第25卷第2期人民黄河Vol.25,No.2 2003年2月YELLOW RIVER Feb.,2003=水利水电工程>南水北调中线穿黄工程渡槽设计研究吴长征,张治平,阎红梅(黄河水利委员会勘测规划设计研究院,河南郑州450003)摘要:根据南水北调中线穿黄河段的地形地质条件、黄河的洪水泥沙特性和穿黄工程规模大、技术复杂的特点,进行了多种方案的研究比较,推荐采用三向预应力矩形薄腹梁渡槽,下部结构为柱式墩、混凝土灌注桩基础。
经过较全面的计算分析研究,渡槽能够满足各种可能条件下的施工和安全运行要求。
关键词:设计;渡槽;穿黄工程;南水北调中线工程中图分类号:TV672文献标识码:B文章编号:1000-1379(2003)02-0042-021工程概况南水北调中线工程从丹江口水库陶岔渠首引水,横跨长江、淮河、黄河、海河四大流域,终点到北京团城湖,线路总长1267km。
渠首引水流量500~630m3/s,年调水量120亿~140亿m3。
主要供京、津、冀、豫4省(市)京广铁路沿线地区城市生活、工业和环境用水。
中线穿黄渡槽是中线调水线路中规模最大、技术最复杂的交叉建筑物。
该工程位于郑州黄河京广铁桥以西30k m处的孤柏嘴河段,南岸在孤柏嘴上游约2km,北岸位于河南温县陈家沟村西。
渡槽设计流量440m3/s,加大设计流量500m3/s。
渡槽工程自南岸起点至北岸终点全长19.3km,涉及的主要建筑物有跨黄河渡槽,进口节制闸、退水闸,出口检修闸,南、北岸连接渠道,新、老蟒河交叉建筑物等。
跨黄河渡槽长度为3.5km,靠南岸山湾布置。
目前穿黄渡槽的初步设计工作已基本完成,除设计报告外,还提出了近30个专题科研报告。
先后组织了多次有水利、交通、科研院所和高校等专家学者参加的技术咨询会和座谈会,对渡槽设计中的关键技术问题进行研究咨询。
本文重点介绍穿黄渡槽方案的设计研究情况。
2穿黄渡槽设计2.1设计标准和依据中线工程属特大型跨流域调水工程,工程等级为大(Ñ)型。
穿黄渡槽是中线工程上最关键的交叉建筑物,建筑物级别为一级。
根据5防洪标准6(GB50201-94),考虑中线穿黄工程的重要性和黄河洪水泥沙的复杂性,经论证确定穿黄渡槽设计洪水标准为300年一遇,校核洪水标准为1000年一遇。
穿黄渡槽设计地震加速度概率取基准期50年内超越概率的5%。
2.2地质条件根据对孤柏嘴河段多条穿黄线路的比较,考虑穿黄工程对黄河河势的影响及工程布置等因素,选定李村)陈家沟线作为穿黄渡槽线路。
该处黄河河床宽度9.9km,河槽高程98~100 m,滩地高程102~103m。
南岸邙山顶面高程约180m,北岸青风岭岗地高程约112m。
黄河北岸滩地上有新、老蟒河,河槽宽分别为40~50m及10~20m。
河床覆盖层主要为第四系全新统冲积层(alQ4)、上更新统冲积层(alQ3)和中更新统冲洪积层(al+plQ2)。
下伏基岩为上第三系(N)黏土岩、砂岩等。
Q4地层主要分布于河床及漫滩,岩性为砂壤土、壤土、粉砂、细砂、中砂等,总厚度7~37m。
该层与下部Q2地层间断续分布有一层厚度为0.5~5m的泥砾层。
Q3地层主要分布于邙山、青风岭一带及北岸漫滩Q4地层之下。
在南岸邙山一带,该层厚55~70m,为黄土状粉质壤土,含少量钙质结核。
在北岸青风岭一带,该层厚达90~100m,其上部10~20m为黄土状粉质壤土,下部主要为细砂、中砂及砂砾石层。
Q2地层主要分布于南岸邙山及河槽上部覆盖层之下,其顶面高程及层厚均变化较大。
在渡槽起点附近顶面高程为110m 左右,厚约70m,岩性以粉质壤土为主夹6~7层粉质黏土。
该层中普遍含有粒径1~8cm的钙质结核。
第三系地层(N),沿渡槽轴线顶面高程变化较大,河床下埋深40~60m。
主要为河湖相沉积的黏土岩、砂岩等,固结成岩程度低,属软岩。
工程区地震基本烈度为7度。
穿黄渡槽设计地震基准期50年内超越概率5%的基岩水平加速度峰值为0.158 。
2.3渡槽结构形式研究在穿黄渡槽设计中,根据已有工程资料和近几年水电、桥梁工程中运用的新技术、新工艺,拟定了十几种不同结构类型、不同材料、不同断面形式、不同跨度的渡槽方案。
经过初步计收稿日期:2002-10-16作者简介:吴长征(1958-),男,河南柘城人,高级工程师。
算分析,选出8种(拱组合梁渡槽、中承式拱渡槽、钢桁架渡槽、刚构渡槽、箱形梁渡槽、U 形渡槽、矩形薄腹梁渡槽和工字梁渡槽)做进一步的计算分析比较,最后推荐矩形薄腹梁渡槽作为穿黄渡槽的代表方案。
矩形薄腹梁渡槽槽身结构为简支三向预应力混凝土薄腹梁矩型槽,单孔跨度为50m,共70跨,总长3.5km 。
采用双槽过水,单槽过流量250m 3/s 。
渡槽进口底板高程112.12m,槽底板纵坡1/964。
槽身过水断面宽11m,水深5.01m,槽内平均流速4.54m/s 。
渡槽下部结构,单槽采用双柱墩,灌注桩基础。
柱墩外径4.5m,最大墩高约11m,承台厚3m,承台下布置2@4根钻孔灌注桩,桩径2m,桩长60~70m 。
槽身及基础布置见图1。
图1 槽身及基础布置 (单位:mm)该渡槽结构的主要优点是:结构简单,受力明确,整体性及抗震性能好;结构既挡水又承重,占用的有效水头小,节约水头;设计、施工技术成熟,简便易行;渡槽为三向预应力结构,结构耐久性较好;工程造价较低。
2.4 渡槽结构设计渡槽结构的设计具有桥梁和水工建筑物的双重特点。
作为桥跨结构,穿黄渡槽承担的荷载巨大,仅自重和水重引起的线荷载就有1000kN/m 以上,数倍于铁路桥梁;作为输水的水工建筑物,槽身长期与水接触,运行环境较为特殊。
因此,要保证工程的安全运行,渡槽设计需考虑到渡槽在施工及运用的各种条件。
根据渡槽的运行环境、工程的重要性和渡槽的预应力混凝土结构特点,确定渡槽上部结构为严格要求不出现裂缝的构件,裂缝控制标准为一级,构件受拉边缘混凝土不应出现拉应力。
在结构设计中,槽身结构主要进行了以下分析计算工作:¹渡槽结构平面分析,将渡槽分为纵向和横向平面,用结构力学法进行内力计算,并分三向进行预应力配筋计算及抗裂验算;º槽身整体稳定分析及薄腹梁的侧向稳定分析;»三维有限元的静力和动力计算,分析槽身结构在静力及地震情况下空间的应力、位移情况,对槽身结构的抗裂和抗震性能进行安全评估;¼各种温度工况下的温度变化对结构的影响分析;½支座、止水等细部结构设计等。
通过以上计算分析,槽身结构在最不利荷载组合工况下,产生的最大压应力13.59MPa,最大拉应力1.11MPa,最大剪应力2.87MPa,最大位移幅值35.3mm,支座最大动位移差3.5mm 。
结果表明,槽身结构能够满足规范要求的抗裂、抗震、耐久性等要求。
在渡槽下部结构设计中,由于地基覆盖层厚,基岩为软岩,因此桩基按摩擦桩设计,并考虑黄河洪水对槽墩产生局部冲刷深坑的影响。
另外,高桩承台地震影响大,下部结构抗震设计尤为重要。
主要计算分析工作有:桩基承载能力及桩群效应影响分析、结构内力及配筋计算、三维有限元静力动力分析、温度变化影响分析、槽台结构计算等。
渡槽下部结构,槽墩、承台、台帽为大体积混凝土,计算结果均为构造配筋;混凝土灌注桩最大内力发生在桩顶部位,计算配筋率为0.1%,表明桩基满足设计强度要求。
通过大量的上部槽身和下部墩台、桩基的研究工作表明,矩形薄腹梁渡槽能够满足各种可能条件下的安全运行要求。
3 渡槽施工穿黄工程施工度汛标准为20年一遇,相应洪峰流量为12100m 3/s 。
施工条件(对外交通、供水、供电、建筑材料等)比较好。
施工方法上,在黄河主河槽段采用钢桁架施工栈桥;滩地段采用筑岛平台和干地施工。
渡槽下部结构施工与一般桥梁结构相同,其施工技术在国内比较成熟。
渡槽槽身施工,由于其自重大,整体预制吊装困难,因此宜采用现场浇注施工方法。
目前国内成熟的技术有满堂红支架法,采用该方法北岸滩地施工条件较好,但黄河主河槽段施工难度较大,因此推荐采用移动式支架法施工。
该方法的支架移动、模板架立、钢筋绑扎、混凝土浇注、预应力张拉均在槽墩顶上进行,不受地面条件的限制,另外施工自动化程度高、速度快、施工质量好。
目前在国内桥梁和渡槽工程施工中,移动式支架法已有成熟经验。
如南京长江二桥,桥跨50m,桥面宽16m,单跨桥梁自重1500t,平均每9天施工完成一跨;东江)深圳供水工程中的金湖渡渡槽也采用该方法施工,收到良好的效果。
4 结 语由于南水北调中线穿黄工程比较重要,因此得到了有关领导和主管部门的高度重视。
对于穿黄工程是采用渡槽或是隧洞方案,也引起了国内、外有关专家的关注。
经过多年工作,两种结构的设计都已达到初步设计的深度,两种方案技术上都是可行的。
目前,仍在做进一步的优化设计工作,力争为南水北调中线工程早日开工打下坚实的基础。
=责任编辑 王 琦>#43# 第2期 吴长征等:南水北调中线穿黄工程渡槽设计研究AbstractsStudy on the Technology of F ramework and Platform of 0A Digital Yellow River 0Established on GridHUANG Yu-qi,W ANG Gang,LIANG Jian-hui (Chief Engineers .Administration Office,Yellow River Conservancy Commission,Zhengzhou,Henan,450003)(2),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Grid is a set of new and developing technology built on Internet.The paper puts for ward building 0A Digital Yellow Riv -er 0information grid system based on open grid service syste m (OGSA)and framework structure.It will be used as the basis of an application layer of 0A Digital Yellow River 0project to realize high sharing of various resources,information real time pro -cessing and better environment of man-machine interaction and program development.It will meet the demands of for ward building of 0A Digital Yellow River 0project,i.e.storage,manage ment and share of a vast amount of information;network information processing;reuse of function and inter-operation of distributed objects.Key words:grid,network,0A Digital Yellow River 0Approach to Issues on Inland W aters of the Yellow RiverZHANG Ting (Reconnaissance,Planning,Design and Research Institute of YRCC,Zhengzhou,Henan,450003)(15),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,The inland waters should be divided into two categories.One is that the surface water has nothing to do with the Yellow River and its tributaries,but the ground water relates to the Yellow River.Another is that both surface water and ground water all have nothing to do with the Yellow River and its tributaries.It suggests na ming the first cate gory as inland surface waters and the second as an enclosed basin.The inland waters of the Yellow River basin belongs to the first cate gory and should be delimited into the Yellow River basin.At present,the overexploitation of ground water has severely effected the surface water resources.Therefore,it should strengthen the study on ground water resources.Key words:inland waters,enclosed basin,surface water,ground water,the Yellow River basinEffects of Plateau Geological Environment on Sediment of the Middle Yellow RiverSUN Xu-jin,YIN Shu-hua,TI AN Wei-bin (North China Hydraulic and Hydro -Electric Institute,Zhengzhou,Henan,450008)(29),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I t studies the mechanics nature of loess accumula tion,structure features and basic reason of erosion of the plateau located on the middle Yellow River from engineering geologic point of vie w and based on the analysis of topography,landforms,geo -logical structure,lithologic feature and hydrogeologic condition of the plateau.The sharp increase of sediment at the middle reaches of the Yellow River has various reasons.It not only disturbed and destroyed environment by humanity,but also mostly the results of a comprehensive ac tion of complicated geological structure,particular rock stratum beha vior and dry climate con -ditions.Key words:soil and water loss,geologic environment,aeolian loess layer,the middle reaches region of the Yellow River Design and Study on Aqueduct of Middle Route of Cross the Yellow River W ork of Water Transfer Project from South to NorthW U Chang-zheng,ZHANG Zhi-ping,YAN Hong-mei (Reconnaissance,Planning,Design and Research Institute of YRCC,Zhengzhou,Henan,450003)(42),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,According to the characteristics of topographic and geological conditions of the section where the middle route of the Water Transfer Project from South to North will cross through,the charac teristics of floods and sediment of the Yellow River,a grand scale and complicated in technology,the paper recommends and adopts a plan of three-dimensional pre-stress rectangular aqueduct with thin and narrow beams after studying and comparing many scenarios.The lo wer part structure of the plan is co-l umn pier and grouted conc rete foundation.After calculation,analysis and study in an all-round way,it shows that the aque -duct can meet the require ments of construction and safe operation under any possible conditions.Key words:study,aqueduct,middle route of cross the Yellow River work of Water Transfer Project form South to North=翻译 郝凤华>YE LLOW RI VER 2003 Vol.25 No.2。