世界级水桥工程--引江济淮工程淠河总干渠渡槽桥

文/杨善红 吴志刚 徐宏光

渡槽水桥正面日景

引江济淮工程，又称安徽的“南水北调”工程。是沟通长江、淮河两大水系的重大基础设施工程，也是辐射长江、润泽安徽、造福淮河、惠及河南的水资源配置战略工程，更是经济社会发展与水环境改善的民生工程。

淠河总干渠是六安和合肥两座城市的重要供水源渠道。为保证总干渠的通水不中断，将总干渠截弯取直优先建设一座可过水的渡槽天桥，这样在引江济淮工程施工前， 将总干渠之水引到渡槽中，以形成总干渠与引江济淮渠两个河道的立体交叉，然后可进行引江济淮工程的大规模施工。由于两个河道高差达30m左右，也即是传说中的“天河”与“地河”，而这座“天河” 除了过水，还要满足VI级航道的要求，不久的将来，一座可以行船、过水的世界级水桥即将呈现在人们的面前。

引江济淮工程总布局图

过水又过船的水桥

目前，世界最大的渡槽水桥是马格德堡水桥(Magdeburg Water Bridge)，这是德国人花了一个多世纪才建成的桥梁。这座水桥分别于1919年、1938年都曾有过建造计划，但因经历世界大战、冷战一直未能执行，终在1997 年正式开工建造，历经6年，花费5亿欧元，于2003年完成了这座让船舶可在桥上航行的水桥。马格德堡水桥采用57.1m+106.2m+57.1m=220.4m的三跨等高度连续钢桁架梁桥，采用整幅设计，过水断面净宽34m，设计水深4.25m。

马格德堡水桥夜景

淠河总干渠渡槽桥夜景

马格德堡水桥日景

淠河总干渠渡槽桥日景

淠河总干渠渡槽桥根据桥下引江济淮渠103.8 m 通航净宽和桥下较大的通航净高富余， 设计采用68m+110m+68m=246m的三跨变桁高拱桁组合式桥梁，在满足航道的实际要求下采用了分幅设计，可满足单向通航要求，单幅净宽16m。该桥在过水和通航上与马格德堡水桥类似，但在桥梁结构型式和航道上有较大区别。该桥也是拟建的世界上最大的渡槽水桥。

纵向超级可变水荷载

淠河总干渠设计流量为150m3/s，设计水深4m，校核水深5.05m。根据水利计算采用整幅式过水断面净宽需要32m，采用分离式过水断面净宽需要2×16m。渡槽水桥双槽水荷载为1616KN/m，相当于近150倍公路-I级车道荷载标准值，单槽相当于近75倍公路-I级车道荷载标准值。由于淠河总干渠为季节性地上河流，渠内水位变化较大，旱季甚至出现干涸状态。因此渡槽水桥在桥梁纵向承受巨大的超级且可变的水荷载。

若问万水何以靠？由于桥梁承受巨大的水荷载，单幅全桥水重约1,9877t，桥梁结构自重约1,2064t。和一般行车桥梁相比，远超桥梁能承受的荷载比例，同时承受荷载还大于桥梁的自重，因此桥梁的刚度成为设计的第一要素。相对于马格德堡水桥，本桥扣除通航净高外还存在9m之多的富余净空，在各种桥式中拱桥自然是抵抗挠度最好的桥型之一。由于渡槽本身为等高结构，且考虑通航水深，其自身高度也较大，和马格德堡水桥一样可以采用等梁高的桁架梁结构。利用桥下净空的富余，在桁架梁之下设置一桁架拱，则可有力地控制跨中挠度，同时也可更好地适应“水来水走”的可变水载工况，实现满载下挠小、空载上挠小的设计效果。

正是，上桁下拱定其挠。桥梁结构的纵向刚度由于得到了较好的控制，其结构内力也明显改善，由此对相应杆件、壁厚等都可得到较好的经济性优化。

横向超宽敞口断面

由于渡槽要进行通航，渡槽的上口无法封闭，也不能设置拉杆。同时单幅净宽达到16m，槽壁高度为6.5m，槽底宽度为24m，该敞口断面槽壁受到水的横向压力，槽底受到水的竖向压力，其横向变形和抗扭能力只能依靠结构自身刚度克服，自然需要加大纵向桁架（槽壁）宽度和横向桁架（槽底）高度。

然而本桥利用桁架拱结构的横向联系，设置M形横联将拱的稳定性和槽的横向变形及扭转一并考虑，槽内的竖向水压力作用在槽底横梁上，传力给M形横联，横联顶推其下的拱桁架。同时M形横联将槽底以下结构形成较为稳定的框架，进而反向约束槽壁的向外变形，槽底的向下变形和整体的扭转。正是采用下闭口约束上敞口的设计理念，桥梁结构的横向刚度、变形、扭转等得到了较好的控制，其结构内力也明显改善，由此对相应杆件、壁厚等都得到了又一次较好的经济性优化。

渡槽桥地理位置图

结构美观 体量超大

由于桥梁承载超大，其体量也是超大的。桥梁总长246m，桥梁最小高度处9m，最大高度处17m，总体呈短、高布局，较为局促，难以展开。针对桥位区域实际环境， 地河为大V形断面，且上下河高差近30m，类似于峡谷地形，因此采用拱式桥梁较为契合。在纵向立面上由于梁高太大，采用桁架式设计将桥梁外观镂空，避免了采用一般桥梁形成的超大墙面感官。在桥面上采用分幅设计，两桥梁之间设置较大露空间隔,并加强桥头分流岛的景观设计。以此在纵、横、侧三向进行立体、通透、线条化的设计， 使得桥梁整体庞而不笨、壮而不粗，以期达到桥梁结构的造型与环境、结构与力势、体量与单元间的完美契合。

两河立交立面图

桥梁结构总体布置图

新型桥梁 新型问题

由于水桥的水荷载超大，且是可变的荷载，这座新型的桥梁也带来一系列的新型问题。水荷载的恒活载性质， 在常规时间内水都时基本稳定的应为恒载，在较少的时段内水来水走，短时间内水的加载与卸载则表现出一定的活载特性。考虑到水的加载与卸载，设计挠度的控制幅度也是极其重要的，短时间内的挠度快速变化可能引起桥梁结构的弹塑性转换。渡槽自身整体为一U形结构，渡槽首先承接水荷载，然后传给桥桁架，同时槽壁还在较高应力的状态下受到船舶撞击的可能，是否还可以将桥槽部分力学性能“分离”？以期达到桥为永久、槽为可修复的设计效果。另外伸缩缝对梁端变形的长久适应性，也是水下伸缩缝耐久性的一个问题。

端部跨中处渡槽横断面图

变桁高处渡槽横断面图

为此，工程人员开展了大型渡槽桥型结构的选型与力学机理研究、渡槽抗震船撞性能分析、渡槽水工模型及冲击性能研究、渡槽防渗及止水伸缩缝等专题研究。以期将本桥建成为一座安全、耐久、美观的世界级水桥，也期待为该种新型水桥设计探索经验。

渡槽水桥侧面日景

（作者单位：安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司)