第一章　沙河梁式渡槽结构选型与跨度分析研究

第一节　南水北调渡槽结构选型的客观条件

一、南水北调输水渡槽工程特点

（1）小水头、大流量。南水北调中线一期工程多年平均调水量95亿m3，陶岔渠首设计流量350m3/s，加大流量420m3/s，穿黄河设计流量265m3/s，加大流量320m3/s，进北京北拒马河设计流量50m3/s，加大流量60m3/s，沿线布置有大型渡槽27座，最大输水流量420m3/s，多在200m3/s以上。渡槽每20～30m仅分配1cm水头，而沙河渡槽单位长度分配水头更少，9km渡槽设计水头仅1.77m。

（2）总体上渡槽布置在山前倾斜平原上。南水北调中线总干渠线路考虑到全线自流、挖填因素、减少拆迁与控制投资等因素，基本布置在山前倾斜平原上，渠底净空不大，河谷地形以宽浅为主、相对宽阔。

（3）渡槽的安全性、可靠性与耐久性要求高。鉴于南水北调中线一期工程向京津及沿线大中城市供水的重要性，对大型渡槽工程安全性、可靠性和抗裂、防渗等耐久性及变形提出了很高的要求，确保工程运行安全、可靠。要求槽身内壁设计工况下不出现拉应力，外壁拉应力小于混凝土拉应力设计值的0.9倍。

二、南水北调工程特点对渡槽结构选型的影响

1.多槽输水

中线工程输水渡槽小水头、大流量的特点，使得渡槽纵比降一般为1/2900～1/5700，横向输水断面，水面总宽在25m以上，水深5m以上，加之输水工程检修的需要，渡槽需采用多槽输水。

2.简支梁式渡槽

受净空高度、地形地质条件、大流量等因素制约，加之拱式渡槽对地质条件要求较高、拱脚水平推力影响、拱式超静定结构温度影响，以及南水北调工程对渡槽安全、可靠的高要求，输水渡槽不宜建各类拱渡槽，较适合的槽型为梁式渡槽。

由于输水断面太宽，若采用输水与承重分离式结构，材料浪费大，投资增加多，加之梁底净空有限但水荷载大造成承重梁较高等因素，南水北调大型渡槽采用承重与输水一体的梁式渡槽更为合适。

承重与输水一体的梁式渡槽按支撑体系分为简支梁式、悬臂梁式及连续梁式。悬臂梁式渡槽及连续梁式渡槽对地基不均匀变形适应性较差，连续梁槽身各支点要保证具有相同的沉降变形十分困难，如果各支点产生不均匀沉降，梁体将产生较大的附加弯矩，还可能产生扭矩，施工难度也较大。悬臂梁式渡槽在地基产生不均匀沉降时，悬臂端接缝将产生错动，使得止水容易被拉裂。考虑到南水北调大型渡槽对安全、可靠、耐久的高要求，选型上宜采用简支梁式渡槽，受力明确、施工方便、纵向结构变形基本不受约束，受温度影响较小。

3.预应力混凝土结构

南水北调渡槽断面大、荷载大，但同时要求槽身内壁设计工况下不出现拉应力，若采用普通钢筋混凝土，无法实现一级抗裂要求，采用预应力实现抗裂防渗性能的高要求实属必然。同时，南水北调渡槽坡度非常缓，纵向变形过大将影响渡槽的输水能力，因此采用预应力结构严格控制渡槽挠度也是必要的。

另外，南水北调渡槽如采用普通钢筋混凝土纵向跨度将受到很大的制约，基本在15～20m以下，会造成下部结构投资增加过多，渡槽的经济性较差，提高渡槽跨度、提高渡槽经济性能，也需要采用预应力结构。此外预应力结构在提高结构承载能力与抗震性能方面也具有较大优势。

三、当今技术发展对结构选型的影响

计算机技术的迅猛发展，弹性理论、弹塑性理论的发展和有限元大型计算分析软件的推广应用，使得结构设计手段、方法多样化，尤其是对于复杂的空间结构。这就为渡槽设计选型选跨时采用空间受力效应显著的大断面大跨度结构提供了结构分析计算的基础。

预应力技术的成熟发展与普及推动了梁式渡槽的发展，使简支渡槽采用预应力技术后，在实现大跨度、大断面薄壁结构的同时，又具有高承载能力、良好抗裂性能及耐久性。东深供水改造工程承重与输水一体简支梁式渡槽，采用双向预应力技术，实现了输水断面7m宽、最大跨度24m；南水北调中线京石段漕河承重与输水一体简支梁式渡槽，采用三向预应力技术，实现了三槽一联单槽过水断面宽6.0m、高5.4m、最大跨度30m。

近年来铁路、交通大型桥梁和大跨度施工架桥机、造桥机技术的发展，对渡槽施工技术起到了巨大的推动和借鉴作用，渡槽施工技术的发展又促进了渡槽设计水平的进步，国内东深供水改造工程渡槽施工首次采用移动模架整孔现浇造槽机技术，实现了跨度24m、单槽重350t槽身施工。现浇满堂支架施工的漕河渡槽槽身单跨重量达3400t。

总体上，计算机技术、结构计算技术、预应力技术以及施工技术与大型施工设备制造技术的发展，为大流量预应力渡槽选择大跨度、大断面奠定了基础。