南水北调中线河北省北段大型渡槽工程设计

南水北调中线河北省北段大型渡槽工程设计

顾辉（水利部河北水利水电勘测设计研究院? 天津 300250）

摘要： 南水北调中线是一项特大型跨流域调水工程， 河北省北段属总干渠的组成部分，总长227.342km ，布置大型河渠交叉建筑物30座，其中大型渡槽工程3座。渡槽工程规模大，结构复杂，技术难度高，上部结构经简支梁、肋拱、双曲拱、箱形拱、桁架拱等多种型式比选并通过三维有限元应力计算及变形分析，拟采用预应力先进技术， 力求受力结构断面经济合理。下部结构分别采用实心墩、空心墩和灌注桩、扩大基础等设计方案，对大直径群桩基础进行数值承载和变形性状分析计算。 关键词：南水北调中线 ； 渡槽工程 ；结构计算

1 工程概况

南水北调中线河北省北段穿越海河流域的子牙河和大清河两大水系大小河流96条，其中流域面积大于20km2的河流22条。总干渠设计渠底高程高出天然河道水位的有放水河、漕河、北易水和北水沟等4条河流，其主要技术特性见表1。

表1 渠底高于河道洪水位的大型交叉建筑物特性表

经方案比选，放水河、漕河和水北沟布置3座渡槽。

2 交叉建筑物型式的确定

2.1 放水河渡槽

放水河河底高程58.8~60.0m，漫滩高出河床1.0~1.5m。建筑物区局部有基岩出露，进口段地基为黄土状壤土, 地基承载力为180kPa 。河床段覆盖厚1.6~7.4m， 下部基岩存在全风化带深槽。总干渠与放水河交叉断面处渠底高出河道校核洪水位0.166~0.657m。经多方案比选采用桥墩式渡槽。

2.2 漕河渡槽

漕河建筑物区地貌形态为河流侵蚀堆积成因的不对称宽谷地貌，河底高程42.1m ，主河槽宽度25～35m ，河床左侧紧靠山体。河床右侧为低漫滩、高漫滩和一二级阶地，阶面高程约45.0～46.0m 。建筑物场区次级构造发育，有两条规模较大的构造破碎带。基岩隐节理发育，有规模不等的溶洞及溶隙。 交

叉断面处总干渠高出河道校核洪水位15.2m ，比河床高20.14m ，且总干渠输水流量远远小于河道行洪流量，具备修建渡槽的条件。

2.3 北易水倒虹吸

北易水河底高程42.1m ，两岸漫滩宽阔，地基履盖层厚度9～18m ，总干渠渠底高出300年一遇洪水位1.18m ，经梁式渡槽、 涵洞式渡槽和倒虹吸方案比

选，确定采用渠道倒虹吸方案。

2.4 水北沟渡槽

水北沟为低山及山前沟谷地形，沟底高程为48m ，沟宽20m 。建筑物区覆盖层厚9~15m， 为黄土状壤土、粘土含碎石及卵石层，下部基岩为白云岩。总

干渠渠底高出河道校核洪水位2.278m ，总干渠输水流量远小于河道行洪流量，具备修建渡槽条件。

3 渡槽工程布置

漕河、放水河、水北沟3座渡槽均由进出口渐变段、进出口闸室段和槽身段组成。

3.1 进出口段布置

进出口渐变段长采用底板与侧墙相互分离的钢筋混凝土结构，侧墙为直线扭曲面。渐变段始端为贴坡式挡墙，末端为重力式挡墙，墙顶高程与总干渠一级马道或堤顶高程相同。

进出口闸室均采用开敞式钢筋混凝土整体结构。闸室孔数与渡槽孔数相同，单孔净宽均为6m ， 墩顶高程与总干渠一级马道或堤顶高程相同。

3.2 渡槽长度的确定

渡槽的长度主要取决于交叉河道主河槽的宽度以及地形、地质条件。

漕河交叉断面附近为非对称河道，左岸河床宽1350m ，底高程42.1~44.5m；右岸一、二阶阶地宽1460m ， 地面高程43~62m。右岸地面高程较低， 总干

渠若采用高填方渠道，地基沉降较大，对工程安全运行不利。 考虑到交叉断面附近地表覆盖层厚度较小，基岩埋深厚7~20m，渡槽下部结构有条件采用端

承桩基础。经地形地质条件综合分析渡槽长度确定为 2300m。

放水河和水北沟为下切式窄深型河道，发生高标准洪水时不出槽，因此渡槽的长度根据河道主河槽宽度确定， 渡槽长度分别为350m 和211m 。

3.3 渡槽过水断面和纵坡的确定

渡槽过水断面和纵坡均通过水力计算确定。渡槽通过设计流量时槽内水流为明渠均匀流，以进出口底板高程确定渡槽的纵坡，通过调整底宽使渡槽总

水头损失与给定的设计水头相一致。槽内过加大流量时，水面线根据明渠非均匀流能量方程，采用分段试算法进行推求， 3座渡槽水力要素见表2。 经两

槽、三槽、四槽不同断面组合的经济比较分析， 确定放水河、漕河和水北沟渡槽的结构断面尺寸分别为4孔6m ×5.1m 、3孔6m ×5.4m 、2孔6m ×4.7m 。

表2 渡槽工程水力要素表

放水河渡槽、水北沟渡槽均为两槽一联的矩形槽结构，设计纵坡分别为1/5000和1/6200。槽身纵向支撑采用预应力混凝土简支多侧墙结构，单孔跨度为20

m 。漕河渡槽采用3槽一联的多侧墙矩形槽结构，设计纵坡1/3900，单孔跨度主河槽段30m ，旱渡槽段20m 。

3.5 上部结构型式比选

漕河渡槽主河槽段由于净空较大，其结构进行了拱式和梁式结构的比选。漕河渡槽旱渡槽段、放水河渡槽和水北沟渡槽槽底净空高度较小，只能采用

梁式结构，故进行了多纵梁矩形槽简支、多侧墙矩形槽简支和简支U 型槽3种结构方案的比较。漕河渡槽主河槽段除上述3种梁式结构方案外， 还进行了上

承式桁架拱和中承式桁架两种拱式结构方案的比较。

多侧墙矩形槽简支结构可利用渡槽的侧墙和中隔墙作为槽身的承重结构，与多纵梁简支结构相比，工程量变化不大，整体承载能力和适用跨度却大大

增加。墙体内增设的预应力钢束既能承担纵向力，又能承担横向剪力。墙体底板整体浇筑，与由多种杆件组成的桁架拱结构相比，其整体性能好、安全可

靠度高。

3.6 下部结构型式选择

根据槽底净空高度和上部槽身的结构型式，进行了实体墩和空心墩两种型式的比较。实体墩墩体强度及稳定性容易满足要求，适用于上部荷载较大、

槽墩较低的情况。空心重力墩外形轮廓尺寸与实体墩基本相同，混凝土用量比实体墩减少。经比较分析，放水河渡槽、水北沟渡槽墩身采用实体墩，漕河

渡槽墩身采用空心墩结构。

渡槽的基础型式依据地质条件和上部结构对地基变形的控制条件，进行了扩大基础和灌注桩两种方案的比较。扩大基础适用于地质条件好，地基承载

力高的渡槽；钻孔灌注桩适用于地质条件较差、地基承载力较低或上部结构荷载较大及对基础变形要求较严的渡槽。经综合比较分析，放水河渡槽、水北

沟渡槽均采用灌注桩基础，漕河渡槽采用灌注桩和扩大基础。

4 矩形渡槽静风荷载计算

3座渡槽均位于太行山北脉左侧，沿线最大风速16～28m/s，多为北或西北风。渡槽处于河谷地带，地表风速大，加上渡槽槽身迎风面较大，风荷载对

结构的影响不可忽视。由于过去对渡槽的抗风问题研究很少，设计中亦无规范可循，在所建渡槽中，有些抗风能力严重不足，遇大风曾出现过倒塌事故。

槽身体形特殊，有别于普通建筑和桥梁。渡槽结构处于高墩之上，槽身内有大量水体，结构头重脚轻，刚度较弱，结构的自振周期较长，若遇较大风荷容

易引起结构振动和失稳。

作用在渡槽上的静风荷载主要由两种类型的参数确定，一种是反映结构物所在场地的风场特性参数，如基本风速（风压）、高度修正系数等；另一种

是反映结构在风场中的受力特性参数等三分力系数，即阻力、升力和扭转力系数， 这类系数与结构的体型有关， 由于渡槽结构体型及特征与桥梁有所不

同。因而渡槽静风荷主要问题归结为三分力系数的确定。

目前虽然在风致破坏的机理分析，风振响应时域和频域计算，结构与流体振荡模态，流——固耦合系统等方面的研究取得一定进展，但对于南水北调

中多槽复杂截面的渡槽，如何计算静风荷载是亟待解决的重大技术问题。

5 结构计算

5.1 槽身内力计算

槽身内力计算采用结构力学法，按平面问题横向、纵向分别计算。横向计算时，底肋支承在侧墙上，横断面为加肋带拉杆的多支座矩形闭合框架。侧

墙按一端简支，一端固结的T 型梁计算，用三边固结，一边简支的板复核。底板是支撑在底肋上的连续板，底板侧墙纵向I 字梁的翼缘，按简支梁计算，纵

向产生的拉应力由底板中的纵向预应力钢绞线来平衡。纵向计算时，侧墙作为简支梁，以横向计算中求出的支座反力作为纵向荷载，按简支受弯构件计算

内力。

在求出梁和边梁的内力后，根据预应力混凝土受弯构件来计算其配筋。承载能力计算时， 要求正截面、斜截面承载力满足要求。 正常使用阶段验算

时，按正截面、斜截面抗裂满足裂缝控制等级为一级。施工阶段进行法向应力验算时， 按施工阶段不允许出现裂缝的构件来控制。

5.2 下部结构计算

渡槽下部结构由重力墩和桩基组成。重力墩型式放水河和水北沟为实体重力墩，漕河为空心重力墩。根据地质资料，桩基采用摩擦桩和端承桩，当地

表有岩石出露时按扩大基础设计。空心重力墩由墩帽和墩身组成，混凝土强度等级为C25。

5.2.1 墩身计算

墩身截面应力按偏心受压公式对墩身两个方向进行弯曲抗压计算，控制最大压应力不超过混凝土允许抗压强度，受拉边不出现裂缝。计算公式如下：

墩身横向 （1）

墩身纵向 （2）

式中 N—验算截面以上垂直力总和（kN ）

A—验算截面面积（m 2）

My—验算截面以上各垂直力和水平力对y 轴力矩之和（kN.m ）

Iy—验算截面y 轴的惯性矩（m4）

Mx—验算截面以上各垂直力和水平力对x 轴矩之和（kN.m ）

Ix—验算截面对x 轴的惯性矩（m4）

b1—验算截面的宽度（m ）

h1—验算截面的长度（m ）

漕河渡槽墩应力计算成果见表3。

表3 漕河渡槽墩应力成果表 单位：

KPa

5.2.2 端承桩承载力计算

端承桩竖向承载力按公式（3）计算：

（3）

式中 [P]—单桩轴向受压允许承载力（kN ）

Rα—天然湿度的岩石单轴极限抗压强度（kPa ）

h—桩嵌入基岩的深度（m ）

U—桩嵌入基岩部分的横截面周长（m ）

A—桩底横截面面积（m2）

C1、C2—根据清空情况、岩石破碎程度等因素而定的系数

桩身混凝土强度按下式进行复核：

式中 —混凝土轴心坑压强度设计值

Q—单桩竖向力设计值

—桩身横截面面积

—工作条件系数

计算结果，漕河渡槽单桩承载力13253.6kN 。20 m跨每个墩身总竖向荷载为100169.0 kN，需要布置8根桩；30m 跨段墩身总竖向荷载为157815.0kN ，需

要布置12根桩。

5.2.3 摩擦桩承载力计算

摩擦桩竖向承载力按公式（4）计算

式中 U—桩周长 （4）

l—桩在冲刷线以下的有效长度

A—桩底截面面积

τp —桩壁土的平均极限摩擦阻力

—桩尖处土的极限承载力，按公式（5）计算

（5）

式中 m0—清底系数

—修正系数

—桩尖处土的容许承载力

k2—桩尖处土的容许承载力随深度的修正系数

r2—桩尖以上土的容重

漕河渡槽26#墩身总竖向荷载为90054.8 kN，单桩摩擦桩竖向承载力为5797.1 kN，需要布置17根桩，桩长38m 。33#墩身竖向荷载为100979.1kN ，单桩

竖向承载力为5238.1kN ，需要布置20根桩，桩长45m 。

5.2.4 扩大基础计算

扩大基础的计算考虑上部结构重量及墩身重量，按偏心受压计算基底应力。基底的地基应力按材料力学偏心受压公式计算, 计算公式同 （1）、（2）

式。

计算结果，漕河渡槽76#、77#墩，满槽水工况

。

5.3 墩台沉降计算

端承桩基础的桩底嵌入岩石中，其沉降量为混凝土的弹性压缩量，按公式（6）计算

式中 s—沉降量

P—作用在压缩截面的垂直力

L—压缩截面的计算长度

E—混凝土的弹性模量

A—压缩截面面积

计算结果，漕河渡槽桩底嵌入风化白云岩中0.5m ，20m 跨沉降量s=11.0mm，30m 跨沉降量s=13.2mm。 （6） 施工工况

，

摩擦桩沉降量采用等效作用分层总和法计算。桩基内任意点的最终沉降量可用角点法按公式（7）计算

式中 s—桩基最终沉降量（mm ）

（7）

—按分层总和法计算出的桩基沉降量（mm ）

—桩基沉降计算经验系数

Esi—等效作用底面以下底i 层的压缩模量

zij、z(i-1)j—桩端平面第j 块荷载至第i 层土、第i-1层底面的距离（m ）

aij、a(I-1)j—桩端平面第j 块荷载计算点至第I 层土、第i-1层底面深度范围内平均附加应力系数

—桩基等效沉降系数

计算结果，漕河渡槽26#承台沉降量为17.5mm ＜100mm ，33#承台沉降量为20.6mm

6 渡槽的抗震分析

3座渡槽工程位于地震基本烈度Ⅵ度和Ⅶ度区， 地震动峰值加速度分别为0.05g 、0.10g 和0.15g 。对于大型渡槽的抗震设计计算, 目前尚没有成熟的方

法。渡槽抗震分析比较突出的问题是槽内水体与槽壁的动力相互作用、支座的简化及桩、土和桩与结构的动力相互等作用等问题。采用有限元法，对静力

问题按下式计算

式中 K—总体刚度矩阵

U—结点位移向量

F—右端力向量

对于考虑地震作用的动力问题

（8） （9）

式中 M、C 、K —总体质量矩阵、总体阻尼矩阵和总体刚度矩阵

、、U —节点加速度向量、节点速度向量和节点位移向量

Ag—地面运动的加速度

静力分析时，考虑自重和水荷载的作用。预应力钢筋作为受压荷载处理。动力分析用反应谱的振型叠加法获得综合应力，最后通过动力反应的位移、

应力等评价渡槽结构的抗震安全度并采用抗震措施。