向家壩灌區北總干渠一期高大渡槽選型及跨度論證研究

鄭小明，馬連軍，杜 鵬，王文斌，楊寶全

(1.四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

1 概述

向家壩灌區北總干渠工程是向家壩水電站配套的以農業灌溉、城鄉生活及工業供水為任務的大型灌區工程，設計灌面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，渠首設計流量98m/s3，渠末設計流量30m/s3，渠線所經之處地形條件復雜，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，常規渡槽難以滿足工程建設需要，給該工程建設帶來很大的挑戰，故高大渡槽引用了先進的設計和施工技術，其技術難度在四川水利工程建設史上前所未有，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重要的。

2 渡槽選型的主要依據

2.1 渡槽選型原則

渡槽沿線地形為起伏多變的溶蝕山區地貌，有近80m深的深切河谷、連續多山低地，有已建水庫及省、縣級公路，地質條件復雜。經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硬、河谷狹窄，輸水流量適中時，布置單拱渡槽；當河谷寬闊時，輸水流量較大時布置大跨度預應力簡支梁式渡槽[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，根據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，且流量適中時則研究采用新型的剛構渡槽[2，3]。

(4)流量較大的渡槽，即使架空不高，為減少槽墩數量有利行洪，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，則按常規渡槽型式布置。

2.2 渡槽選型選擇

根據渡槽選型原則，對北總干渠渡槽地形、地質條件分類，渡槽型式按標準化設計，其主要特征參數見表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(計算跨40m)；中等流量大跨簡支渡槽有2座，主跨52m(計算跨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 結構受力體系

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應力箱梁技術的成功應用,水利工程渡槽設計也逐漸借鑒了該結構的受力特性。

北總干渠上11座渡槽根據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，下文針對這兩種型式的代表性渡槽進行綜合比選。

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，從流態及過流能力看，U形斷面遠優于矩形；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；借鑒已建工程經驗，如南水北調中線沙河渡槽[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形預應力混凝土結構，有效克服了薄壁結構的受力、穩定性問題。因此，本工程的大跨簡支渡槽槽殼型式選擇U形。

拱式渡槽結構受力機制是拱圈承擔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 槽殼的槽數選擇

本工程渡槽流量在95～30m3/s，從流量級別上看，槽數可設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槽橫向寬度略小于雙線單槽，下部支撐結構橫向寬度也小于雙線單槽，單線2槽工程量較雙線單槽的??；在同流量條件下，單線2槽槽殼的橫向寬度大于單線單槽，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??；同時單線單槽的下部支撐結構工程量也小于單線2槽；參考已建工程經驗，如前述的南水北調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，對馬爾巖渡槽進行比選論證。

3.4.1 會詩溝渡槽跨度及型式比選

3.4.1.1 簡支渡槽跨度比選

(1)渡槽下部支撐結構比選

參考已建工程經驗，簡支渡槽的槽殼跨度假定為40m，單槽總荷載約為2600t，荷載等級很大，下部支撐結構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，墩壁內外坡比為70∶1和30∶1，墩頂壁厚為1m，墩底順槽向寬度為7.27m，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，墩頂順槽向寬6.6m。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。

通過對空心墩方案和雙排架墩方案渡槽的工程量對比，空心墩方案的工程量最??；同時空心墩支撐型式的整體穩定性優于雙排架墩柱，因此大跨簡支渡槽下部支撐結構選空心墩型式。

(2)槽殼跨度比選

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

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預應力混凝土。下部共布置8根空心墩，墩高為3、39、57、69、73m，65、39、3m。C25墩臺下布置3排3列直徑1.8的C35樁基，樁基深入弱風化基巖下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預應力混凝土。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投資比較，單跨長40m方案較優，因此會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

根據會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構宜選擇空心墩，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驗，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(計算跨度)。

通過兩種型式渡槽的相對投資比較，大跨預應力簡支渡槽方案較優，因此會詩溝渡槽選擇大跨預應力簡支型式，渡槽結構見圖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預應力混凝土。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 會詩溝大跨預應力簡支渡槽結構簡圖(單位：cm)

C25墩臺下布置2排3列直徑1.8的C35樁基，樁基深入弱風化基巖下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，槽殼結構同主跨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，槽殼結構同上述兩方案，但采用C55預應力混凝土。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投資比較，50m長方案最優，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2跨，跨長90m(根據地形)，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投資比較，大跨預應力簡支渡槽方案較優，因此溫沱渡槽選擇大跨預應力簡支型式，渡槽結構見圖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，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。槽殼結構同溫沱渡槽槽殼，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墩臺下布置2排3列直徑1.8的C35樁基，樁基深入弱風化基巖下5m，單樁長15～20m。

表4 各跨度渡槽主要工程量及投資

圖2 溫沱大跨預應力簡支渡槽結構簡圖(單位：cm)

序號項目單位大跨度預應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3479736189C20噴369387錨桿286307混凝土m334429804C55預應力混凝土m32410C35樁基m323471435鋼筋t8801526預應力鋼絞線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鋼構移動模架萬t0.34—移動模架投資萬元705—工期月27—模架方案3(移動模架)4推薦模架方案移動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體型漸變厚度，厚度為0.3～0.78m；拱圈下部支撐結構采用空心拱墩，拱墩采用C30混凝土；拱墩承臺和拱座下布置3排3列的直徑1.8的C35樁基，樁基深入弱風化基巖下5m。渡槽施工采用落地支架和移動模架兩種施工方案，投資綜合比選詳見表6。

通過兩種型式渡槽的相對投資比較，拱式渡槽方案投資較優，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構如圖3所示。

綜上所述，通過對三個代表性渡槽的投資及施工方案對比論證，向家壩灌區一期北總干渠園包山、大地灣、銀匠溝、大巖、會詩溝、紅巖子、雞冠嶺及溫沱8座渡槽均采用大跨預應力簡支渡槽；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，渡槽主要特征參數詳見表1。

4 結語

(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史上僅有，在國內水利工程建設史上也是少見。這些渡槽的設計和施工均是前沿的先進技術，對其合理選跨、選型論證研究是十分必要的，也是這些高大渡槽順利建設和良好運行的重要保障。

表6 兩種方案投資綜合比選

圖3 馬爾巖拱式渡槽結構簡圖(單位：cm)

(2)從渡槽結構受力、流態、施工方案、投資及安全性等方面對代表性渡槽進行論證研究,確定的渡槽跨度、型式、結構及施工方案,是經濟合理、結構安全的。