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黔中水利枢纽高大跨渡槽的关键技术问题及对策

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水利水电技术第44卷2013年第9期 黔中水利枢纽高大跨渡槽的关键 技术问题及对策 天 坤 吴 玮 (贵州省水利投资(集团)有限责任公司,贵州贵阳550002) 摘要:黔中水利枢纽输水总干渠线路穿越诸多峡谷及河流,需建设较多的高、大跨渡槽。这些渡槽 结构型式多样,建设难度大。本文对其代表性结构型式进行了详细介绍,并针对其各自特点,提出了 不同结构型式渡槽在结构设计和施工中需解决的关键技术问题。由于目前缺乏专门的行业设计及施工 技术标准对重要技术进行控制,故提出了应采取的必要对策,从而为渡槽的顺利建设和良性运行提供 重要保证。 关键词:渡槽;大跨;结构设计;施工技术;对策;黔中水利枢纽 中图分类号:TV672.3(273) 文献标识码:A 文章编号:1000—0860(2013)09—0052—05 Key technical problems of high and large span aqueduct for Qianzhong Water Control Project and countermeasures WU Wei (Guizhou Water Investment Group Co.,Ltd.,Guiyang 550002,Guizhou,China) Abstract:The main water conveyance channel of Qinzahong Water Control Projeet passes through many canyons and rivers,thus many high and large span aqueducts are necessary to be constructed.The types of those aqueducts are various with great dififcul— ties for the constructions.The typical structurl taypes of them are described in detail herein,and then the key technical problems necessary to be solved during the structural designs and the constructions of the diferent structural types of them are presented in accordance with their own characteristics.Because of lack of the professional technical standards for the design and construction, the countermeasures necessary to be adopted are proposed,SO as to provide important guarantees for the smooth constuctirons and better operations of the aqueducts. Key words:aqueduct;large span;structurla design;constuctrion technology;countermeasure;Qianzhong Water Control Project 1 概述 所经之处地形条件复杂,深山峡谷横贯其间,需要 修建大量的渠系建筑物,隧洞、渡槽及倒虹管总长 达41.82 km,约占总干渠长度的66%。由于输水水 黔中水利枢纽一期工程以灌溉、城市供水为主, 兼顾发电等综合利用。工程由水源工程、灌区工程、 贵阳供水工程和安顺供水工程组成。水库总库容 10.89亿in ,设计灌溉面积65.14万亩,给省会贵 阳、安顺及沿途乡镇供水3.22亿in /年,电站装机 头裕度有限,跨越建筑物大多数选择输水水头损失小 的渡槽,总计有26座,总长13.4 km。由于地形起 伏多变,常规的梁式或拱式渡槽难以满足工程需要, 给渡槽选型带来很大挑战。历经数年的研究,一批大 容量136 MW,年发电量3.41亿kW・h,为贵州省 有史以来最大的水利枢纽工程。 贵州是全国唯一没有平原几乎全为山区地貌的 省份,黔中水利枢纽输水总干渠长63.4 km,渠线 收稿日期:2013—05-14 作者简介:吴玮(1963一),男,河北滦县人,高级丁程师,副总经 理。 WaterResources andHydropowerEngineering Vo1.44 No 9 吴玮∥黔中水利枢纽高大跨渡槽的关键技术问题及对策 规模、创新型结构的渡槽得以在工程上实际应用。这 于110 m,其跨度为国内之最;青年队渡槽为6连 些渡槽的设计和施工难度在我国水利建设史上均为少 拱,单跨108 m,规模巨大。 见,展开对其中关键技术的应用研究,推进设计和施 上述渡槽的主要特点是跨度大、临空高度高、 工是不可或缺的。 总体规模大,有的渡槽为新研究的结构型式。与 2渡槽的选型及主要特点 国内已建的工程相比,均有较多和较大的突破和 难度。 渡槽沿线地形为起伏多变的溶蚀山区地貌,有 100 m以上的深切河谷、连续多山低地,有已建成 3关键技术研究 的水库及省、县级公路。而且地质条件也同样复 3.1 设计重大技术研究 杂,既有岩溶强烈发育地带,也有煤矿开采区。在 3.1.1 连续刚构渡槽 渡槽型式选择时,按以下条件进行设计:(1)深切 连续刚构渡槽利用上部变截面预应力箱梁的强 河谷,两岸基岩裸露且岩体完整性较好,岩质较坚 大承载能力,建造大跨度的平伸钢筋混凝土结构。 硬的地方布置单跨拱形渡槽;(2)地形较开阔的河 这种结构在公路,尤其是高速公路上使用较早也研 床或谷地,渡槽高度百米以下的地方,根据槽墩的 究较多。对于需要布置大跨度渡槽而地形不适于拱 布置条件,选择多跨连续拱渡槽或简支梁式渡槽; 式结构的地方,经设计比选后确定进行该种结构的 (3)深切且较宽阔的谷地或跨越已建水库的地方, 应用研究。利用这一结构建造渡槽的思路有两种: 难以布置连续拱或梁式渡槽时,则研究采用了新 一是将钢构作为支撑结构,其上部另外布置输水槽 型式的连续刚构渡槽;(4)对于跨度及高度不大的 壳,即“桥槽分离”;另一种方式是将二者结合,即 渡槽,则按常规渡槽型式进行设计。根据上述条 利用作为支撑结构的箱梁输水,不另外布置输水槽 件进行渡槽的选型设计,使得渡槽的结构型式呈 壳,实现“槽桥统一”,其典型布置见图1。虽然前 现多样化,具有代表性渡槽的型式主要结构尺寸 一种布置方式的结构受力简单明了,设计方法和施 见表1。 工工艺均成熟,但后果是结构自重加大,风荷载陡 表1中的渡槽结构型式可归纳为两大类:第一类 增,投资极不划算,因此,对后一方案展开精心研 为梁式渡槽,即连续刚构和简支箱梁,该类渡槽的梁 究。 式结构部分采用预应力钢筋混凝土。预应力连续刚构 该类结构尚没有设计先例,在设计上存在以下 渡槽有4座,主槽单跨最大跨度180 m,全长均超过 需要研究解决的难点:(1)与同类桥梁相比,设计 800 m;简支预应力箱梁渡槽一座以菜子冲渡槽为 荷载增大了4倍;(2)由于在变截面箱梁内增加一 代表,全长达1 736 m,为跨度50 m的箱梁结构, 块钢筋混凝土渡槽底板,将常规的单箱分隔成两 整个渡槽在平面上呈“勺子”形布置,轴线变线处采 箱,加之荷载也由桥面车辆作用变为内部水作用, 用常规梁式渡槽过渡。第二类为拱式渡槽,有单跨 常规的内力计算方法已不适用;(3)箱体的温度荷 拱渡槽、连续拱式渡槽以及折线型拱式渡槽。单跨 载在箱内流水及外界日照和气温的交互作用影响 拱渡槽中的龙场渡槽净跨200 m,拱顶临空高度大 下,变得更为复杂;(4)要克服渗水对预应力钢筋的 表1 黔中水利枢纽工程总干渠部分大跨渡槽一览 序号 渡槽名称 主槽跨径布置/m 构造特点 最大墩高或矢跨比/m 渡槽全长/m 设计流量/m。・s一 加大流量/m ・s一 1 草地坡 96+18O+96 连续刚构 52 892 21.08 24.86 2 徐家湾 96+2×180+96 连续刚构 92 987 20.94 24.70 3 河沟头 80+2×15O+8O 连续刚构 81 940 19.85 23.46 4 焦家 96+2×18O+96 连续刚构 61 836 l7.78 21.oo 5 菜子冲 28×5O 简支预应力箱梁 57 1736 21.01 24.78 6 平寨 l×108 拱式 O.25 2l7 22.66 26.73 7 白鸡坡 1×156 拱式 0.25 250 22.26 26.26 8 龙场 l X200 拱式 O.20 340 20.88 24.63 9 祠堂边 1×108 拱式 0.25 190 19.75 23.34 10 青年队 6×108 连续拱 0.25 848 17.73 20.94 l1 塔山坡1号 2×108 连续拱 O.25 827 17.52 2O.69 12 杨柳l号 2×45 折线拱 0.3 165 16.36 19.40 水利水电技术第44卷2013年第9期 吴玮∥黔中水利枢纽高大跨渡槽的关键技术问题及对策 腐蚀;(5)预应力钢筋的张拉及锚固设计,也因过水 箱体内的流道需要及渡槽底板的分隔,超过刚构桥梁 设计的复杂程度。 3.1.2拱式渡槽 施工及运行全过程的稳定性,施工中作用在中槽墩 上的不平衡拱推力以及运行时中槽墩不均匀沉降 产生的作用力,都将危及整个6连拱的安全。为 此,在施工方案为分跨成拱时,设计并采用止推 能力强、基底应力较小的“A”型墩,在同时成拱 施工方案时,设计采用较为常规的薄壁空心墩。 常规拱式渡槽的设计经验一般都较为成熟,但 对于超大跨度的拱形结构,对风荷、地震作用、地 基及结构自身的变形更为敏感,其可靠度的要求则 更高。因此,设计需对槽体布置特别是拱圈结构的 型式及重要应用参数作为重点进行研究。高大拱式 渡槽的结构设计,往往还需考虑施工方法的影响和 施工工艺的变化,有时需要改变结构型式亦以配 合。 同时顾及运行期的安全,采用桩基进行整体加强 (见图3)。 3.1.3预应力箱梁简支渡槽 菜子冲渡槽为长度最大的渡槽,所经过地形为 一较低矮的浅丘山地,比较适宜布置简支梁式渡 槽。设计选择顺山脊布置渡槽轴线,很大程度降低 了支承结构高度,但在平面上出现3个弯道,需要 做好衔接设计。设计在直段布置了28段跨度50 m 单跨最大的龙场渡槽拱圈跨度200 m,为国内 最大跨度的钢筋混凝土拱式结构,重点是主拱圈的 结构设计研究。因跨度大,在各种荷载作用下主拱 圈的变形及稳定为设计主要控制条件,尤其要分析 计人侧向风作用的影响。在进行主拱圈结构计算 时,还对合龙时段的温度变化及适应不同施工工艺 长的预应力简支箱梁槽壳,在转折段采用跨度10.6 ~15.0 m的简支非预应力矩形槽壳过度。该渡槽 50 m预应力箱式槽壳为国内在建的最大跨度,其支 墩高度23~57 m,为变厚度矩形空心钢筋混凝土 的问题都进行了专门研究。而且在工程招标以后, 还针对主拱圈可能采用的三种施工工艺,分别进行 了对应的结构设计。 连拱渡槽以6 x 108 m的青年队渡槽较具代表 性(如图2),该渡槽不仅拱数多跨度大,而且地基 的工程地质条件差,主要为三叠系中统T2g卜 泥质 白云岩,岩性较软。设计研究的关注点为中槽墩在 接进口侧引槽 墩。预应力槽壳及转弯处的弧形槽壳为设计研究重 点。 3.2施工专项技术 3.2.1 连续刚构渡槽 刚构墩的桩基成孔:钢构的主墩为连续刚构渡槽 的主要支承结构,结合贵州省的地形地质条件,均采 用桩基嵌入岩层。桩基均采用人工挖孔施工,而地基 接出口侧引槽 墩顶箱梁断面 图1 连续刚构渡槽纵剖面及主要箱梁断面示意(尺寸单位:m) 接进121侧引槽 接出口侧引槽 : 一 =] ; ≥ I 图2连拱渡槽纵剖面(尺寸单位:m) 水利水电技术第44卷2013年第9期 吴玮∥黔中水利枢纽高大跨渡槽的关键技术问题及对策 架、悬臂挂篮、预制吊装三 种施工方法,多次进行专家 咨询,最终确定采用预制吊 装的施工方案。但是,还需 结合该渡槽混凝土拱圈构件 的特殊性,进一步优化和改 进施工工艺。 连续拱式渡槽:连续拱式 渡槽的施工除考虑拱圈的施 工方法外,更重要的是解决 壁茔 ÷, C30混凝土1 施工期的纵向稳定问题。青 年队渡槽为6跨108 m的连 续拱,施工单位确定采用落地 I I I ll I l 支架施工主拱圈。并提出6连  1I I ll I I U山U 拱分次浇筑和一次浇筑的施工 (a)A型中拱座侧视 (b)A型薄壁中墩侧视 计划,为解决施工期产生的拱 图3中墩结构设计 结构纵向稳定问题,设计单位 配合进行研究,提出了不同的 遭遇可溶岩及煤系地层,前者出现岩溶、涌水;后者 结构设计,以供施工配套采用。而业主还从工程 往往孔深数十米,存在采空区及可能的煤层瓦斯问 总工期出发,要求对六连拱同时施工的工法进行 题。施工需要分别研究和制定合适的工艺和措施,以 研究。 确保顺利实施。 3.2.3简支预应力大跨度箱式渡槽 上部箱梁施工:大体采用与桥梁工艺相同的挂篮 菜子冲渡槽为高墩大跨度简支箱式预应力钢筋混 对称悬臂浇筑施工法,即先浇筑0 节段,再依次悬臂 凝土结构,施工的关键在于箱梁预应力混凝土的施工 浇筑中间节段,然后合拢。由于箱梁与过水渡槽同 技术及弯道槽壳的线性控制。由于槽身箱梁跨度大和 体,派生出某些与桥梁不同的或更困难的施工问 高度临空,箱体数量大,为实现质量、安全、快速以 题,需要研究改进原已有的施工工艺和措施:一是 及投资控制的目标,采用钢结构移动模架成槽的施工 双箱有别于桥梁的单箱以及双箱与单箱的过渡连 方案。转弯处的小跨度钢筋混凝土槽壳,由于临空高 接,对模板架设、钢筋制安及混凝土浇筑增加难 度不大,可以采用常规的落地支架施工,也利于线性 度;二是部分纵向预应力钢束齿板由原先的箱体内 控制。 移到箱体外,需要研究特别的施工工艺以克服由此 带来的施工难度和风险;三是要根据预测的箱体结 4主要对策 构运行期出现的下绕,进行施工期较严格的预拱度 由于大部分渡槽为特大型建筑物,有的又采用了 控制。 新型结构,而且目前还缺乏专门的行业设计及施工标 3.2.2大跨度拱式渡槽 准对重要技术进行控制。为此,对关键性的重大技术 单跨拱渡槽:拱式渡槽的施工关键在于拱圈, 问题采取以下对策进行控制。 拱圈形成后,其上部结构的施工则较为简单。平 4.1确定设计标准 寨、白鸡坡渡槽的拱圈均采用缆索吊装箱拱的无 依照输水流量的大小,渡槽属Ⅱ级水工建筑 支架安装施工工艺,即先吊装预制中室的拱箱节 物,从跨度的大小出发,在公路行业属特大桥。如 段并合拢,再吊装边室拱箱并合拢,最后现浇筑 连续刚构渡槽是首次在水工输水结构的研究应用, 纵缝及顶板层混凝土,形成单箱三室的整体箱型 而龙场渡槽为超大跨拱式钢筋混凝土结构,设计标 拱圈结构。而对于龙场渡槽,其拱圈临空高度 准选择要求从严,确定建筑物等级为公路1级。设 110 m,跨度达到200 m,而且为变截面拱,尚 计时采用水利及公路双标准进行控制,并要求就高 无工程建设的实际经验。曾先后研究了落地支 执行。 水利水电技术第44卷2013年第9期 吴玮∥黔中水利枢纽高大跨渡槽的关键技术问题及对策 4.2加大设计工作力度 为确保重大的技术问题在设计阶段得到成功解 5结语 决,由设计单位与桥梁和水利科研机构合作,采用双 黔中水利枢纽一期工程总干渠诸多渡槽,跨度 行业、多电算程序进行设计分析计算,以期达到优化 大、结构型式多样,在我国水利建设史上罕见。这 结构设计,消除问题的目的。对于施工图则实施双院 些渡槽的结构设计和施工均存在较重大的关键性技 控制制度,即聘请有实际经验的公路行业设计单位进 术,开展这些关键技术的研究并采取必要的对策, 行施工图审查。 是这些渡槽顺利建设并能良性运行的重要保证。目 4.3选择可靠的施工队伍 前这些渡槽正处于施工实施阶段,在施工过程中, 严格施工单位的招标条件,选择具有相关施工经 必然会对某些设计和施工进行修改和优化调整。相 验和能力的施工单位入围投标。在施工方案评估审查 信通过参建各方的共同努力,借鉴其他行业及相关 时,邀请有实践经验的专家及技术人员参与,并要求 专家的经验,黔中水利枢纽一期工程总干渠高墩大 设计单位全过程协同工作。 跨度渡槽一定能顺利建成,并为今后类似渡槽的建 4.4开展施工监控 设提供经验。 在以往的水利建设中,如此大跨度的渡槽鲜有实 施。设计又借鉴了交通路桥建设的经验,其中,施工 参考文献: 监控是一项非常重要且必要的措施。其主要目的是在 SL 191--2008,水工混凝土结构设计规范[s]. 保障渡槽施工过程安全稳妥的基础上加快施工进度, JTGD nl_ 62--2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规 1i j 保证成槽质量,使最终成槽后结构内力处于最优状 范[s]. 顾辉,陈卫国.输水建筑物渡槽工程勘察设计95例[M].北 态,线形符合设计要求。故对新型、重大结构都决定 京:中国水利水电出版社,2010. 由专业监控单位实施专项监控,以确保施工质量和安 鲍卫刚,周泳涛.预应力混凝土梁式桥梁设计施工[M].北 全。 京:人民交通出版社,2009. 4.5强调细节控制 李亚东.桥梁T程概论[M].成都:西南交通大学出版社, 对某些关键性的细节,如防止槽壳混凝土渗漏 2001. 产生预应力腐蚀、解决箱梁表面日照产生过大温度 竺慧珠,陈德亮,管枫年.渡槽[M].北京:中国水利水电出 版社,2005. 效应、分缝止水等问题,亦同时开展专项对策研 究。 (责任编辑陈小敏) 扣 扣扣和扣和和 扣 扣和和扣和扣 扣 扣和 扣和 和+叶和扣扣 和+叶和扣 和扣扣 ・简讯・ 863计划“精细地面灌溉技术与设备”课题通过中期检查 2013年7月11日,由科技部组织的863计划课题中期检 与校正、数据插值处理与成图、地势分析和土地平整评价方 查专家组在北京对中国水科院水利研究所主持承担的国家863 法;构建了撒施和液施下地表一水流溶质模型;提出了适于 计划“精细地面灌溉技术与设备”课题进行了中期检查。检查 不同土壤的地面灌溉条件下根系分区交替灌溉的灌水技术参 组由科技部领导与中国农业大学、中科院沈阳生态所、西北 数与控制阈值,初步建立了2种作物的根系分区交替灌溉技 农林科技大学、南京农业大学的有关专家组成,中国工程院 术模式;在滨海盐碱荒地上完成台(条)田一浅池系统的修建, 康绍忠院士任组长。 进行了冬季海冰采集和覆盖的台(条)田盐渍土洗盐试验和海 专家组听取了863计划课题负责人、水利所副所长李益 冰水/淡水混灌作物高效节水种植试验。在设备开发方面:完 农教高关于课题研究进展的汇报,并检查了课题执行的相关 成了国产低成本GNSS技术与装备以及实时检测运土量的拉力 资料。专家组充分肯定了该课题所取得的阶段性成果,经质 传感器设计;完成了基于GPS实时定位的智能化土地精细平 询答疑,专家组一致认为该课题进展良好,预期可顺利完成 整系统的框架设计,可实现地形测量、数据处理、平整作业 课题任务目标。 优化设计等功能;完成了渠道输水条件下地面灌溉施肥装置 该课题实施以来,课题主持单位水利研究所与中国农业 样机的开发;初步开发了3种根系分区交替灌溉施灌设备并 大学、北京师范大学等参加单位通力合作,共同攻关。在技 完成了样机试制。 术研究方面:建立了三维地形快速测量、测量数据误差处理 (摘自“中国水利国际合作与科技网”2013年7月17日) 水利水电技术第44卷2013年第9期 

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