韓乾鋒
(陜西省寶雞峽工程局,陜西 寶雞 712200)
寶雞峽漆水河倒虹是灌區(qū)塬下北干渠23+567 km處跨越漆水河的一座輸水建筑物,位于楊凌區(qū)東北3.5 km處,是寶雞峽北干渠的輸水“咽喉”,進(jìn)口在陜西省楊凌區(qū)境內(nèi),出口在武功縣境內(nèi)。工程始建于1958年,1971年建成通水,由兩根并行的鋼筋砼管組成,內(nèi)徑2.4 m,長度31 m,設(shè)計(jì)流量22 m3/s,最大水頭為34 m3/s,控制灌溉面積77.7萬畝。經(jīng)50多年運(yùn)行,工程多個(gè)部位出現(xiàn)病險(xiǎn)問題。管道磨損、銹蝕、剝蝕,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降;倒虹底部、出口淤積嚴(yán)重,過流斷面減小,過水能力降低;進(jìn)口雍水運(yùn)行,存在極大安全隱患,行水中多次發(fā)生倒虹堵塞現(xiàn)象,影響渠道正常輸水安全,亟待改建。
寶雞峽漆水河倒虹工程,主要灌溉下游77.7萬畝農(nóng)田作物。工程原設(shè)計(jì)采用倒虹方式輸水,渠道容易淤積,倒虹多次出現(xiàn)堵塞問題,存在明顯缺陷,經(jīng)過近60年運(yùn)行,安全隱患眾多。2013年,經(jīng)批復(fù)決定將原深埋倒虹方式改建為架空預(yù)應(yīng)力薄殼梁式渡槽,共15跨,每跨30 m,總長450 m。同時(shí)改造渡槽進(jìn)出口明渠段243 m,恢復(fù)段家灣泵站引水渠147 m,新建分水閘1座。改造興平總站管護(hù)設(shè)施1800 m2,段家灣站新建管理用房850 m2,改造進(jìn)出站道路4.5 km。
寶雞峽漆水河倒虹是塬下北干渠跨越漆水河的一座輸水建筑物,位于陜西省武功縣大莊鎮(zhèn)段家灣村。因原線路建設(shè)方案施工期與北干渠下游77.7萬畝農(nóng)田灌溉用水直接沖突,施工最少影響下游一年灌溉,年直接經(jīng)濟(jì)損失1.05億元;且進(jìn)出口填方體長,彎道多,流態(tài)差,容易引起出口段的淤積,工程運(yùn)行管理不便,而小南線方案在施工期間部分時(shí)段不影響渠道灌溉,水流條件好,運(yùn)行管理便利,均優(yōu)于原線路方案,故選擇小南線作為改建工程實(shí)施線路。
結(jié)合實(shí)際情況,渡槽初步設(shè)計(jì)擬定了三種方案,分別為簡支梁渡槽、桁架拱渡槽和橋式倒虹。三種方案總體布置基本相同,均布置進(jìn)、出口渠道與原北干渠平順銜接,進(jìn)口渠道在北干渠樁號23 km+493 m處與原北干渠相接,出口渠道在原北干渠樁號24 km+428 m處和北干渠相連。主體建筑物均由進(jìn)口漸變段、進(jìn)口連接段、槽身段(或倒虹管段)、出口連接段、出口漸變段等組成。
方案一:簡支梁渡槽
空心重力墩作為下部支撐結(jié)構(gòu),墩高13.0 m~28.0 m,壁厚35 cm~60 cm,用砼鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)為10跨預(yù)應(yīng)力大梁,預(yù)應(yīng)力梁長40.0 m,每跨4根。梁裝配后,在其上疊合澆筑混凝土有拉梁帶肋槽身。
方案二:桁架拱渡槽
上部結(jié)構(gòu)為矩形槽身,下部結(jié)構(gòu)為桁架拱橋,共7跨,每跨53.0 m,拱助設(shè)計(jì)矢跨比為1/6。桁架拱橋兩岸橋臺采用重力式“U”形臺,橋墩為柱式輕型墩,墩下通過承臺用鉆孔砼灌注樁作為基礎(chǔ)。
方案三:橋式倒虹
在軸線上新建橋式倒虹,倒虹管水平投影長408.8m,為鋼筋砼雙管,管內(nèi)徑2.9 m,管壁厚40 cm。進(jìn)水段斜管設(shè)1#~2#鎮(zhèn)墩,出口段斜管設(shè)3#鎮(zhèn)墩。管橋共分10跨,第一跨38.8 m,其余每跨30.0 m,為預(yù)應(yīng)力梁式結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力梁采用T型梁,梁長分38.8 m和30.0 m兩種,高1.6 m,每跨7根,預(yù)應(yīng)力混凝土采用C50。用直徑1.0m的砼圓柱作為下部支承結(jié)構(gòu),砼圓柱以下通過8.6 m×4.0 m×1.5 m(長×寬×深)的承臺,用6個(gè)直徑1.0 m的砼鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ),灌注樁深18.0 m~22.0 m[1][2]。
因采用倒虹輸水在多年運(yùn)行實(shí)踐中,倒虹前段渠道容易淤積、內(nèi)部多次發(fā)生堵塞、且維修搶修極為不便,影響工程安全高效供水,存在明顯缺陷,專家組首先對橋式倒虹方案給予了否決。
從地質(zhì)地形條件看,渡槽跨越漆水河處為U形河谷,河谷寬度達(dá)300 m,發(fā)育有一、二級階地及河漫荒灘,主要地層分布為第四系松散堆積黃沙土,若采用拱式渡槽,必為連續(xù)拱式連槽結(jié)構(gòu)。由于拱圈水平堆力的存在,對墩臺尤其是邊墩的要求較高,工程區(qū)承載力較大的砂礫石地層相對埋深較大,對墩臺的處理和設(shè)計(jì)難度也較大,若某一拱角因水平推力破壞則相鄰跨也會隨之破壞;且拱式渡槽的主拱圈為超靜定結(jié)構(gòu),在溫度荷載作用下拱圈易產(chǎn)生溫度裂縫,安全穩(wěn)定性能不是最優(yōu)。
桁架式渡槽雖縱向可為靜定結(jié)構(gòu),但結(jié)構(gòu)本身為超靜定結(jié)構(gòu),桁架各桿件間會產(chǎn)生次內(nèi)力,與拱式渡槽類似承重結(jié)構(gòu)宜產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力,另外,這類超靜定結(jié)構(gòu)某一部位產(chǎn)生位移或局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致總體結(jié)構(gòu)承載失效,存在較大安全隱患;且桁架式渡槽施工較復(fù)雜,施工質(zhì)量不易保證。加之矩形槽身設(shè)計(jì)阻力對水流速度有影響,從而影響用水關(guān)鍵期抗旱供水量。
與拱式渡槽、桁架式渡槽相比,簡支梁式渡槽受力明確、施工方便,結(jié)構(gòu)變形基本不受約束,不產(chǎn)生溫度應(yīng)力,結(jié)構(gòu)型式優(yōu)勢明顯。加之施工臨時(shí)占地少,工程量、需要投資也較少,且近年來越來越多的輸水渡槽采用簡支梁結(jié)構(gòu)型式,取得了較好的效果,積累了較多的成功經(jīng)驗(yàn)。綜合分析本工程場區(qū)地形、地質(zhì)條件,結(jié)構(gòu)型式、施工、投資等因素,故設(shè)計(jì)選擇了受力明確的簡支梁式渡槽為推薦方案[3]。
經(jīng)過三個(gè)方案的地形地質(zhì)條件、輸水水力條件、運(yùn)行管理?xiàng)l件、流態(tài)、施工條件、工程量及投資等因素綜合比較分析,初步選定方案一簡支梁渡槽為推薦方案。
目前,國內(nèi)渡槽施工比較傳統(tǒng)的方法為滿堂支架法。但隨著近年來大型輸水調(diào)水工程的建設(shè)實(shí)施,橋梁施工中較先進(jìn)的架橋機(jī)、造橋機(jī)施工技術(shù)被引進(jìn)至渡槽施工當(dāng)中,并獲得成功。
滿堂支架法是渡槽現(xiàn)澆施工中傳統(tǒng)的施工方法,其優(yōu)點(diǎn)是無需預(yù)制場地,無需大型起吊及運(yùn)輸設(shè)備,施工時(shí)上部結(jié)構(gòu)受力與前期設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)受力基本一致,無需再進(jìn)行施工階段驗(yàn)算;缺點(diǎn)是搭施工腳手架和模板工作量大,施工期較長。滿堂支架法一般適用于上部荷載相對較小,下部基礎(chǔ)承載力較高,凈空較低的情況,且該方法施工受汛期影響較大。漆水河渡槽最大凈空為27 m,且下部持力層較深,為減小支架變形及基礎(chǔ)沉降問題需先進(jìn)行地基處理,對漆水河渡槽來說,采用滿堂支架法不是最優(yōu)方案。
造槽機(jī)法與滿堂支架法都屬于渡槽原位現(xiàn)澆方案,造槽機(jī)方案是在槽墩上安裝支撐架及其整孔模板(內(nèi)模及外模),然后在模板內(nèi)進(jìn)行澆筑作業(yè)、施加預(yù)應(yīng)力,待完成一孔作業(yè)后,且混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后活動模板脫模并與支撐架一起移動至下一孔,然后調(diào)整并固定支撐架,組拼好模板,進(jìn)行新的澆筑作業(yè)。該方法優(yōu)點(diǎn)是不受河灘軟弱地基或水中的地理環(huán)境影響,可以節(jié)省大量的落地支架和臨時(shí)基礎(chǔ)及地基處理的費(fèi)用,并可在汛期施工。渡槽澆筑及模架移動時(shí),在渡槽墩頂及渡槽頂部會受到一定的臨時(shí)施工荷載,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮。南水北調(diào)中線工程雙泊河渡槽、湍河渡槽均采用造槽機(jī)法施工,效果良好。
架槽機(jī)原理及架設(shè)槽身的方法與公路、鐵路架設(shè)橋梁方法基本相同。架槽機(jī)法施工過程工序?yàn)椋菏紫仍诓蹐鲱A(yù)制槽身,在槽墩上架設(shè)槽機(jī),由架槽機(jī)將預(yù)制好的渡槽放至輪軌式運(yùn)梁車上,由運(yùn)梁車將槽身運(yùn)至槽位處,再由架槽機(jī)完成槽身架設(shè)。架槽機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)面主要在槽墩的頂部,不受河灘軟弱地基或水中的地形影響;可采用地面預(yù)制,蒸汽養(yǎng)護(hù),施工周期短,施工質(zhì)量較高。缺點(diǎn)是占用臨時(shí)施工場地較大,架槽機(jī)、運(yùn)槽車及架槽機(jī)等施工機(jī)械成本較高。架槽機(jī)法適用于渡槽數(shù)量較多且對工期有要求的工程,南水北調(diào)中線工程沙河U型渡槽,其施工方法為架槽機(jī)法,共計(jì)228榀渡槽,目前渡槽已全部施工完成。漆水河渡槽槽數(shù)較少,若采用架槽機(jī)法,施工成本較大,不經(jīng)濟(jì)。
各方案施工設(shè)備費(fèi)用見表1。
表1 各方案施工設(shè)備費(fèi)用表 單位:萬元
由表1可知:各施工方案中,40 mU形渡槽方案架槽機(jī)費(fèi)用遠(yuǎn)高于另外兩個(gè)方案,故架槽機(jī)方案首先予以排除。其余各方案施工費(fèi)用相差不大,但是滿堂支架法需要施工工期較長,且漆水河洪水對施工影響較大。
綜合以上3種方案,滿堂支架法雖為傳統(tǒng)的施工方案,但搭施工腳手架和模板工作量大,需要進(jìn)行地基處理,工期較慢、工序繁雜、受汛期及河道地形影響,施工質(zhì)量不易保證。造槽機(jī)法雖可進(jìn)行工廠化生產(chǎn),工期及質(zhì)量容易保證,但該方法需布置臨時(shí)制槽場地,提槽、運(yùn)漕及架槽等施工設(shè)備費(fèi)用較大。本次渡槽施工方案,從技術(shù)先進(jìn)性、施工澆筑質(zhì)量考慮,采用造槽機(jī)法施工效能比最佳[4]。
寶雞峽漆水河倒虹改建渡槽工程,設(shè)計(jì)秉承“科學(xué)、精細(xì)、創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)”原則,對方案進(jìn)行現(xiàn)場勘察,借助設(shè)計(jì)新技術(shù)新方法,多方比較,擇優(yōu)定案,務(wù)求建設(shè)優(yōu)質(zhì)精品工程,為提升工程運(yùn)行經(jīng)濟(jì)社會效益奠定了可靠基礎(chǔ)。建成后必將有效提升北干渠道安全輸水性能,促進(jìn)灌區(qū)糧果穩(wěn)步增產(chǎn),改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,工程建設(shè)成效顯著。