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南水北调中线工程矩形渡槽设计与施工方案研究
发布时间:2020-02-25浏览次数:148返回列表

谢 三 鸿,尤岭,李 世 平 (长江勘测规划设计研究院 交通设计处,湖北 武汉 430010)

摘要:南水北调中线一期工程陶岔至鲁山段穿越平原河流区,需架设渡槽作为输水建筑物。由于渡槽架线长、设计流量大,且工程质量及耐久性要求高,经多方案多种结构型式优化比选,设计推荐澧河渡槽型式采取简支矩形开口箱梁截面的预应力结构,槽墩型式采用钢筋混凝土空心墩结构。在施工工艺和架设方案上,针对所跨越宽漫滩河流的地形条件,经多方案比选,推荐采用节段拼装箱梁并用造桥机吊装的施工方案,并对预制阶段施加预应力的程序和施工工艺,作了较详细的阐述。

关键词:水工渡槽; 矩形箱梁式渡槽; 预应力结构; 渡槽支墩; 施工方案; 南水北调中线一期工程

中图法分类号: TV67文献标志码: A

南水北调中线一期工程总干渠陶岔至鲁山段,全长约240 km,拟建6座大型矩形渡槽,槽身段总长1 540 m,单座渡槽长度最长为720 m,最短为60 m,槽跨采用30 m和40 m两种跨径。渡槽工程区覆盖层多为砂卵石,厚度4~10 m,下伏基岩埋深大,且抗压强度较低。针对渡槽工程区地质情况,为避免不均匀沉降,经经济技术综合比较,渡槽采用双线单槽布置形式。本工程段渡槽最大设计流量为420.0 m3/s,具有过水流量大、断面尺寸大、技术要求高的特点,渡槽的规模和跨度均为南水北调中线工程之首,设计和施工难度大,技术要求较复杂。本文以澧河渡槽为例,对南水北调中线工程大型矩形渡槽的设计与施工方案进行探讨。

1渡槽总体结构型式比选渡槽上部槽身结构设计可供选择的型式很多,有梁式渡槽、拱式渡槽、桁架式渡槽、斜拉式渡槽、工字梁组合渡槽等[1]。拱式渡槽和斜拉式渡槽适于跨越深谷河流地区,由于南水北调中线工程渠线所经地段地形较为平缓,且要求渡槽槽底至原地面之间高度大多控制在5~10 m,显然不适合建造拱式渡槽和斜拉式渡槽,其中斜拉式渡槽投资也相对较大。桁架式渡槽是将若干直杆的杆端用铰相互连接而成的几何不变体系,其杆件制作较为复杂困难,若采用混凝土弦杆,杆端铰接处受力复杂,容易开裂;若采用钢弦杆则造价较高,并且后期难以维护。工字梁组合渡槽为简支预应力工字梁承重的梁槽组合结构,该结构受力体系明晰,工字梁可在工厂预制,工程质量也有保证,但工程量和投资相对较大。另外,因工字梁高度较大,占槽下净空大,且因系拼装体系,预留后浇带较多,水密性较差。梁式渡槽整体受力性较好,受力结构简单,裂缝容易控制,水密性好,且施工方便,造价较为低廉,可作为重点研究槽型。在受力体系上,梁式渡槽又可分为简支渡槽和连续渡槽两种。考虑到南水北调中线工程各输水渡槽槽体结构断面尺寸大、荷载大、沉降变形影响因素较为复杂,从减少不均匀沉降对槽体结构应力影响,减少施工难度,简化结构受力条件的角度出发,简支结构较为有利;尽管简支结构跨中弯矩较连续结构大(同跨度而言),但由于截面中性轴靠近底部,较大弯矩在渡槽底板产生的拉应力增量不多,由此增加的预应力束有限,故推荐采用简支结构。

2渡槽上部结构设计澧河渡槽断面形式主要考虑矩形渡槽[2]。矩形渡槽又分为开口箱梁矩形槽、闭口箱梁矩形槽、多纵梁形式的矩形槽等(分别见图1(a)、(b)、(c)),具体采用哪种截面形式要综合考虑受力特性、渡槽规模、槽下净空及施工等多方面因素决定。由于槽身正截面抗裂要求高,在任何组合条件下槽身内壁表面不允许出现拉应力,槽身外壁表面拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度设计值的0.9倍。而闭口箱梁矩形槽内外温差大,温度应力大,结构设计处理复杂,因此在方案选择上不考虑该断面形式。澧河渡槽设计主要就开口箱梁截面形式和多纵梁形式进行了比较。

图1矩形渡槽截面形式为增加槽身纵向刚度,减少底板跨中横向弯矩,槽身横断面宜采用窄深式断面,澧河渡槽过水设计流量320 m3/s,加大流量380 m3/s,根据水力学计算,当单槽∪?0 m槽宽时,渡槽设计水深6.13 m,加大水深6.83 m,宽跨比和整体受力较为合理,故澧河渡槽结构设计选取10 m槽宽。第16期谢三鸿,等:南水北调中线工程矩形渡槽设计与施工方案研究 人民长江2010年

2.1开口箱梁矩形槽结构方案渡槽单槽顶部全宽11.6 m,底部全宽11.7 m,两槽间内壁间距5.0 m,在两槽之间加盖人行道板。双线渡槽全顶宽26.6 m,全底宽26.7 m。箱梁底板在跨中厚0.5 m,支座断面厚0.95 m,梁高在跨中为7.92 m,支座断面为8.37 m。腹板厚度在跨中断面由顶部的0.7 m向底部的0.9 m渐变,在支座断面渡槽全高范围均为0.9 m厚。渡槽腹板顶部沿纵向每4.0 m设置1根0.3 m×0.3 m的拉杆,以增强箱梁的抗扭能力,减小腹板底部弯矩。开口箱梁截面形式见图2。 该工程渡槽槽身按三向预应力设计要求进行优化设计[3]。预应力材料均采用Φs15.2高强低松弛钢绞线,在同一断面上,横向预应力施加在底板上,靠近板顶和板底分别布置1束6Φs15.2钢束,竖向预应力施加在两侧腹板上,分别斜向布置1束7Φs15.2钢束,横、竖向预应力钢束沿纵向每隔0.4 m 1组。箱梁的纵向预应力在底板上布置21束13Φs15.2直线钢束,在两侧腹板各布置3束13Φs15.2曲线钢束,曲线钢束在跨中至支座范围弯起,增加箱梁的抗剪能力。

图2澧河渡槽开口箱梁槽身结构布置(单位:cm)

2.2多纵梁矩形槽结构方案渡槽单槽顶部全宽12.5 m,底部全宽11.8 m,两槽间内壁间距5.0 m,在两槽之间加盖人行道板。双线渡槽全顶宽27.5 m,全底宽26.8 m。箱梁底板为由横梁和纵梁构成的梁格体系,单跨渡槽横向共5片纵梁,中间2片纵梁单片宽0.8 m,边上两片纵梁单片宽1.0 m。底板下沿跨径方向每隔2.0 m设置一道横梁。横梁和纵梁上为过水底板,厚度为0.35 m。渡槽两侧腹板厚0.6 m,沿跨径方向等厚设置。在腹板外侧每隔2 m设置一道宽0.4 m的竖向肋,以改善腹板根部受力状态。梁高在跨中为8.97 m,支座断面为9.47 m。在梁端范围底板下的梁格结构变为实体结构。渡槽腹板顶部沿纵向每4 m设置1根0.3×0.3 m拉杆,以增强开口渡槽的整体性和抗扭能力。多纵梁截面形式见图3。

图3澧河渡槽多纵梁槽身结构布置(单位:cm)渡槽槽身同样按三向预应力设计,预应力材料均采用Φs15.2高强低松弛钢绞线,在每个横隔板底部设置2束12Φs15.2钢束(在端部实体段为18Φs15.2钢束),在底板上沿跨径方向每隔1 m设置1束6Φs15.2横向钢束。在渡槽腹板内,沿跨径方向每隔1 m在腹板内侧和外侧分别设置14Φs15.2竖向钢束和6Φs15.2竖向钢束。在渡槽每个纵梁内布置4束15Φs15.2直线钢束,在底板内分布8束5Φs15.2直线钢束,在每侧腹板内设置4束12Φs15.2曲线钢束,曲线钢束在跨中至支座范围弯起,增加箱梁的抗剪能力。

2.3两种结构形式的比较多纵梁的截面形式多用于宽浅式的渡槽,由于槽身横向较宽,其荷载主要由梁底纵梁承担,侧墙和底板主要起挡水作用。由于澧河渡槽槽身宽度不大,其侧墙和底板也可以参与纵向受力,而由于构造上的需要,多纵梁的底板和侧墙尺寸不能设计得太薄,因而其自重反而比开口箱梁自重大,钢束用量也较大。以40 m跨为例(两种截面形式的单槽工程量比较见表1),多纵梁截面工程量与开口箱梁截面工程量相比相对较大,另外多纵梁截面应力指标控制相对困难,故澧河渡槽选择开口箱梁截面形式。

3渡槽下部结构方案

3.1槽墩设计方案针对上部结构采用简支结构,槽墩比选主要考虑了柱式墩、圆端实体板墩和空心墩3个方案。(1) 柱式墩。墩型构造简单,施工方便,技术成熟,工期较短。同时柱式墩阻水面积小,工程量省,但抗冲击和抗震性能较差。(2) 圆端实体板墩。每槽一墩,结构简单,施工方便,工期短。在相同厚度的情况下,具有刚度大、承载力高、抗冲击和抗震能力强,以及顺流向导流性较柱式墩好的优点,但其自重和工程量相对较大。(3) 空心墩。可以充分利用材料的强度,节省材料;墩身质量较轻,刚度较大,抗冲击和抗震能力较强。施工时可以采用滑动模板,速度快,质量好,节省模板支架。缺点是结构相对复杂。考虑到南水北调中线工程的重要性及陶岔至鲁山段渡槽上部荷载巨大等特性要求 ,设计推荐澧河渡槽墩身型式采用空心墩。

3.2基础设计方案南水北调陶岔至鲁山段渡槽槽身段基础土层主要由土及软岩组成,岩土容许承载力较低,且地下水位较高,不适于采用刚性扩大基础;若采用沉井基础需投入大量的施工机械,造价太高,经济上不合理。为此,陶岔至鲁山段渡槽主要考虑钻孔灌注桩基础。钻孔灌注桩基础结构简单,承载力较高,抗震性能好,沉降量小且荷载分布均匀,可适用于各种硬、软土层,亦可根据上部的荷载合理地调整桩径和桩长。由于钻孔灌注桩施工设备简单、操作方便,可在多工作设计方案选定渡槽基础为桩基础。根据澧河渡槽工程区的地质情况,桩基础按摩擦桩进行设计,经计算比较,澧河渡槽单个承台下布设6根直径2.0 m的钻孔灌注桩。

4施工方案

4.1施工方法鉴于所选择的开口箱梁矩形槽最大槽身质量已达2 029 t,而同跨径多纵梁矩形槽身最大质量达2 714 t,故在施工方案中以40 m跨径开口箱梁矩形槽作为主要研究对象。在总结前期研究成果的基础上,通过进一步收集国内外大型架桥和造桥设备及其施工能力等信息资料,对渡槽施工方案进行了初步的比选分析。国内现有类似大型工程建设中最大质量梁式桥梁的相关参数指标见表2。综合现有类似工程施工工艺及施工方法,考虑到南水北调中线工程渡槽施工现场条件,渡槽跨越河流为宽漫滩河流,水深浅,均为不通航河流,大型浮吊无法进场和施工,故采用运架一体的浮吊施工方案不适应渡槽施工要求。此外,武广和郑西客运专线采用主梁整体预制,运梁台车运梁并以架桥机架设,考虑到渡槽特殊结构形式,存在已架设渡槽无法提供运梁台车施工平台的困难,需要重新研究新型架桥、运梁设备,有关科研工作量大,故亦无实施该方案的条件。天津海河大桥施工所采用的移动模架造桥机,以及福厦铁路厦门跨海特大桥节段拼装箱梁所采用的移动支架造桥机,施工相对简便,比较适合渡槽施工。这两种方案可以充分利用渡槽槽墩作为施工平台基础,避免采用满堂支架式复杂施工工序以及地基处理措施和费用。综合考虑大型渡槽单个槽身较长的因素,为加快工程进度,本阶段拟采用节段拼装箱梁移动支架造桥机工艺。施工步骤为:① 预制厂预制渡槽节段;② 运梁台车通过渡槽槽身内部运输渡槽节段;③ 造桥机起吊渡槽节段并旋转安装至预定部位;④ 节段线形调整;⑤ 现浇湿接缝混凝土;⑥ 预应力张拉并压浆;⑦ 造桥机整机前移及拆除。采用现浇湿接缝以保证渡槽结构整体性,避免施工缝漏水。经研究,该方案在大型渡槽施工中切实可行,并能保证施工质量。由于南水北调中线工程渡槽所跨河流均不通航,而槽身体积大、质量重,且施工质量要求高,为此施工设备和工艺选择须联合施工与设备厂家开展深入研究。

4.2预应力施工张拉顺序研究由于施加预应力的程序与槽身混凝土浇筑安排有密切关系,经过计算和分析,推荐槽身混凝土浇筑方案为,一跨槽身混凝土(除拉杆外)一次浇筑完成,待槽身预应力施加工作全部结束后,再安装或浇筑渡槽顶部拉杆。预应力施工张拉顺序建议采取以下步骤:在槽身混凝土全部浇筑完毕并养护达到混凝土设计强度的85%~90%后,在未安装槽顶拉杆的情况下,对槽身对称施加40%~50%的纵向预应力,以消除自重产生的纵向拉应力;然后从两端向跨中对称施加全部横向预应力,消除自重产生的横向拉应力,并最大限度减小预应力产生的局部拉应力;完成上述工作后可允许拆除下部支撑模板,释放自重;再从两端向跨中对称施加全部竖向预应力;最后再对槽身对称施加余下的纵向预应力。 5结 语南水北调中线工程大型矩形渡槽具有设计流量大、荷载大、施工难度高等特点,渡槽的规模和跨度均为中线工程中乃至国内水工渡槽之首,没有类似工程可供参考,对设计和施工技术要求高。本文以澧河渡槽为例,详细分析了渡槽有关荷载参数等技术标准,另经多方面设计和技术经济性能比较,推荐选取了该渡槽较适合的结构型式、断面形式、跨径布置与施工方案,为工程实施作了许多设计比选和优化研究,可供其他工程矩形渡槽设计方案拟定借鉴和参考。

参考文献:

[1]竺慧珠,陈德亮,管枫年.渡槽[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[2]刘成芳,张颜琴.矩形梁式渡槽设计[J].黑龙江水利科技,2007,(5):48-49.

[3]王志刚.漕河渡槽三向预应力结构优化设计[J].水科学与工程技术,2006,(5):30-32.

[4]范万祥,杨朝峰.50 m跨连续箱梁移动模架造桥机施工技术[J].建筑施工,2005,(2):38-41.

[5]宋小三.杭州湾跨海大桥70 m箱梁架设施工技术研究[J].公路,2006,(9):124-126.

(编辑:喻 伟)

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