沥水沟渡槽震损恢复重建设计研究

2015-07-25韩晓荣

陕西水利 2015年2期

韩晓荣杨莉

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安 710001）

1 工程概况

沥水沟渡槽位于石门水库灌区东干渠2.1km的沥水沟沟口，是东干渠渠首重点建筑物，控制着下游27万亩稻田，占石门水库实际总灌溉面积的60%左右。

原渡槽设计输水流量30m3/s，全长214.1m，最大建筑高度43.3m。工程1970年7月始建，1972年5月完工，渡槽全部采用了预制装配式轻型结构。上部槽箱为“U”型薄壳预应力砼结构，下部排架为预制装配轻型钢筋砼双肢和单肢型式，最大高度38.3m。该工程施工质量差，经过几十年的运行，槽箱和排架砼碳化、开裂破损严重。

2008年汶川5·12大地震波及汉中市，加剧了渡槽的破坏，渡槽整体受损严重，基本无法正常运行，在运行通过流量16m3/s时，不仅漏水，且摇晃不止，安全度明显不足，可能出现整体破坏，因而需进行恢复重建。

2 设计原则

根据震后渡槽受损实际情况及安全鉴定报告，考虑渡槽的灌溉要求，本着经济合理、施工安全方便、尽快实施的原则，对各种可能实施的方案进行比较。

3 设计方案选择

3.1 初始设计方案

因沥水沟渡槽为灾后重建项目，时限要求非常紧，渡槽重建采用何种方案是设计的关键，直接影响到工程投资、施工工期及施工安全等。经现场对渡槽地形、地质、结构型式分析后，初步拟定对原址新建、原址加固、改线三种方案进行比选。考虑到若渡槽改线，因施工时不能对老渡槽造成破坏，两者必须有一定的距离间隔，势必造成渡槽与上下游渠道转弯衔接，水流条件较差，产生的弯道冲击波可能引起渡槽震动，对渡槽整体稳定不利。且由于改线方案当时未做地质勘察，而补做地勘工作至少需要3～5个月，本着节省工程投资、压缩设计时间、减少社会因素影响等综合考虑，改线方案在当时存在一定的制约因素。而渡槽原址线路顺直，水流条件好，具有现成的地质资料，因而对原址加固和原址新建方案进一步比选。

3.1.1 原址加固

根据渡槽实际损坏情况对渡槽进行加固，原“U”型槽箱壁厚较薄，变位、碳化较大，加固处理难度大，本次对排架进行加固，槽箱进行置换，新设基础井柱承担上部荷载。

槽箱：槽箱为简支梁式，跨度大，采用预应力C40钢筋砼结构，断面尺寸4.2m×3.3m，底板厚度0.35m，侧墙厚度0.2m渐变为0.35m。槽身顶部设拉杆，以改善侧墙和底板的受力状态。

排架加固：将原排架凿毛至新鲜砼面，冲洗干净，浇筑C25钢筋砼空心墩完全包裹。空心墩为椭圆矩型断面，中部设置横隔板，墩体从顶部整体以40∶1的坡比逐渐向下扩大。

基础井柱：原井柱为C15砼，强度等级偏低，且部分为素混凝土，部分仅在上部7m范围内构造配筋，不满足规范要求。本次设计不利用原基础井柱，竖向承载力及弯曲变形影响完全由新设井柱承担，新设井柱为C25钢筋砼，端部置于弱风化基岩上。

3.1.2 原址新建

原址新建下部支撑结构比较了空心墩、排架和拱式方案，因拱式方案施工工艺要求严格，施工难度大而不予采用。空心墩方案较排架方案贵，且布置显得较为笨重，故原址新建方案以较轻型的排架作为代表。

对原渡槽槽箱及排架拆除置换，槽箱采用现浇预应力钢筋砼矩形断面，下部支撑采用排架，新设基础井柱。

槽箱断面型式同加固方案。

排架为C25钢筋砼结构，横向做成A字形，两侧以20∶1的坡比向下扩大。高度小于15m采用单排架，超过15m采用双排架，双排架在较大的竖向及水平向荷载作用下，其强度、稳定及地基应力较单排架容易得到满足。立柱断面尺寸1.0m×0.8m，立柱间设横梁从上到下4.0m等间距布置，断面尺寸0.6m×0.8m。

新设C25钢筋砼井柱，端部置于弱风化基岩上。

3.1.3 方案比较结果

原址新建方案虽然工期短、费用低，但最大的缺点是要保证在一个非灌溉季节建成通水，施工工程量非常大，工期不能满足要求。加固方案虽然建筑工程直接费用大，但对工期要求较松，可以分阶段实施加固，在灌溉季节可停止施工，渡槽可通过一定的小流量向下游灌区供水，考虑到下游27万亩稻田灌溉用水的迫切需要，可以缓解下游灌溉压力，初步选择加固方案。

3.2 设计方案优化

随着设计工作的进一步深入，加固方案暴露出一些尖锐问题：渡槽至今已运行36年，基本达到了使用寿命，排架实际配筋量不足设计抗震级别的70%。5·12地震后，排架和槽箱几乎都存在裂缝，埋于土体内的排架基础钢筋砼表面严重爆裂，钢筋外露，排架破坏比较严重，5·12震后，通水16m3/s时就产生不规则摇晃。加固方案首先面临的问题是不能判定原结构的承载能力和安全度；其次是新老材料的受力分配无法确定；另外就是结构受力钢筋已从内部严重锈蚀，砼碳化深度超过钢筋保护层；基础需新增加井柱数量，施工难度大，有可能对老井柱造成破坏。因此，对原渡槽进行加固不仅加固起来非常麻烦、难度大，投资也不一定低，且加固后虽暂时可正常运行，但后期运行效果难以预料，工程运用安全性差。

在加固方案渡槽施工质量及安全性难以保证的情况下，项目参与各方结合项目实际，提出将渡槽向沥水沟上游改线，虽线路长，水流条件差，但只要控制转弯半径与角度，水流条件可得到一定改善，改线方案最大的优势是施工不受原渡槽影响，施工中原渡槽仍可通水灌溉，施工安全风险小，工期保障要求低，最终确定采用改线方案。

4 改线方案布置

渡槽改线总体布置由1号隧洞、跨沟渡槽、2号隧洞三大部分以及相互之间的连接盖板涵组成。

为了满足渡槽进出口水流条件的平顺衔接和1号隧洞进出口地形地质条件要求，从原渡槽上游盖板涵处向沟道上游弯折进入1号隧洞，转弯半径23m，中心角44.75°，隧洞后段设一半径23m、中心角47.17°的弯道与渡槽平顺衔接，渡槽进口轴线与原渡槽相距约45m。此线路总体布置较为平顺，水流条件好。为使渡槽下游与原主洞夹角较小，不影响渡槽过流能力，并在施工时不对原渡槽造成影响，渡槽出口轴线距原渡槽轴线布置为24m。渡槽改线平面布置见图1。

槽箱下部支撑结构比较了拱架支撑与排架支撑。排架方案对两岸边坡基础要求低，但跨度小，基础处理个数多，槽箱采用预应力，工艺复杂，难度大。拱架方案拱圈施工工艺要求严格，斜井柱施工难度大，但基础处理个数少，沥水沟渡槽位于汉中石门国家水利风景区内，拱式方案较为美观，推荐采用拱架方案，具体布置如下：

图1 渡槽改线平面布置

图2 渡槽改线纵向布置

（1）拱圈：跨主沟道布置3跨各43m跨径的板拱支撑上部槽箱，拱圈矢高12.5m，矢跨比为1/3.44，拱圈采用变截面抛物线结构型式，拱顶厚度0.8m，拱脚厚度1.2m；拱圈宽度结合上部槽箱宽度及结构布置需要确定为5.64m。

（2）排架：为减小拱上荷载并使拱轴受力条件较好，拱上支撑结构采用轻型排架，排架间距6.6m，排架高度1.87m～8.70m之间，排架采用C25钢筋砼现浇结构。排架横向两立柱中心距取决于槽身的宽度，为4.45m，立柱断面尺寸0.6m×0.4m，立柱间设横梁从上到下等间距布置，断面尺寸0.35m×0.5m。

（3）槽箱：槽箱简支于排架上，采用现浇C30钢筋砼箱型断面。断面尺寸4.2m×3.0m，底板、侧墙、顶板厚度分别为0.33m、0.25m、0.2m。

（4）拱座墩台：拱圈与拱座墩台之间采用刚性连接。墩台包括2个边墩和2个中墩。1#、2#中墩分别高 25.11m、20.46m，为 C25钢筋砼空心墩，断面为圆矩形，墩身顶部尺寸7.83m×4.07m，墩身四侧以25∶1的坡比向下扩大，墩身底部井柱盖梁厚2.7m。根据承载力要求，盖梁下分别布设8根直径2.3m，深14.2m、10m钢筋砼井柱，端部置于弱风化基岩上。

两侧边墩均位于进、出口沟坡倾倒体上，采用C20砼大体积重力墩，考虑稳定及布置要求，两侧边墩水平截面尺寸为9.0m×9.2m，高度7.0m。根据承载力计算，上游边墩基础底面需布置2根长18m直径2.7m竖直井柱，2根长18m直径2.7m斜井柱；下游边墩基础底面需布置2根长22m直径2.7m竖直井柱，2根长18m直径2.7m斜井柱。井柱穿透倾倒岩体，端部置于弱风化基岩上。渡槽改线纵向布置见图2。

5 拱式渡槽设计难点及处理措施

拱式渡槽特点是拱端推力传至两岸山体，对两岸岩体强度及完整度要求较高，而沥水沟渡槽两岸边坡为强～弱风化的绿泥石绢云母千枚岩倾倒体，岩体破碎，裂隙发育，遇水易软化，且倾倒岩体本身处于不稳定状态，在渡槽使用年限内有可能发生蠕动，这对于拱式渡槽是个突出问题。

为解决这一难题，设计提出在拱端设置水平洞或基础斜井柱，洞端穿透倾倒岩体置于弱风化基岩上，使弱风化岩体承受拱端推力。从本工程岩层特性看，布置水平洞长度较长，进洞口覆盖层很小，在强风化倾倒岩体中，施工安全性不易保证。斜井柱可以和边墩合理结合，且可基本垂直于岩层分界线布置，柱长较平洞可缩短一半，施工相对较容易且投资较小，故予以采用。有限元计算结果表明，在斜井柱角度设计合理的情况下，其所受内力较小，且可将拱端推力有效传递至端部弱风化基岩上。要求在施工运行过程中，对两岸边坡加强安全监测，随时掌握边坡岩体变位动态，对可能发生的较大滑移及时做出处理。