跨運河桁架式梁拱組合體系鋼-混凝土渡槽伸縮裝置創新研究

張福強

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300）

0 引言

引江濟淮淠河總干渠項目渡槽采用鋼結構桁架式梁拱組合結構，主跨110m，是目前世界上跨度最大的鋼渡槽。國內渡槽多為混凝土渡槽，其伸縮量受水位變化、溫度升降影響，但由于混凝土材料溫度性能好，其伸縮量一般較小[1-3]，對伸縮裝置要求不高。由于鋼材的溫度性能差，在溫度和水位變化下，鋼材的熱脹冷縮變化大[4-5]，普通的伸縮機構設于鋼結構渡槽內，因無法適應鋼材的形態變化導致渡槽出現縫隙，造成滲水的問題。另外，鋼渡槽與混凝土渡槽間隔設置的設計使兩者間形成伸縮裝置，而分縫的部位通常是水工結構防滲的薄弱環節[6-7]。

針對這些問題，本文從裝置結構設計、試驗室水密試驗、施工、充排水試驗開展研究，協調鋼-混凝土變形不同步問題，在控制滲漏的同時滿足鋼結構的大變位要求，同時評價該裝置的水密性能。

1 工程概況

本項目位于江淮溝通段江淮分水嶺北側，為淠河總干渠渡槽段，地處合肥市蜀山區和肥西縣境內。起止樁號46+000～48+000，總長2.0km。河道設計輸水流量290m3/s，最高通航水位23.86m，最低通航水位17.40m，設計百年一遇防洪水位25.53m。淠河總干渠渡槽是引江濟淮工程中的控制性節點工程，與引江濟淮渠道立體交叉。渡槽分左右兩幅，單幅凈寬16m，總長350m，分為進口段（52m）、跨主河渠槽身段（246m）、出口段（52m）三部分，其中進、出口段槽身為混凝土渡槽，跨主河渠槽身段為鋼渡槽，總用鋼量達到2.1 萬t，是國內首座鋼結構通航渡槽。淠河總干渠渡槽中的鋼-混凝土渡槽之間伸縮裝置為U 型結構，寬60cm，槽內水深5.05m。

2 止水伸縮裝置結構設計

2.1 設計目標及原理

引江濟淮工程淠河總干渠渡槽是大型渡槽，其槽身跨度、過水流量、水深及水荷載均較大。在動水荷載情況下渡槽伸縮裝置的結構性能直接影響渡槽安全運行，同時伸縮裝置的滲漏將造成灌溉水資源的驚人浪費。因此，設計出水密封效果良好的伸縮裝置對淠河總干渠渡槽的運行十分重要。

針對本項目的大水深水下大位移伸縮裝置，在支撐條上方安置波紋型止水橡膠帶，水體重量和壓強通過止水橡膠帶轉移到支撐條上。當伸縮裝置有縱向位移時，支撐條在滑移盒里面運動，止水橡膠帶本身發生形變，通過兩者共同作用實現縱向位移。同樣的原理，橫向位移和豎向變形分別通過波紋型止水橡膠帶的橫向和切向應變實現。該水下伸縮裝置止水系統具有更加優異的水密性和可靠性，伸縮裝置可在整個橋梁壽命周期內不發生滲漏和腐蝕。

2.2 設計重難點

（1）槽身跨度大，結構復雜，渡槽可能產生較大縱向及橫向位移；縱向最大變形±175mm，橫向變形±15mm，豎向變形±15mm，允許側向扭轉以適應鋼梁和混凝土梁；（2）渡槽為U 型布置，彎曲段伸縮裝置受水壓力荷載影響作用的應力應變情況與平直段的伸縮裝置并不相同；（3）渡槽過水流量、水深及水荷載均較大，水壓力引起的伸縮裝置形變可能直接影響止水的水封性能，需滿足豎向滿槽水深的水壓力以及渡槽內部檢修車輛的局部荷載；（4）伸縮裝置各部件安裝工藝的不同可能影響伸縮裝置止水的水封性能；（5）耐久性不小于20 年，防腐、耐老化性能好，且可更換，方便養護。適用溫度-25℃～60℃。

2.3 結構性能及特點

（1）通過上蓋板、波型橡膠止水帶、止水帶壓板和托板、支撐滑移條、支撐條滑移盒等復合結構，提升伸縮裝置的縱向移位功能，在滿足大位移需求的同時確保裝置的止水、水密性能；（2）通過上蓋板隔離方式，防止泥砂等垃圾堆積而影響裝置的伸縮功能，并提升止水帶受壓變形性能；（3）優化裝置的材料和防腐方案，提升裝置的水下防腐性能；（4）伸縮裝置安裝部位為鋼梁與混凝土梁對接結構，優化伸縮裝置的安裝、錨固方案，提升裝置的可靠性和水密性能。

3 止水伸縮裝置試驗室水密試驗

止水裝置在應用于實際工程之前，必須進行嚴格的水密性能、防滲性能和變位性能試驗，以驗證裝置的設計合理性。試驗過程中的水位高低由設計最大水深5.05m 確定。裝置如圖1 所示。

圖1 止水伸縮裝置的結構示意圖

3.1 水密性能試驗

（1）將伸縮裝置安裝在試驗裝置上，并恢復零位；（2）為確保試驗裝置處于水平位置，需要向裝置內充0.9m 深清水，淹沒伸縮縫；（3）靜置1h，觀察伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處是否有水滲出。

3.2 防滲性能試驗

（1）在水密試驗的基礎上，安裝試驗裝置封條1、封板2、箱蓋，擰緊螺栓；（2）施加水壓，水柱高低從1m 開始，每隔10min 以0.5m 的間隔逐級加大，直至水深5.05m；（3）每級均保壓靜置1h，觀察伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處是否有水滲出。

3.3 變位性能試驗

（1）在防滲試驗的基礎上，拆下蓋板和密封條1、密封條2 及兩側平壓板，彎板；（2）通過扳手轉動，推動右箱沿止水伸縮縫縱向移動+175mm、橫向移動+15mm、豎向移動+15mm 保持1h；（3）觀察伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處是否有水滲出；（4）通過扳手轉動，推動右箱沿止水伸縮縫縱向移動-175mm、橫向移動-15mm、豎向移動-15mm，保持1h；（5）觀察伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處是否有水滲出；（6）重復循環步驟（2）～（5），3 次。

3.4 試驗結論

3.4.1 水密性能試驗結論

在試驗伸縮縫裝置內充滿0.9m 清水靜置1h 后，伸縮縫橡膠止水帶與壓板、齒板接觸處等各部位均未出現滲水現象，滿足水密性要求。

3.4.2 防滲性能試驗結論

試驗伸縮縫裝置上部安裝好密封蓋板后，給裝置內注水進行加壓試驗。

水位在1.0m、1.5m、2.0m、2.5m 和3.0m 期間，裝置的密封性能良好，未出現滲漏現象。

水位在3.5m 和4.0m 時，裝置兩側止水帶壓板處均出現2 處局部的滲漏，2～3s 時間滲漏1 滴水，其他部位未出現滲漏。將試驗裝置的滲漏處拆開對安裝平面進行了打磨處理，重新安裝后再次進行加壓試驗，未再出現滲漏現象。

水位在4.5m 和5.05m 時，裝置的密封性能均良好，未再現滲漏現象。

3.4.3 變位性能試驗結論

分別對試驗伸縮縫裝置的一側進行-175mm 和+175mm 的水平位移，在位移后再次進行注水加壓試驗，水壓為5.05m，裝置的密封性能均良好，未再出現滲漏現象。

4 止水伸縮裝置施工技術

（1）該止水伸縮裝置為U 型，每個安裝單元根據渡槽結構大小靈活設置，一般1m 為宜，縫寬30cm ≤a ≤60cm，在鋼槽側焊接支撐板，同步清理混凝土槽側槽口，將L 型螺栓與預埋U 形鋼筋焊接。

（2）將支撐伸縮條與支撐伸縮條焊接骨架鋼板以每個安裝單元為單位提前焊接，同步插入變寬支撐條滑移盒，底板處只伸縮不變寬，側壁考慮外傾變寬，鋼槽側支撐伸縮條焊接骨架鋼板與支撐板焊接，混凝土槽側將支撐條滑移盒臨時固定到L 型螺栓，檢測安裝平整度，控制在2mm 范圍內，澆筑C50 微膨脹鋼纖維細石混凝土。

（3）鋼槽側使用全螺紋六角頭螺栓安裝止水帶下托板，混凝土槽側將下托板插到已安裝完成的L型螺栓上，并通過螺母緊固。

（4）在支撐伸縮條上畫線擺放不銹鋼支撐筋和支撐海綿，在止水帶安裝底板和下托板的凹槽內安裝遇水膨脹橡膠條。

（5）安裝全斷面橡膠止水帶，止水帶壓板通過螺紋連接將橡膠止水帶緊緊壓住，形成閉水條件。

（6）澆筑環氧樹脂混凝土，其中鋼槽側提前貼遇水膨脹橡膠條作為密封條。

（7）在C50 微膨脹鋼纖維細石混凝土和環氧樹脂混凝土交界面不小于2cm 寬的凹槽，并深入細石混凝土中2cm，將凹槽洗凈注入聚硫密封膠。

（8）磨平環氧樹脂混凝土，將聚四氟乙烯滑板按單元粘貼在不銹鋼蓋板上，裝好密封橡膠墊，通過螺紋連接分單元安裝好上蓋板。

（9）通過托板將不銹鋼止水帶分別壓靠在鋼槽側和混凝土槽側。

5 止水伸縮裝置場內充、排水試驗

本次充水試驗的最高試驗水位按設計水位47.55m（水深4m）加大10%考慮，經計算確定最高試驗水位為47.95m，對應水深為4.4m。按照300 年一遇洪水校核水標準，充水至48.60m，對應渡槽水深為5.05m。詳細的充排水方案見表1。在充水水位至5.05m 時達到最大變化量，最大變化量為2.05mm，遠未超過最大變形技術要求；在5.05m 卸荷以后，伸縮裝置變形具有收斂趨勢。

充水試驗期間，巡查發現混凝土渡槽滲水共10處，進口段7 處、出口段3 處；渡槽排水后，再次對混凝土渡槽迎水側進行巡視，共發現混凝土渡槽分縫滲水共9 處，進口段8 處、出口段1 處。以上缺陷均為施工質量問題，可通過灌漿后封閉進行處理，未發現影響渡槽結構安全的質量問題。

6 結語

采用波紋型橡膠止水帶，止水帶兩側固定在兩側的渡槽上，橡膠止水帶起密封作用，波紋狀結構能滿足渡槽的伸縮要求。波紋型止水帶下按一定間距設置了齒條，支撐橡膠止水帶，起承受渠道水壓作用。采用橡膠止水帶的波紋結構解決了渡槽水平方向的位移要求，利用橡膠止水帶可壓縮變形的性能，解決了渡槽上下左右方向的變位要求，同時兼具過水密封性的要求。

該結構已在引江濟淮（安徽段）項目上安裝使用，2021 年5 月1 日淠河總干渠渡槽順利通水，使用效果良好，可為同類渡槽建設提供參考依據