第二节　沙河渡槽选型选跨

沙河渡槽总长达9050m，跨河的梁式渡槽长2166m，是南水北调中线一期工程中规模最大的渡槽，也是南水北调中线工程黄河南段控制工期的工程之一，其结构选型与跨度直接影响到工程安全、质量、投资与工期控制。

方案研究思路：根据工程建设条件，结合当今渡槽发展方向、工程结构技术及施工技术发展应用情况，分析沙河渡槽可行的结构型式与跨度，进行具体工程布置、设计、工程量及投资计算。从结构受力、过流条件、防洪影响、施工技术水平与施工质量、施工工期、经济性、安全性等多方面进行综合对比，优选方案。

一、沙河渡槽结构方案初选

1.建槽条件与结构支承型式

沙河渡槽设计流量320m3/s、加大流量380m3/s，此段总干渠设计水位132.261～131.681m，渠底高程125.261～124.681m，渡槽比降1/4600。沙河100年一遇水位120.84m，300年一遇水位121.23m，渠底与河道设计洪水位间高差3.5～4m。河道属宽浅型，无通航要求，右岸为漫滩，左岸有堤，堤高5m左右，河床地基岩性上部为卵石，厚5～10m，不均一，下伏基岩主要为第三系泥质砾岩、砾质泥岩。从沙河渡槽上述情况分析，流量大，净空小，河谷宽浅，覆盖层较厚。根据对南水北调工程输水渡槽特点分析，结合沙河渡槽建槽条件，渡槽上部结构型式宜为简支梁式渡槽。

2.渡槽的槽数

根据渡槽的纵比降，适合的槽数有2槽、3槽、4槽三种。因为沙河渡槽进出口均存在与箱基渡槽的衔接问题，同时由于箱基渡槽较长，对工程量影响较大，若箱基渡槽对应采用3槽，不论是矩形槽还是U形槽方案，总体工程量都增加较多，不经济；若箱基渡槽仍采用单槽双联，从沙河梁式渡槽到沙河—大浪河箱基渡槽、大浪河梁式渡槽到大浪河—鲁山坡箱基渡槽之间的过渡连接太复杂，且水头损失较大。因此，不宜采用3槽方案，可选择选择2槽及4槽方案。

2槽及4槽方案断面如下：

矩形2槽单槽净宽11m，净高7.7m，侧墙总高9.4m，如图1-1所示。

U形2槽单槽净宽11.8m，净高7.7m，侧墙总高8.65m，如图1-2所示。

矩形4槽单槽净宽7m，净高7.8m，侧墙总高9.5m，如图1-3所示。

U形4槽单槽净宽8m，净高7.4m，侧墙总高8.3m，如图1-4所示。

2槽最大断面尺寸为槽宽11.8m，侧墙高8.65m；4槽最大断面尺寸为槽宽8m，侧墙高8.3m。从结构设计及安全性分析，不管2槽还是4槽，其结构尺寸都是前所未有的，4槽的安全性优于2槽；从施工难度及施工质量分析，由于槽身断面尺寸过大，一般的钢筋混凝土结构已不适用，必须采用预应力混凝土结构，且为多向预应力结构，因此施工难度均比一般渡槽要大得多。从目前的施工技术看，国内外已建的比较大的渡槽如下。印度GOMTI渡槽，设计流量357m3/s，矩形槽身，过水槽宽12.8m、槽高7.45m，槽中水深6.7m，渡槽上部采用预应力承重框架支承非预应力输水槽身的布置型式，框架由纵梁、横梁、竖肋和拉杆组成，均为预应力混凝土结构。国内东深供水改造工程漳洋渡槽，设计输水流量90m3/s，槽身为U形薄壁预应力钢筋混凝土结构，直径7m，直段高1.6m，槽身总高6.15m，槽内设计水深4.7m，最大跨度24m，壁厚0.3m。同为南水北调工程中的漕河渡槽，为3槽一联带拉杆矩形结构，跨径30m，单槽断面尺寸6.0m×5.4m，三向预应力混凝土结构，目前已完成施工。从已建工程的结构型式和规模看，不管U形槽还是矩形槽，都已有成功的施工经验，但也存在一些施工技术问题，南水北调工程的特点是输水保证率要求较高，因此，从施工技术及工程安全考虑，采用4槽方案。

3.渡槽的跨度

已建大型渡槽东深供水改造工程输水流量90m3/s，简支梁式渡槽，宽7m、高5.4m，最大跨度24m；南水北调中线工程漕河渡槽，最大流量150m3/s，三槽一联宽6m、高5.4m，最大跨度30m；印度GOMTI渡槽设计流量357m3/s，输水与承载分离结构，槽跨31.8m。其他小型渡槽有跨度更大的，但规模、断面很小，不具参考价值。综合考虑大型渡槽已建工程情况，结合南水北调对工程安全、质量的高要求，渡槽跨度可选择30m、40m、45m进行研究。

4.渡槽的断面形状

槽身断面形式常见的有U形、矩形、箱形等，鉴于箱形断面为封闭结构，温度应力太大，易产生裂缝致渗水，耐久性差，在大型输水渡槽中不宜采用。南水北调中线工程渡槽，由于槽宽大，从高宽比的协调性以及布置与结构受力的合理性分析，矩形槽宜采用多槽一联带中隔墙的矩形槽断面；U形断面考虑到其形状特点，采用多槽但相互独立的型式利于结构布置、受力和施工。

5.不同结构方案施工工法选择

在大型渡槽结构型式方案比选时，施工因素影响显著，不同施工工法都有其适用条件，不仅影响总投资，而且影响结构方案的可行性。

渡槽施工方法较多，比较常用的有满堂支架现浇法、造槽机法、架槽机法等。沙河渡槽规模较大，不管是矩形还是U形断面，其自重都比较大，按照选择的几种型式，矩形槽身单槽自重3240～4100t，U形槽身单槽自重1200～1900t。根据目前的施工设备与技术，多槽矩形槽施工方法有满堂法和造槽机法，但多槽矩形槽造槽机法施工较为复杂。U形槽4槽各自独立，结构相对简单，几种方法都可以采用，但45m跨U形槽单槽重1900t，从控制施工期结构变形与施工质量并考虑施工设备因素来说，宜采用架槽机。

6.比选方案

根据上述分析，输水槽数采用4槽，单槽宽7～8m，U形槽30m及40m，工法选择满堂架、造槽机和架槽机；U形槽45m，工法选择架槽机；矩形槽30m及40m，工法选择满堂架。对跨度、断面形状及适宜的施工工法组合的5种方案进行分析研究。

二、比选方案工程布置

1.矩形4槽跨度30m

设计要素为：横向双联布置，每联两槽，共4槽，单槽净宽7m，总净宽28m，侧墙净高7.8m，总高9.5m，双联间两侧墙内壁相距9.2m。槽内设计水深6.38m，加大水深7.10m（非均匀流、渡槽进口处）。槽身侧墙厚0.60m，底板厚0.4m。纵向每2.95m设底肋，肋宽0.5m，底肋净高1.0m，槽顶部设横拉杆，横拉杆宽0.5m，高0.5m。侧墙和中隔墙兼做纵梁，高9.5m，中隔墙厚0.8m。槽身为三向预应力混凝土结构，采用C50混凝土。槽身纵向为简支梁型式，跨径30m，共48跨，槽底比降为1/4600。下部支承采用钢筋混凝土空心墩，墩帽采用矩形，单个长21m，宽6.5m，高2m；空心墩高度根据地形情况设为3～9m，圆端头截面，上部长20m，宽5m，下部长21m，宽6m，空心墩壁厚1m，中间设三道厚1m的竖隔；基础为灌注桩，桩径1.8m，每个基础下顺槽向设两排，每排5根，桩间距4.8m，单桩长19～27m。

2.矩形4槽跨度40m

上部槽身及下部支承结构型式及尺寸同矩形4槽跨度30m，只是桩长比30m长。

下部共36跨，上部槽身两个一联支承于一个下部基础上，下部支承采用钢筋混凝土空心墩，考虑架槽机布置要求，墩帽长采用25.6m，宽6m，厚2m；空心墩长25.2m，宽6m，高度根据地形情况设为3～13m；承台长26.4m，宽8m；基础为灌注桩，桩径1.8m，桩间距5.35m，每个基础下顺槽向设两排，每排5根，单桩长20～34m。

3.U形4槽跨度30m

渡槽槽身采用预应力钢筋U形槽结构型式，共4槽，单槽直径8m，直段高3.4m，U形槽净高7.4m，4槽各自独立，每两槽支承于一个下部槽墩上。U形槽壁厚0.35m，槽底局部加厚至0.9m，宽2.60m。槽顶纵向每3m设拉杆，拉杆宽0.5m，高0.5m。槽两端设端肋，端肋部位总高9.20m，宽2.0m。槽身纵向为简支梁型式，跨径30m，共48跨，槽底比降为1/4600。下部支承采用钢筋混凝土空心墩，分为两联；空心墩采用圆端头截面，上部长20m，宽5m，下部长21m，宽6m，壁厚1m，中间设三道厚1m的竖隔，高度根据地形情况设为3～9m；基础为灌注桩，每个基础下顺槽向设两排，每排5根，桩径1.8m，桩间距4.8m，单桩长17～25m。

4.U形4槽跨度40m

上部槽身壁厚0.4m，其余部位尺寸基本与跨度30m相同。下部与跨度40m矩形槽相同。单桩长20～34m。

5.U形4槽跨度45m

共32跨。上部槽身壁厚0.40m，其他部分与跨度40m相同，下部支承及基础亦与跨度40m相同，只是桩长不同，单桩长23～36m。

以U形槽为例，结构布置断面如图1-5～图1-7所示。

各方案工程量及投资对比见表1-1。

三、方案比选

对各方案从以下几个方面进行分析比较。

1.从结构受力特点分析

U形槽和矩形槽两种结构型式均有整体性好、刚度大、受力明确等优点。二者相比，U形槽采用弧形断面，与矩形槽相比，水力条件较好，外形线条流畅，轻巧。另外，从结构应力状态分析，U形槽结构流畅不像矩形槽有那么多转折、边角，U形槽环向预应力筋可以沿着结构面布置，不像矩形槽贴角部位钢绞线根本控制不住，U形槽与矩形槽比，基本无应力集中现象。

2.从不同跨度对防洪安全、工程安全、质量影响分析

从对河道行洪的影响分析，在跨河长度范围内，槽墩多，槽下过流断面小，对河道的影响相对就大。沙河为宽浅型河道，对比较的两种跨度，水位变化不明显。跨度30m河道20年一遇洪水工程后水位比工程前水位壅高0.05m，河道100年一遇洪水比工程前水位壅高0.10m；跨度40m河道20年一遇洪水工程后水位比工程前水位壅高0.07m，河道100年一遇洪水比工程前水位壅高0.12m。因此，从对河道行洪影响看，跨度30m、40m方案之间没有本质的差别。

从沙河的地质条件分析，沙河基础持力层主要为卵石及第三系软岩，卵石层不均匀，相变较大，第14层泥质砂砾岩和砾质泥岩物质组成不均匀，胶结成岩差。小跨度较大跨度为优。

从结构安全性分析，各方案通过合理配置预应力锚索，结构应力状态均能够满足大型渡槽抗裂要求，承载能力都有较大的安全裕度。2002年南水北调中线总干渠145亿m3调水方案阶段，委托华北水利水电学院以双洎河渡槽为原型进行的物理模型试验，实验槽身结构型式为矩形双隔墙形式，2槽一联，单槽净宽10.5m，槽高9.8m，边墙及中隔墙厚均为0.45m，底板厚0.4m，跨径40m。试验表明当结构承受满槽水深荷载时，槽身各构件仍处于受压状态。从理论上分析，三种跨度都是可行的，同等型式下，跨度30m与跨度40m、跨度45m相比施工质量保证程度相对高些。

3.工程量及投资分析

总体各方案投资相差在20％以内，U形跨度45m架槽机工法投资最大，矩形跨度30m满堂架次之。

矩形槽与U形槽相比，满堂架施工的矩形槽投资较U形槽投资多13％以上。

U形槽不同跨度之间投资相比，采用满堂架施工时，跨度大时投资省；采用造槽或架槽大型机械设备方案时，小跨度投资省，主要是由于造槽、架槽设备钢结构随着跨度的增加其承载弯矩呈平方级增加，设备投资增加较快。架槽施工因提槽、运槽、架槽设备费用高，总投资较满堂架、造槽机工法都要大。

矩形槽不同跨度之间投资相比，跨度大投资省。

从建筑工程投资分析，一般随着跨度增加，上部结构投资呈增加趋势，下部结构投资呈减少趋势，总的建筑投资略省，但随着跨度增加到一定程度，例如U形槽跨度45m时，因简支结构跨中弯矩增加较多，致钢绞线增加较快，虽然下部投资在减少，但总的建筑投资在增加。

4.从工法适应性、施工质量与安全风险及工期控制分析

从工法适应性分析，满堂架法是在水利渡槽的现浇施工中常用的施工方法，一般适用于上部荷载相对较小，下部基础承载力较高，净空较低的情况。对于南水北调工程大型渡槽来说，存在施工时模板脚手架变形偏大的问题，且施工期不确定因素较多，不是较优的施工方案。

从施工质量与安全风险分析，满堂架施工受支架变形等因素影响不可控因素较多，施工安全与槽身浇筑质量风险较大；造槽机采用整孔模架，其变形是基本可控的；架槽机施工槽身采用地面预制、蒸汽养护，施工质量可以充分保证。从机械设备自身的质量安全风险分析，跨度30m的设备制造技术、经验比较成熟，风险相对较小。

从工期控制分析，沙河渡槽是南水北调中线工程黄河以南控制工期的建筑物之一，其施工工期决定着南水北调中线一期工程在2014年能否如期通水。满堂架施工风险大，不可控；造槽机施工在槽墩上原位现浇，不受河道水流与软弱地基影响，可以汛期施工，但其工期受浇筑、预应力张拉等因素影响，潜在风险也比较大；架槽机施工同样不受河道水流与软弱地基影响，可以汛期施工，关键是可提前在地面大规模、工厂化预制，槽身预制和安装可分开作业，架槽施工对工期控制有利，风险可控。

5.综合分析

对南水北调工程沙河渡槽而言，工程质量、安全、工期是最主要控制因素。U形槽水力条件好，基本无结构应力集中现象，地面预制槽便于施工，混凝土浇筑质量能够保证，且预制架设施工不受河道条件制约，槽身预制和安装可分开作业，工期可控，加之架槽设备制造技术小跨度更为成熟等因素，因此，沙河渡槽槽身选择双线4槽、跨度30mU形槽预制架设方案。

四、研究结论

（1）对于沙河渡槽而言，其梁式渡槽结构型式与跨度，通过结构受力、过流条件、防洪影响、投资、施工质量、安全、工期等角度充分论证的前提下，综合多方面因素选定沙河渡槽槽身采用双线4槽、跨度30mU形槽预制架设方案，是科学经济合理的。

（2）沙河梁式渡槽选择方案时比选了30m、40m、45m三种跨度，并进行了具体结构分析计算，从结构安全的角度分析其安全性都是有充分保证的，只要加强施工控制，建设大跨度大型梁式渡槽在技术上是完全可行的。

（3）大型渡槽结构型式与跨度的选用，在结合工程建设地形、地质条件、建筑物长度、工期、性能要求等因素分析外，还应结合槽身施工工法综合论证。大型渡槽施工工法对总体投资、工程质量安全影响很大，甚至直接影响设计方案的可行性，不同结构适宜的施工工法也不同，同一种施工工法对不同结构的施工难度、质量安全影响程度不一样，纳入施工工法进行的结构选型选跨才是较为客观全面的。