渡槽

摘要渡槽又称高架渠、输水桥,是输送水流跨越渠道、河流、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物。当挖方渠道与冲沟相交时,为避免山洪及泥沙入渠,还可在渠道上面修建排洪渡槽,用来排泄冲沟来水及泥沙。 渡槽一般适用于渠道跨越深宽河谷且洪水流量较大、渠道跨越广阔滩地或洼地等情况。它比倒虹吸管水头损...

渡槽

渡槽又称高架渠、输水桥,是输送水流跨越渠道、河流、道路、山冲、谷口等的架空输水建筑物。当挖方渠道与冲沟相交时,为避免山洪及泥沙入渠,还可在渠道上面修建排洪渡槽,用来排泄冲沟来水及泥沙。

渡槽一般适用于渠道跨越深宽河谷且洪水流量较大、渠道跨越广阔滩地或洼地等情况。它比倒虹吸管水头损失小,便利通航,管理运用方便,是交叉建筑物中采用最多的一种形式。

渡槽组成

渡槽由槽身、支承结构、基础、进口建筑物及出口建筑物等部分组成。槽身置于支承结构上,槽身重及槽中水重通过支承结构传给基础,再传至地基。

渡槽类型

渡槽的类型一般是指输水槽身及其支承结构的类型。槽身及支承结构的类型各式各样,所用材料又有所不同,施工方法也各异,因而分类方式就很多。

按施工方法分,有现浇整体式渡槽、预制装配式渡槽、预应力渡槽等。

按所用材料分,有木渡槽、砌石渡槽、混凝土渡槽、钢筋混凝土渡槽等。

按槽身断面分,有矩形槽、U形槽、梯形槽、圆管形槽等,通常用的是前两种。

按支承结构形式分,有梁式渡槽拱式渡槽、桁架式渡槽、组合式渡槽、悬吊式渡槽、斜拉式渡槽等,其中常用的是前两类。

上述分类方法中,能反映渡槽的结构特点、受力状态、荷载传递方式、结构计算方法区别的是按支承结构形式分类。

(一)梁式渡槽

梁式渡槽槽身置于槽墩或排架上,其纵向受力和梁相同,故称梁式渡槽。槽身在纵向均匀荷载作用下,一部分受压,一部分受拉,故常采用钢筋混凝土结构。为了节约钢筋和水泥用量,还可采用预应力钢筋混凝土及钢丝网水泥结构,跨度较小的槽身也可用混凝土建造。

梁式渡槽的槽身根据其支承位置的不同,可分为简支梁式、双悬臂梁式、单悬臂梁式三种形式。

简支梁式渡槽的优点是结构简单,施工吊装方便,接缝处止水构造简单。缺点是跨中弯矩较大,底板受拉,对抗裂防渗不利。常用跨度是8~15m,其经济跨度大约为墩架高度的0.8~1.2倍。

双悬臂梁式渡槽根据其悬臂长度的不同,又可分为等跨双悬臂式和等弯矩双悬臂式。等跨双悬臂式(a=0.25L,a为悬臂长度,L为每节槽身总长度),在纵向受力时,其跨中弯矩为零,底板承受压力,有利于抗渗。等弯矩双悬臂式(a=0.207L),跨中弯矩与支座弯矩相等,结构受力合理,但需上下配置受力筋及构造筋,总配筋量常大于等跨双悬臂式,不一定经济,且由于跨度不等,对墩架工作不利,故应用不多。双悬臂梁式渡槽因跨中弯矩较简支梁小,每节槽身长度可为25~40m,但其重量大,整体预制吊装困难,当悬臂顶端变形或地基产生不均匀沉陷时,接缝处止水容易被拉裂。

单悬臂梁式渡槽一般用在靠近两岸的槽身或双悬臂式向简支梁式过渡时采用。

(二)拱式渡槽

槽身置于拱式支承结构上的渡槽,称为拱式渡槽。拱式渡槽的主要承重结构是拱圈。槽身通过拱上结构将荷载传给拱圈,它的两端支承在槽墩或槽台上。拱圈的受力特点是承受以压力为主的内力,故可应用石料或混凝土建造,并可用于较大的跨度。但拱圈对支座的变形要求严格,对于跨度较大的拱式渡槽应建筑在比较坚固的岩石地基上。

拱式渡槽按材料可分为砌石拱式渡槽、混凝土拱式渡槽和钢筋混凝土拱式渡槽等;按照主拱圈的结构形式则可分为板拱拱式渡槽、肋拱拱式渡槽和双曲拱拱式渡槽等。

石拱渡槽的主拱圈为实体的矩形截面的板拱,一般用粗料石砌筑。其优点是就地取材,节省钢筋,结构简单,便于施工;缺点是自重大,对地基要求高,施工时需较多木料搭设拱架。

渡槽总体布置

渡槽总体布置的主要内容包括槽址选择、渡槽选型、进出口段布置和基础布置。

渡槽总体布置的基本要求是:流量、水位满足灌区需要;槽身长度短,基础、岸坡稳定,结构选型合理;进出口顺直通畅,避免填方接头;少占农田,交通方便,就地取材等。

总体布置的步骤,一般是先根据规划阶段初选槽址和设计任务,在一定范围内进行调查和勘探工作,取得较为全面的地形、地质、水文气象、建筑材料、交通要求、施工条件、运用管理要求等基本资料,然后在全面分析基本资料的基础上,按照总体布置的基本要求,提出几个布置方案,经过技术经济比较,选择最优方案。

(一)槽址选择

选择槽址时,一般需考虑以下几个方面。

(1)应结合渠道线路布置,尽量利用有利的地形、地质条件,以便缩短槽身长度,减少基础工程量,降低墩架高度。

(2)槽轴线力求短直,进出口要避免急转弯并力求布置在挖方渠道上。

(3)跨越河流的渡槽,槽轴线应与河道水流方向正交,槽址应位于河床及岸坡稳定、水流顺直的地段,避免选在河流转弯处。

(4)少占耕地,少拆迁民房,并尽可能有较宽敞的施工场地,争取靠近建筑材料产地,以便就地取材。

(5)交通方便,水电供应条件较好,有利于管理维修。

(二)渡槽选型

长度不大的中、小型渡槽,可采用一种类型的单跨或等跨渡槽。对于地形、地质条件复杂而长度较大的大、中型渡槽,可根据具体情况,选用一种或两种类型和不同跨度的布置方式,但变化不宜过多,否则将增加施工难度和影响槽墩受力状况。具体选择渡槽形式时,主要应考虑以下几个方面。

1.地形、地质条件

地形平坦、槽高不大时,一般采用梁式渡槽,施工与吊装均比较方便;对于窄深的山谷地形,当两岸地质条件较好,有足够的强度与稳定性时,宜建大跨度拱式渡槽,避免很高的中间墩架;地形、地质条件比较复杂时,应作具体分析。例如,跨越河道的渡槽,当河道水深流急、槽底距河床高度大、水下施工较困难,而滩地部分槽底距地面不高且渡槽较长时,可在河床部分采用大跨度的拱式渡槽,在滩地采用梁式或中、小跨度的拱式渡槽,当地基承载能力较低时,可采用轻型结构的渡槽。

2.建筑材料

建筑材料方面,应贯彻就地取材和因材设计的原则,结合地形地质及施工等其他条件,采用经济合理的结构形式。

3.施工条件

应尽可能采用用预制构件进行装配的结构形式,以加快施工速度,节省劳力。同一渠系有几个渡槽时,应尽量采用同一种结构形式。

(三)进出口段布置

为了使渠道水流平顺地进入渡槽,避免冲刷和减小水头损失,布置渡槽的进出口段时,应注意以下几个方面。

(1)进出口前后的渠道上应有一定长度的直线段。渡槽进出口渠道的直线段与槽身连接,在平面布置上要避免急剧转弯,防止水流条件恶化,影响正常输水,造成冲刷现象,对于流量较大、坡度较陡的渡槽,尤其要注意这一问题。

(2)设置渐变段。渠道与渡槽的过水断面,在形状和尺寸上均不相同,为使水流平顺衔接,渡槽进出口均需设置渐变段。渐变段的形状以扭曲面形式水流条件较好,应用较多。

(3)设置护底与护坡,防止冲刷。

(四)基础布置

渡槽基础的类型较多,根据埋置深度可分为浅基础深基础,埋置深度小于5m时为浅基础,大于5m时为深基础。应结合渡槽形式选定基础结构的形式,基础结构的布置尺寸需在槽墩或槽架布置的基础上确定。

对于浅基础,基底面高程(或埋置深度)应根据地形、地质等条件选定。对于冰冻地区,基底面埋入冰冻层以下不少于0.3m,以免因冰冻而降低地基承载力。耕作地内的基础,基顶面以上至少要留有0.5~0.8m的覆盖层,以利耕作。软弱地基上基础埋置深度一般在1.5~2.0m左右,如果地基的允许承载力较低时,可采取增加埋深或加大基底面尺寸的办法以满足地基承载力的要求。当上层地基土的承载能力大于下层时,宜利用上层土作持力层,但基底面以下的持力层厚度应不小于1.0m。坡地上的基础,基底面应全部置于稳定坡线之下,并应削除不稳定的坡土和岩石以保证工程的安全。河槽中受到水流冲刷的基础,基顶面应埋入最大冲刷深度之下,以免基底受到淘刷危及工程的安全。对于深基础,计算的入土深度应从稳定坡线、耕作层深、最大冲刷深度等处算起,以确保深基础的承载能力。

渡槽水力计算

渡槽水力计算的目的就是确定渡槽底纵坡、横断面尺寸和进出口高程,校核水头损失是否满足渠系规划要求。

渡槽的水力计算是在槽址中心线及槽身起止点位置选择的基础上进行的,所以上、下游渠道的断面尺寸、通过各级流量时的水深、渠底高程和允许水头损失均为已知。计算时,一般按通过最大流量来拟定槽身的纵坡、净宽和净深,然后按通过设计流量计算水流通过渡槽的总水头损失值ΔZ,如ΔZ等于或略小于规划定出的允许水头损失,则可最后确定纵坡、净宽和净深值,进而定出有关高程。

(一)槽身断面尺寸的确定

槽身过水断面尺寸,一般依据渡槽的最大流量按照水力学公式进行计算。当槽身长度L大于15~20倍的水深h时,按明渠均匀流公式计算;当L小于15~20倍水深时,按淹没宽顶堰公式计算。

(二)渡槽纵坡i的确定

进行渡槽的水力计算,首先要确定渡槽纵坡。在相同的流量下,纵坡i大,过水断面就小,渡槽造价低;但i大,水头损失大,减少了下游自流灌溉面积,满足不了渠系规划要求,同时由于流速大可能引起出口渠道的冲刷。因此,确定一个适宜的底坡,使其既能满足渠系规划允许的水头损失,又能降低工程造价,常常需要试算。一般常采用i=1/500~1/1500,槽内流速1~2m/s,对于通航的渡槽,要求流速在1.5m/s以内,底坡小于1/2000。

(三)水头损失的计算

水流经过渡槽进口段时,随着过水断面的减小,流速逐渐加大,水流位能一部分转化为动能,另一部分因水流收缩而产生水头损失,因此进口段将产生水面降落z;水流进入槽身后,基本保持均匀流,沿程水头损失值z1=iL;水流经过出口段时,随着过水断面增大,流速逐渐减小,水流动能因扩散而损失一部分,另一部分则转化为位能,而使出口水面回升z2,从而与下游渠道相衔接。

渡槽过水能力

为了提高渡槽的过水能力,除应经常清理进出口和槽身内的淤积和漂浮物,确保通畅外,一般还可采取以下措施。

(1)减少过水断面的糙率。特别是槽身为砌石时,可以采用水泥砂浆材料抹面,以达到增加过水能力的要求。

(2)加大过水断面面积。加高加宽过水断面,应在确保基础和支承结构稳定的条件下进行,否则要先对其加固。对砌石渡槽,可以采用拆除原砌石槽壁,改换混凝土或钢筋混凝土结构的方法,这样不但加大了过水断面,而且减轻了上部重量,从而减少了因加大断面面积带来的不利影响。

(3)调整渡槽上、下游比降。可以通过改变渡槽上、下游渠道比降的方法,使渡槽进口水位抬高,出口水位降低,加大其水面比降,提高过水能力。

(4)调整槽身比降或调换槽身形式。对于小型预制钢筋混凝土管式、U形或钢丝网水泥薄壳渡槽,因其重量较轻,可以采用这种方法来加大过水能力。

渡槽漏水处理

由于槽身裂缝、接缝损坏、砌筑砂浆不饱满等导致的渡槽漏水是较为普遍的一个问题。对于一般非受力裂缝及其漏水的处理,多采用表面涂抹、凿槽嵌补、环氧基液粘贴橡皮或玻璃丝布等方法。对于影响结构安全的受力裂缝,应采取专门的措施。

因渡槽接缝损坏而产生漏水,一般应进行接缝止水处理,方法较多,如橡皮压板式止水、套环填料式止水、粘贴橡皮或玻璃丝布止水等,目前,使用较多的是填料式和粘贴式止水。

1.胶泥止水

这种方法是在缝隙中先做好内模和外模,然后将事先调整好的胶泥慢慢加温塑化再向由内外模构成的套环中灌注而成,属于套环填料式。具体步骤如下。

(1)配料。胶泥的配制,应按实际工程情况选择适宜的配合比,如工程胶泥的配合比(重量比)为:煤焦油100、聚氯乙烯12.5、邻苯二甲酸二丁酯10、硬酯酸钙0.5、滑石粉25。胶泥配制好后,应进行黏结强度试验,方法是在黏结面先涂一层冷底子油(煤焦油∶甲苯=1∶4),黏结强度可达140kPa,若不涂冷底子油可达120kPa,然后,将试件做弯曲90°和180°试验,如弯曲时未产生破坏,则能满足使用要求。

(2)做内模和外模。对于接缝间隙在3~8cm的情况,可先用水泥纸袋卷成圆柱状塞入接缝内,在缝的外壁抹一层2~3cm厚的水泥砂浆,标号为M10,作为灌注胶泥的外模。待3~5d以后,取出纸卷,将缝内清扫干净,并在缝的内壁嵌入1cm厚的木条,用黏泥抹好缝隙作为内模。

(3)灌注。将配制好的胶泥慢慢加温,要求最高温不超过140℃,最低不低于110℃,等胶泥充分塑化后,即可向环形模内灌注。对于U形槽身的接缝,可一次灌注完成;对于尺寸较大的矩形槽身,可采取两次灌注完成。注意灌注时,应排出缝槽内的空气。

2.油膏止水

这是一种较为简便的方法,一般在缝内灌填油膏而成,为使其止水可靠,应在其表面粘贴玻璃丝布或橡皮,由于该法费用少,效果较好,故应用较广泛。其施工程序如下。

(1)接缝处理。接缝内要求清理干净,保持干燥状态。

(2)油膏预热熔化。预热熔化的温度应保持在120℃左右,一般是采取间接加温的方式进行。

(3)灌注。油膏灌注之前,应先在缝内填塞一定的物料,如水泥袋纸,并预留约3cm的灌注深度,然后灌入预热熔化的油膏。为使其粘贴紧密,应边灌边用竹片将油膏同混凝土面反复揉擦,当灌至缝口时,要用皮刷刷齐。

(4)粘贴玻璃丝布。先在粘贴的混凝土表面刷一层热油膏,将预先剪好的玻璃丝布贴上,再刷一层油膏并粘贴一层玻璃丝布,最后再涂刷一层油膏,这就构成了两布三油封面,施工时应注意粘贴质量,使其粘贴牢靠。

3.木屑水泥止水

在接缝中堵塞木屑水泥作为止水材料,该法施工简单,造价低廉,特别适用于小型工程。为了提高止漏效果,一般工程中多配合其他方法使用。

渡槽加固处理

渡槽由于基础沉陷、支墩变形等原因,将影响渡槽的正常运用,甚至造成失稳垮塌现象,为此,应对其进行加固处理,下面主要介绍支墩的加固处理和基础沉陷的加固处理。

1.支墩的加固处理

支墩的加固处理方法较多,对于连拱式渡槽,任一跨连拱失稳,都会使其他拱跨连锁破坏,对支墩进行加固,或隔若干跨加固一支墩,可以防止一跨拱的失稳而引起其他拱跨的全部破坏。其处理方法,可采用槽墩双侧加设斜支撑或加大支墩断面尺寸的方法予以加固。

当连拱式渡槽的个别拱圈发现有异常现象时,如产生较大的开裂等,应立即在该跨内的底部采取支承保护措施,如采用浆砌块石支顶,也可以采用木排架或钢质排架,以防止发生失稳破坏。

2.基础沉陷的加固处理

地基的下沉将引起支墩基础的沉陷,加固地基或基础方法较多,如扩大基础法,基础恢复原位法、增补桩基法、砂桩法、灌浆法等。

(1)扩大基础法。将墩底基础的底面积扩大,以减少对地基的单位压力。这种立法可用于基础承载力不足,或埋设较浅而墩台是砖石或混凝土刚性实体式基础,特别是沉陷量不太大,对渡槽的运用影响较小的情况。

(2)基础复原法。对沉陷量大,严重影响正常运用时,可设法将基础恢复原位,如采用扩大基础,并顶回原位的处理措施。先是将基础周围的填土挖除,再用混凝土浇筑底板及支承体,等混凝土达到设计强度以后,在底板和支承体之间安设若干个千斤顶,将槽墩顶起至原来位置,再用混凝土填实千斤顶两侧空间,混凝土达到设计强度后,可取出千斤顶,并用混凝土回填密实,最后用回填灌浆法填实原基底的空隙。

(3)增补桩基法。对于原为桩基式基础,可以在基础周围增补钻孔桩或新打入钢筋混凝土预制桩,并对原承台进行扩大,从而提高基础的承载能力,增加基础稳定性。为了提高加固效果,施工时应处理好新老承台的结合面,起到共同承担荷载的作用。

(4)砂桩法。当地基软弱层较厚时,采用砂桩法可以改善地基的承载能力,达到加固的目的。施工特点是将钢管或木桩先打入基础周围的软弱土层中,到达预定深度后,将打入桩拔出,然后向孔内灌入经过干燥的粗砂,并进行掏实处理而成为砂桩。砂桩可以提高土的密实度,对软弱地基处理效果较好。

(5)灌浆法。该法通过向基础底部的地基钻孔、灌浆来加固地基,以提高地基承载能力。加固施工时,在墩台基础之下的中心处直向或斜向钻孔或打入管桩,通过孔眼或管孔采用适当的压力向土层内灌注浆液,待浆液凝固以后,原来松散的土体固结,其强度和抗渗能力将提高,对岩石的裂隙进行灌浆堵塞可显著提高地基承载力。灌浆的材料应视地基决定,如黏土浆、水泥浆等。

渡槽荷载及组合

作用于渡槽上的荷载有结构自重及槽中水体的重量、土压力、风压力、动水压力及飘浮物的撞击力、温度变化及混凝土收缩与徐变引起的力、地震力、人群荷载及施工吊装的动力荷载等。对于中小型渡槽一般不考虑地震力。

渡槽设计时的荷载组合可根据施工、运用及检修情况,采用如下两种组合:①基本组合(设计条件):包括经常起作用的及运用期间不定期出现的荷载;②特殊组合(校核条件):除经常起作用的荷载外,还包括偶然起作用的荷载或罕见的荷载。施工、检修时的荷载按特殊组合考虑。

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