qū)國民生產(chǎn)總值932．19億元，占全省的12.1%。

東風渠灌區(qū)北干渠始建于1956年，是都江堰東風渠灌區(qū)東風渠總干系統(tǒng)首建的分干渠之一。北干渠渠首位于成都市成華區(qū)境內(nèi)，全長34.832km，渠道進口流量10.5m3/s，東北向沿等高線經(jīng)成都市成華區(qū)、新都區(qū)、青白江區(qū)注入西江河，總控灌面積0.641萬hm2，其中田0.461萬hm2，地0.18萬hm2。1996年對0+000～5+630進行了改造。剩余段5+630～34+832總長29.202km還未整治，設(shè)計流量5.6m3/s～0.5m3/s。

北干渠全長34.832km，渠道傍山沿等高線繞行，彎道多，轉(zhuǎn)彎半徑小，由于是在特定條件下建設(shè)起來的工程，建設(shè)標準低，遺留問題多，土壤粘性大，邊坡穩(wěn)定性差，渠道縱橫斷面的幾何形狀極不規(guī)范，滑坡、垮塌隱患多，加之運行六十多年，渠道已嚴重老化，造成過流能力達不到設(shè)計要求，繼而產(chǎn)生阻礙水流，淹沒農(nóng)田，渠堤漏水等問題，嚴重影響灌區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，為了適應(yīng)灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要，灌區(qū)迫切要求對北干渠進行配套整治。

北干渠渠道進口流量10.5m3/s，整治段設(shè)計流量5.6m3/s～0.5m3/s，經(jīng)成都市的新都區(qū)和青白江區(qū)。整治段控灌面積0.538萬hm2。東風渠北干渠具有控灌面大，輸水距離遠，送水線路長的特點，如果不及時對工程病險、病害進行整治，將使灌區(qū)用水得不到保證，特別是尾水丘陵灌區(qū)，無法解決干旱災(zāi)害。通過對北干渠的整治，擬達到渠系輸水暢通、渠系工程安全運行及灌區(qū)節(jié)約用水的目的。

2 渡槽整治設(shè)計方案

北干渠拆除重建渡槽采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共25跨總長300m，跨長為12m。槽身進口底板高程484.089m，出口底板高程483.685m，槽身凈寬2.0m，高1.35m。

支承結(jié)構(gòu)采用重力式混凝土槽墩。重力式混凝土槽墩為實體墩，主要布置在渡槽進出口兩端，槽墩用C20混凝土建造，基礎(chǔ)寬度2.88m。承臺采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土，高0.8m，下部寬2.0m，上部寬2.6m，厚度1.5m，兩側(cè)設(shè)0.15m高C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋塊，寬0.15m。C25鋼筋混凝土承臺置于樁基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土鉆孔灌注端承樁，樁端置于基巖弱風化層，樁徑1.20m，樁長15.85m～20.85m，其中露出地面0.85m，填土層4.5m，粘土層最小厚度10.5m。樁共計24根。

對渡槽結(jié)構(gòu)進行力學計算時，應(yīng)考慮作用于渡槽上的各項荷載，包括結(jié)構(gòu)重力、槽內(nèi)水重、靜水壓力、土壓力、風壓力、動水壓力、漂浮物的撞擊力、溫度作用、混凝土收縮及徐變影響力、預(yù)應(yīng)力、人群荷載、地震荷載以及施工吊裝時的動力荷載等，如表1所示。

表1 北干渠渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載組合

3 計算過程及結(jié)果分析

3.1 樁基承載力設(shè)計

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)，端承樁單樁豎向極限承載力標準值按下式計算：

Quk=Qsk+Qrk

(1)

Qsk=u∑qski×li=ξr×frk×Ap

(2)

式中：Qsk、Qrk——分別為土的總極限側(cè)阻力標準值、嵌巖段總極限阻力標準值，kN；

qski——樁周第i層土的極限側(cè)阻力標準值，粘土層物理力學建議指標值為65kPa～75kPa，取65kPa；

frk——巖石飽和單軸抗壓強度標準值，弱風化基巖層物理力學建議指標值為6000kPa～6500kPa，取6000kPa；

ξr——樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)，取0.7；

u——樁身周長，樁直徑為1.2m；

li——第i層土厚度，最小值取10.5m；

Ap——樁端橫截面積，1.13m2。

根據(jù)地勘資料，上層為人工填土，厚4.5m，計算中無需考慮其側(cè)摩阻力。下層為成都粘土，液性指數(shù)為0.18～0.35，硬可塑狀態(tài)，qsk取65kPa。在不考慮樁周土側(cè)阻力情況下，經(jīng)上式計算的Quk=4747.68kN。

Pc=Quk/K

(3)

式中：K——安全系數(shù)，取K=2。故計算的本工程樁基容許承載力Pc=2373.84kN。同時，單樁承受荷載經(jīng)計算P=1561.21kN，遠小于樁基容許承載力Pc，故滿足承載力要求。

3.2 槽身橫斷面結(jié)構(gòu)計算

3.2.1 側(cè)墻內(nèi)力計算

側(cè)墻各截面彎矩按彎矩分配法推算的下列公式計算[11]：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：My為距墻頂距離為y的截面彎矩，kN·m；

MA為側(cè)墻底部彎矩，kN·m；

MF側(cè)向水壓力作用的固定彎矩，滿槽水(h=H)時MF=r水h3/15；

y為截面距墻頂?shù)木嚯x，m；

【病因】由原生動物的纖毛蟲，貪食邁阿密蟲（Miamiensis avidus）寄生所引起。該蟲為長20～45μm的淚滴形，全身有纖毛，運動活潑。在鰭條基質(zhì)、體表鱗囊內(nèi)、真皮下的結(jié)締組織和腦等高密度寄生，用顯微鏡觀察各組織抹片或壓片標本可以檢出該蟲。未見報道腦內(nèi)寄生的其他纖毛蟲。該蟲為條件性寄生，池塘中剩下的餌料、死魚是其喜愛的生存場所。

h為槽內(nèi)設(shè)計水深，m；

H為側(cè)墻凈高(底板頂面至墻頂高)，m；

t1為側(cè)墻平均厚，m；

t2為底板厚度，m；

I1為側(cè)墻截面慣性矩，m4；

I2為底板截面慣性矩，m4；

q為水荷載與底板自重之和，kN/m2；

r水為水的重度，采用r水=10kN/m2；

r自為鋼筋砼的重度，采用r自=25kN/m2；

u為分配系數(shù)；彎矩符號以使側(cè)墻內(nèi)側(cè)受拉為正。

經(jīng)計算，在滿槽水深情況下，墻底截面的彎矩值為7.98kN·m，半墻高截面的彎矩值為-0.21kN·m。

3.2.2 底板內(nèi)力計算：

底板各截面彎矩及軸向力按下列公式計算：

(8)

(9)

(10)

式中：Mx為距底板左端墻底中心距離為x的截面彎矩，kN·m；

x為截面距距底板左端墻底中心的距離，m；

NA為底板軸向拉力，kN；

彎矩符號以使底板內(nèi)側(cè)受拉為正；

軸向力以拉力為正；

其余符號意義同前。

經(jīng)上述公式計算，在滿槽水深情況下端部截面的彎矩值為6.7kN·m，跨中截面的彎矩值為-7.4kN·m。

3.2.3 橫桿軸向力計算

橫桿軸向力按下式計算：

(11)

式中：N為橫桿軸力，以拉力為正，kN；

S為橫桿間距，m；

其余符號意義同前。

槽內(nèi)水深與槽寬之比>0.75時，橫桿為拉桿；槽內(nèi)水深與槽寬之比<0.75時，橫桿為壓桿。經(jīng)計算，在滿槽水深情況下橫桿軸力為2.69kN。

此外，還對北干渠的槽身縱向結(jié)構(gòu)進行了計算。本渡槽按滿槽水深計算，作用于槽身的荷載主要有：槽殼重、槽頂結(jié)構(gòu)重、人群荷載、水重等。經(jīng)計算，在滿槽水深情況下槽身跨中彎矩為1247.0kN·m。

4 結(jié)論

本文以四川省都江堰灌區(qū)東風渠北干渠拆除重建的渡槽為例，對渡槽整治設(shè)計方案進行力學穩(wěn)定計算分析，通過對本工程樁基承載力和槽身橫斷面結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進行分析，得到以下結(jié)論以供參考：

(1)本渡槽工程的樁基容許承載力Pc為2373.84kN，單樁承受荷載經(jīng)計算P=1561.21kN，遠小于樁基容許承載力Pc，故滿足承載力要求，渡槽基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較高，能夠保證工程安全。

(2)側(cè)墻內(nèi)力計算結(jié)果表明：在滿槽水深情況下，墻底截面的彎矩值為7.98kN·m，半墻高截面的彎矩值為-0.21kN·m；底板內(nèi)力計算結(jié)果表明：在滿槽水深情況下，端部截面的彎矩值為6.7kN·m，跨中截面的彎矩值為-7.4kN·m；橫桿軸向力計算結(jié)果表明：在滿槽水深情況下橫桿軸為2.69kN，而槽身縱向結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明：在滿槽水深情況下槽身跨中彎矩為1247.0kN·m。

(3)槽身橫斷面結(jié)構(gòu)計算結(jié)果說明在最不利的滿槽水深工況下，渡槽槽身所受的彎矩和軸力均非常小，渡槽結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性良好。