刘庄沟排水渡槽的结构设计

摘要：左岸排水渡槽作为南水北调中线工程的排水建筑物，起到了排洪和导流的作用，本文对排水渡槽的轴线位置，槽身布置及槽身预应力计算方面进行了研究，为类似的工程提供参考资料。

关键字：排水渡槽，轴线、槽身结构、预应力。

中图分类号：TU8文献标识码： A

南水北调中线京石段应急供水工程共设了23座左岸排水渡槽，总干渠开挖截断天然河沟，排水渡槽对于上游洪水起到排涝、导流之用。

排水渡槽的设计原则为：在保证总干渠堤防工程安全下，通过渡槽设计做到天然河沟上、下游洪水平顺衔接。

刘庄沟排水渡槽位于河北省保定市徐水县刘庄村西北约500m的沟内，设计流量32.3m3/s，校核流量56.9 m3/s。

1建筑物轴线

根据刘庄沟现状地形，天然河沟走向与总干渠中心线的关系，确定其轴线与总干渠中心线呈正交布置。

2槽身结构型式

为了适应地基变形，结构受力简单，槽身纵向选用的是简支型式，横向为矩形槽，槽下部采用了受力明确的多纵梁预应力混凝土结构。多纵梁结构施工可预制、拼装进度快。

3槽身跨度方案比选

为保证总干渠顺畅输水，排水渡槽在渠底宽范围内不设或少布设槽墩，纵向尽可能采用较大跨度；在有流冰的渠段，梁底不得低于加大水位0.75m以上；一级马道作为总干渠管理维护交通道路，交通维护道路净空满足4.5m要求，路面宽度内亦不准布设槽墩等。刘庄沟排水渡槽处于总干渠深挖方段，根据总干渠断面条件，综合比较，确定渡槽槽身为7跨，单跨跨度为22m，渡槽总跨度154m.。

4槽身结构设计

槽身结构计算采用结构力学方法，按平面问题进行横向和纵向计算。多纵梁按简支梁计算内力和配筋。多纵梁上部的过水矩形槽侧墙按悬臂梁计算内力，按受弯构件计算配筋。

纵梁内力计算

槽身采用简支结构，纵梁简化为承担自重及其控制范围内的水重和槽身混凝土重，按受弯构件计算内力。内力计算分别考虑了承载能力极限状态和正常使用极限状态两种。

a承载能力极限状态的计算分别为：

基本组合（建成无水、设计洪水）

跨中弯矩计算公式：

支座剪力计算公式：

偶然组合（校核洪水）

跨中弯矩计算公式：

支座剪力计算公式：

式中—结构重要性系数，取1.1；

—设计状况系数；

—永久荷载分项系数；

—永久荷载标准值，即自重；

—可变荷载分项系数；

—可变荷载标准值，即槽中水重；

—计算跨度（），取；

—净跨度（）；

—支座宽度（）。

b正常使用极限状态计算分别为：

短期组合（设计洪水）

跨中弯矩计算公式：

支座剪力计算公式：

长期组合（建成无水）

跨中弯矩计算公式：

支座剪力计算公式：

式中—结构重要性系数；

—永久荷载标准值，即自重；

—可变荷载标准值，即槽中设计洪水重；

—计算跨度（），取；

—净跨度（）；

—支座宽度（）。

通过以上得出多纵梁在各种组合下的内力计算结果。

②纵梁预应力钢绞线计算

纵梁施加预应力采用高强低松弛钢绞线，强度标准值为1860 N/mm2，抗拉强度设计值为1260N/mm2。根据《水工钢筋混凝土设计规范》，后张法的张拉控制应力取0.7×＝0.7×1860=1302N/mm2。预应力损失包括两批。第一批预应力损失包括张拉端锚具变形和钢绞线内缩引起的预应力损失和预应力钢绞线与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失。第二批预应力损失包括预应力钢绞线应力松弛引起的预应力损失和混凝土收缩和徐变引起的预应力损失。

③裂缝计算

根据水工混凝土结构设计规范规定，预应力混凝土构件裂缝控制等级、混凝土拉应力限制系数及最大裂缝宽度允许值，在露天环境下，预应力混凝土构件裂缝控制等级为二级，一般要求不出现裂缝，按荷载效应的短期组合和长期组合分别进行计算，构件受拉边缘混凝土允许产生拉应力，但拉应力不应超过以混凝土拉应力限制系数αct控制的应力值。采用钢绞线的混凝土构件混凝土拉应力限制系数αct在短期组合时为0.5，长期组合时为0.3。规范要求，一般不出现裂缝的构件。

④挠度验算

预应力受弯构件使用阶段的挠度是由两部分所组成：外荷载产生的挠度；预加应力引起的反拱值。

a外荷载作用下产生的挠度、

式中－短期荷载产生的挠度；

－长期荷载产生的挠度；

－荷载效应的短期组合（并考虑部分荷载长期作用影响）及长期组合所对应的长期刚度。

对应于荷载效应的短期组合（并考虑部分荷载的长期作用的影响）时：

对应于荷载效应的长期组合时：

为荷载效应短期组合作用下预应力受弯构件的短期刚度。

一般不出现裂缝的构件 ：

式中 －混凝土弹性模量；

－换算截面惯性矩。

b预应力产生的反拱值

按偏心受压构件求挠度

式中－扣除全部预应力损失后的预应力筋和非预应力钢筋的合力；

－对截面重心轴的偏心距；

－构件长度。

考虑到预压应力这一因素是长期存在的，所以反拱值取为。

c荷载作用时的总挠度

通过计算，纵梁在短期组合和长期组合下的挠度值

根据规范要求，渡槽槽身当跨度＞10m时，短期荷载组合允许挠度为L0/500，长期荷载组合允许挠度为L0/550，L0以mm计。

5结语：

渡槽的设计总结为以下几点：

通过调查、勘测收集所需要的资料，根据渡槽的任务和地形、地质等确定渡槽的级别和设计标准。

选择渡槽槽址、槽身起始点位置及轴线位置。

进行水力计算，确定槽身的横断面尺寸和槽底纵坡。

进行方案比较，确定最优的总体布置方案。

进行结构计算确定结构的尺寸。

参考文献：

南水北调中线一期工程总干渠左岸排水建筑物土建工程初步设计大纲［k］.长江院，2004.4.

Sl/T191-96，水工混凝土结构规范［S］.

JTJ023-85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.