第二节　渡槽选型

一、渡槽形式选择

跨河渡槽形式一般分为涵洞式渡槽和梁式渡槽，涵洞式渡槽下部涵洞孔径一般较小，对河道水位影响较大，适应于河道水深不大，壅高水位后对上游影响不大的河道；梁式渡槽跨度较大，一般对河道水位影响不大，但要求槽底距河道水位间有较大净空。

（一）跨沙河、大浪河渡槽形式

1.河渠水位相对关系分析

根据沙河渡槽段线路布置，沙河渡槽工程长9050m，此段总干渠设计水位132.261～130.491m，渠底高程125.261～123.491m，两条河道洪水位分别为：沙河100年一遇水位120.84m，300年一遇水位121.23m；大浪河100年一遇水位为120.36m，300年一遇水位120.75m；低于总干渠渠底4.424～4.031m，净空较大，满足采用梁式渡槽的条件。

2.流量关系分析

总干渠设计流量320m3/s，三条河道中最大的沙河100年一遇洪水流量为8190m3/s，跨河渡槽符合“小穿大”原则。

3.地形条件及防洪安全性分析

该段沙河Ⅰ级阶地高程118.00m左右，低于总干渠渠底7m多，从工程运行安全方面考虑，总干渠在该段宜采用梁式渡槽形式。

综合分析，确定沙河、大浪河的交叉建筑物采用梁式渡槽。

（二）跨将相河渡槽形式

将相河为人工开挖河道，河道宽约20m，深约2m。河道两岸地面高程117.00～118.00m，100年一遇及300年一遇流量时河道漫滩行洪，洪水位高于地面1m左右，而渡槽底高于地面6m左右。根据该段地面高程、河道水位与槽底高程的关系，考虑河道窄浅，洪峰流量不大，槽底距河底的高度也不大，跨将相河渡槽形式选用箱基渡槽（涵洞式渡槽），即渡槽上部为矩形输水槽身，下部为过河水的涵洞，结构与两岸滩地渡槽结构形式一致，便于衔接。

二、梁式渡槽跨度与结构选型

（一）梁式渡槽结构方案分析

1.建槽条件与结构支承型式

沙河渡槽设计流量320m3/s、加大流量380m3/s，此段渡槽设计水位132.261～131.681m，槽底高程125.261～125.281m，渡槽比降1/4600。沙河100年一遇水位120.84m，300年一遇水位121.23m，槽底与河道设计洪水位间高差3.5～4m。河道属宽浅型，无通航要求，右岸为漫滩，左岸有堤，堤高5m左右，河床地基岩性上部为卵石，厚5～10m，不均一，下伏基岩主要为新近系泥质砾岩、砾质泥岩。从沙河渡槽上述情况分析，流量大、净空小、河谷宽浅、覆盖层较厚。根据对南水北调输水渡槽特点分析，结合沙河渡槽建槽条件，渡槽上部结构型式宜为简支梁式渡槽。

2.渡槽的断面形状

槽身断面形式常见的有U形槽、矩形槽、箱形等，鉴于箱形断面为封闭结构，温度应力太大，易产生裂缝致渗水，耐久性差，在大型输水渡槽中不宜采用。南水北调中线渡槽，由于槽宽大，从高宽比的协调性以及布置与结构受力的合理性分析，矩形槽宜采用多槽一联带中隔墙的矩形槽断面；U形断面考虑到其形状特点，采用多槽但相互独立的形式利于结构布置、受力和施工。

3.渡槽的槽数

根据渡槽的纵比降，适合的槽数有2槽、3槽、4槽三种，对于3槽方案，因为沙河渡槽进出口均存在与箱基渡槽的衔接问题，同时由于箱基渡槽较长，对工程量影响较大，若箱基渡槽对应采用3槽，不论是矩形槽还是U形槽方案，总体工程量都增加较多，不经济；若箱基渡槽仍采用单槽双联，从沙河梁式渡槽到沙河—大浪河箱基渡槽、大浪河梁式渡槽到大浪河—鲁山坡箱基渡槽之间的过渡连接太复杂，且水头损失较大。因此，不宜采用3槽方案，可选择2槽及4槽方案。

2槽及4槽方案断面如下：

矩形2槽单槽净宽11m，净高7.7m，侧墙总高9.3m，如图3-3所示。

U形2槽单槽净宽11.8m，净高7.7m，侧墙总高8.65m，如图3-4所示。

矩形4槽单槽净宽7m，净高7.8m，侧墙总高9.5m，如图3-5所示。

U形4槽单槽净宽8m，净高7.4m，侧墙总高8.3m，如图3-6所示。

2槽最大断面尺寸为槽宽11.8m，侧墙高8.65m，4槽最大断面尺寸为槽宽8m，侧墙高8.3m。从结构设计及安全性分析，不管2槽还是4槽，其结构尺寸都是前所未有的，4槽的安全性优于2槽；从施工难度及施工质量分析，由于槽身断面尺寸过大，一般的钢筋混凝土结构已不适用，必须采用预应力混凝土结构，且为多向预应力结构，因此施工难度均比一般渡槽要大得多。从目前的施工技术看，国内外已建的比较大的渡槽有：印度戈麦蒂渡槽，设计流量357m3/s，矩形槽身，过水槽宽12.8m，槽高7.45m，槽中水深6.7m，渡槽上部采用预应力承重框架支承非预应力输水槽身的布置形式，框架由纵梁、横梁、竖肋和拉杆组成，均为预应力混凝土结构。国内东深漳洋渡槽，设计输水流量90m3/s，槽身为U形薄壁预应力钢筋混凝土结构，直径7m，直段高1.6m，槽身总高6.15m，槽内设计水深4.7m，最大跨度24m，壁厚0.3m。同为南水北调工程中的漕河渡槽，为3槽一联带拉杆矩形结构，跨径30m，单槽断面尺寸6.0m×5.4m，为三向预应力混凝土结构，目前已完成施工。从已建工程的结构型式和规模看，不管U槽还是矩形槽，都已有成功的施工经验，但也存在一些施工技术问题，南水北调工程的特点是输水保证率要求较高，因此，从施工技术及工程安全考虑，采用4槽方案。

4.渡槽的跨度

已建大型渡槽东深供水工程金湖渡槽输水流量90m3/s，简支梁式渡槽，宽7m、高5.4m，最大跨度24m；南水北调中线漕河渡槽，最大流量150m3/s，三槽一联宽6m、高5.4m，最大跨度30m；印度戈麦蒂渡槽设计流量357m3/s，输水与承载分离结构，槽跨31.8m。其他小型渡槽有跨度更大的，但规模、断面很小，不具参考价值。综合考虑大型渡槽已建工程建设情况、工程施工情况，结合南水北调对工程安全、质量的高要求，渡槽跨度可选择30m、40m、45m进行比选。

5.不同结构方案施工方法选择

在大型渡槽结构形式方案比选时，施工因素影响显著，不同施工方法都有其适用条件，不仅影响总投资，而且影响结构方案的可行性。

渡槽施工方法较多，比较常用的有满堂支架现浇法、造槽机法、架槽机法等，沙河渡槽规模较大，不管是矩形还是U形断面，其自重都比较大，按照选择的几种形式，矩形槽身单槽自重3240～4100t，U形槽身单槽自重1200～1900t。根据目前的施工设备与技术，多槽矩形槽施工方法有满堂法和造槽机法，但多槽矩形槽造槽机法施工较为复杂。U形槽4槽各自独立，结构相对简单，几种方法都可以采用，但45m跨U形槽单槽重1900t，从控制施工期结构变形与施工质量并考虑施工设备因素，宜采用架槽机。

6.比选方案拟订

根据上述分析，输水槽数采用4槽，单槽宽7～8m，U形槽跨度30m和40m，施工方法选择满堂架、造槽机和架槽机，U形槽跨度45m，施工方法选择架槽机；矩形槽跨度30m和40m，施工方法选择满堂架。对跨度、断面形状及适宜的施工方法组合的9种方案进行分析研究。

（二）比选方案工程布置

1.矩形4槽跨度30m

设计要素：横向双联布置，每联2槽，共4槽，单槽净宽7m，总净宽28m，侧墙净高7.8m，总高9.5m，双联间两侧墙内壁相距9.2m。槽内设计水深6.38m，加大水深7.10m（非均匀流、渡槽进口处）。槽身侧墙厚0.60m，底板厚0.4m。纵向每2.95m设底肋，肋宽0.5m，底肋净高1.0m，槽顶部设横拉杆，横拉杆宽0.5m，高0.5m。侧墙和中隔墙兼做纵梁，高9.5m，中隔墙厚0.8m。槽身为三向预应力混凝土结构，混凝土采用C50。槽身纵向为简支梁形式，跨径30m，共48跨，槽底比降为1/4600。下部支承采用钢筋混凝土空心墩，墩帽采用矩形，单个长21m，宽6.5m，高2m；空心墩高度根据地形情况设为3～9m，圆端头截面，上部长20m，宽5m，下部长21m，宽6m，空心墩壁厚1m，中间设三道厚1m的竖隔；基础为灌注桩，桩径1.8m，每个基础下顺槽向设两排，每排5根，桩间距4.8m，单桩长19～27m。

2.矩形4槽跨度40m

上部槽身及下部支承结构形式及尺寸同矩形4槽跨度30m。

下部共36跨，上部槽身两个一联支承于一个下部基础上，下部支承采用钢筋混凝土空心墩，考虑架槽机布置要求，墩帽长采用25.6m，宽6m，厚2m；空心墩长25.2m，宽6m，高度根据地形情况设为3～13m；承台长26.4m，宽8m；基础为灌注桩，桩径1.8m，桩间距5.35m，每个基础下顺槽向设两排，每排5根，单桩长20～34m。

3.U形4槽跨度30m

渡槽槽身采用预应力钢筋U形槽结构形式，共4槽，单槽直径8m，直段高3.4m，U槽净高7.4m，4槽各自独立，每2槽支承于一个下部槽墩上。U槽壁厚0.35m，槽底局部加厚至0.9m，宽2.60m。槽顶纵向每3m设拉杆，拉杆宽0.5m，高0.5m。槽两端设端肋，端肋部位总高9.20m，宽2.0m。槽身纵向为简支梁形式，跨径30m，共48跨，槽底比降为1/4600。下部支承采用钢筋混凝土空心墩，分为两联；空心墩采用圆端头截面，上部长20m，宽5m，下部长21m，宽6m，壁厚1m，中间设三道厚1m的竖隔，高度根据地形情况设为3～9m；基础为灌注桩，每个基础下顺槽向设两排，每排5根，桩径1.8m，桩间距4.8m，单桩长17～25m。

4.U形4槽跨度40m

上部槽身壁厚0.4m，其余部位尺寸基本与30m跨度相同。下部与40m跨矩形槽相同。单桩长20～34m。

5.U形4槽跨度45m

共32跨。上部槽身壁厚0.40m，其他部分与跨径40m相同，下部支承及基础也与跨径40m相同，只是桩长不同，单桩长23～36m。

以U形槽为例，结构布置断面如图3-7～图3-9所示。

各方案工程量及投资对比见表3-5。

（三）梁式渡槽槽身结构方案比选

1.从结构受力特点分析

U形槽和矩形槽两种结构形式均有整体性好、刚度大、受力明确等优点。二者相比，U形槽采用弧形断面，较矩形槽水力条件较好，外形线条流畅，轻巧。另外，从结构应力状态分析，U形槽结构流畅不像矩形槽有那么多转折、边角，U形槽环向预应力筋可以沿着结构面布置，不像矩形槽贴角部位钢绞线根本控制不住，与矩形槽比，基本无应力集中现象。

2.从不同跨度对防洪安全、工程安全、质量影响分析

从对河道行洪的影响分析，在跨河长度范围内，槽墩多，槽下过流断面小，对河道的影响相对就大，沙河为宽浅形河道，对比较的三种跨度，水位变化不明显。30m跨河道20年一遇洪水工程后水位比工程前水位壅高0.05m，河道100年一遇洪水比工程前水位壅高0.10m；40m跨20年一遇洪水工程后水位比工程前水位壅高0.07m，河道100年一遇洪水比工程前水位壅高0.12m。因此，从对河道行洪影响看，30m、40m、45m跨方案之间没有本质的差别。

从沙河的地质条件分析，沙河基础持力层主要为卵石及新近系软岩，卵石层不均匀，相变较大，第14层泥质砂砾岩和砾质泥岩物质组成不均匀，胶结成岩差，小跨度较大跨度为优。

从结构安全性分析，各方案通过合理配置预应力锚索，结构应力状态均能够满足大型渡槽抗裂要求，承载能力都有较大的安全裕度。三种跨度都是可行的，同等形式下30m跨与40m、45m相比施工质量保证程度相对高些。

3.工程量及投资分析

总体各方案投资相差在20%以内，U形45m跨架槽机工法投资最大，矩形30m满堂架次之。

矩形槽与U形槽相比，满堂架施工的矩形槽投资较U形槽投资多13%以上。

U形槽不同跨度之间投资相比，采用满堂架施工时，跨度大时投资省；采用造槽或架槽大型机械设备方案时，小跨度投资省，主要是由于造槽、架槽设备钢结构随着跨度的增加其承载弯矩呈平方级增加，设备投资增加较快。架槽施工因提槽、运槽、架槽设备费用高，总投资较满堂架、造槽机工法都要大。

矩形槽不同跨度之间投资相比，跨度大投资省。

从建筑工程投资分析，一般随着跨度增加，上部结构投资呈增加趋势，下部结构投资呈减少趋势，总的建筑投资略省，但随着跨度增加到一定程度，例如，U形槽45m时，因简支结构跨中弯矩增加较多，致钢绞线增加较快，虽然下部投资在减少，但总的建筑投资在增加。

4.从工法适应性、施工质量与安全风险及工期控制分析

满堂支架法是在渡槽的现浇施工中常用的施工方法，一般适用于上部荷载相对较小，下部基础承载力较高，净空较低的情况。对南水北调大型渡槽，存在施工时模板脚手架变形偏大问题，且施工期不确定因素较多，不是较优的施工方案。

从施工质量与安全风险分析，满堂架施工受支架变形等因素影响不可控因素较多，施工安全与槽身浇筑质量风险较大；造槽机采用整孔模架，其变形是基本可控的；架槽机施工槽身采用地面预制、蒸汽养护，施工质量可以充分保证。从机械设备自身的质量安全风险分析，30m跨度的设备制造技术、经验比较成熟，风险相对较小。

从工期控制分析，沙河渡槽是南水北调中线黄河以南控制工期的建筑物之一，意味着其施工工期决定着南水北调中线工程在2014年能否如期通水。满堂架施工风险大，不可控；造槽机施工在槽墩上原位现浇，不受河道水流与软弱地基影响，可以汛期施工，但其工期受浇筑、预应力张拉等因素影响，潜在风险也比较大；架槽机施工同样不受河道水流与软弱地基影响，可以汛期施工，关键是可提前在地面大规模、工厂化预制，槽身预制和安装可分开作业，架槽施工对工期控制有利，风险可控。

5.综合分析选型

对南水北调沙河渡槽而言，工程质量、安全、工期是最主要控制因素，U形槽水力条件好，基本无结构应力集中现象，地面预制槽便于施工，混凝土浇筑质量能够保证，且预制架设施工不受河道条件制约，槽身预制和安装可分开作业，工期可控，加之架槽设备制造技术小跨度更为成熟等因素，因此，沙河渡槽槽身选择双线4槽、30m跨U形槽预制架设方案。

三、梁式渡槽下部结构形式选择

沙河梁式渡槽单榀渡槽的自重1170.3t，设计水重1241.1t，满槽水重1527.9t，每个槽墩承受的最大重量为5396.4t。沙河梁式渡槽下部结构承重大，且渡槽沉降控制要求高，因此合理选择下部结构与基础形式对于渡槽建设非常重要。

1.渡槽支撑结构选型

目前常用的梁式渡槽下部支撑结构包括：实体墩、空心墩和排架结构等。根据沙河梁式渡槽的特点，单个下部支撑结构的长度超过20m（垂直渡槽水流方向），宽度超过5m（顺渡槽水流方向），最大高度超过15m，槽墩体积庞大，若采用实体结构，自重过大（甚至超过上部结构重量），对基础承载力要求也更高，总体来说是不经济的。

根据沙河渡槽的自身特点，选择了空心墩和排架支撑结构进行了技术经济比选。空心墩混凝土工程量多于排架，钢筋量基本相当，总体造价空心墩略高于排架。但空心墩受力性能好，能较好地把上部结构的荷载均匀传递到下部承台和桩上，同时空心墩稳定性较高，有利于提高渡槽结构的整体稳定性。沙河渡槽上部荷载较大，同时采用架槽机施工，施工过程对下部支承结构的稳定性要求较高，因此，从结构的稳定和安全性考虑采用空心墩方案较为合适。

2.基础选型

目前常用的渡槽基础形式包括浅基础（扩大基础）、桩基础等。沙河梁式渡槽段下伏基岩为新近系的泥质砂砾岩、砾质泥岩等，其上是卵石层，表层为砾砂、重粉质壤土（滩地段），新近系软岩的成岩程度差且岩性相变较大；卵石层虽然厚度稳定，但不均一，重探击数一般11～26击，离散度较大，部分部位夹有砂砾石，砂层、土薄层或透镜体，并且随着近几年河道挖沙情况的加剧，上部卵石层厚度变化很大。沙河梁式渡槽自重大，单个基础最大承载力超过9033.2t，根据工程场区地质条件，从工程安全角度考虑，渡槽的基础不宜采用扩大基础而应选择桩基础，可采用钢筋混凝土灌注桩。

3.基础埋置深度确定

根据冲刷计算结果，沙河主槽最大冲刷深11.2m，大浪河主槽最大冲刷深15.2m。按承台埋置深度分为高桩承台和低桩承台，本工程梁式渡槽单槽基础下布置10根灌注桩，桩径1.8m，上部空心墩长22m，宽5.6m，壁厚1m。从工程经济性分析，空心墩每米造价约3.8万元，群桩每米造价约3.6万元，两种形式相差不大，高桩承台相对经济，同时考虑承台埋置太深基础施工难度增加，因此采用高桩承台，承台顶面埋深一般置于河道地面以下2～3m。

四、箱基渡槽方案及形式选择

渡槽沿线沙河—大浪河、大浪河—鲁山坡段地形属沙河左岸Ⅱ级阶地，长5354m，该段地形平坦，地面高程116～119m，渠底高于地面6～8m。大浪河及将相河行洪时，整个阶地也漫滩行洪，洪水位高于地面1m左右。

对跨越该区域工程结构形式，论证了高填方和渡槽两种方案，高填方方案最大的优点是投资小，但渠底高于地面6m左右，堤顶高于地面15m左右，渠道两岸村庄密布，存在重大安全风险，另外全填方渠道占地及拆迁工程量大，因此从工程安全与环境影响等因素分析，穿越低洼地带采用渡槽形式。

渡槽结构可选择梁式渡槽和箱基渡槽，考虑到梁式渡槽投资是箱基渡槽的2倍多，且该段渡槽架空高度较低，不经济，因此该段不宜采用梁式渡槽。

箱基渡槽上部输水槽身，考虑渡槽检修，布置为双槽结构，采用双线双槽形式。下部支承选择箱形涵洞，分横箱及纵箱两种支承形式进行方案比较。以一节20m长单孔槽身为例，其工程量及投资对比见表3-6。

方案比较：①从投资角度分析，两者相差不大；②从对河道及排水的影响分析，大浪河及将相河汛期洪水漫滩，滩地水深1m左右，采用横箱方案，不打乱当地原有排水水系，汛期洪水可以从涵洞中通过，基本不影响排水现状，而纵箱方案阻挡地表水，需设置排水涵洞及导流沟工程；③与纵箱方案相比，横箱方案便于当地交通道路从涵洞中通过，且两侧通透，视觉效果好。因此，推荐采用横箱基础方案，涵洞垂直渡槽水流方向。

五、鲁山坡段建筑物形式

鲁山坡段渡槽轴线位于半山坡上，绕鲁山坡南麓坡脚，此段冲沟多，地形起伏较大，地质结构复杂。对该段输水断面，考虑了两种方案进行比较，即梯形渠道和矩形槽方案。

梯形渠道采用C20混凝土衬砌，衬砌厚度一般为10cm；矩形槽则采用钢筋混凝土结构，矩形槽靠近鲁山坡山体，为减少结构工程量与山体削坡，基础宽度尽可能小，采用单槽布置。一般来说，梯形渠道方案投资小于矩形槽方案，但由于该段工程处于较陡的山坡上，渠道中心线左右两侧地形高差较大，左侧多为深挖方高边坡，右侧一般为半挖半填，梯形渠道方案由于开口宽，右堤的填方高达15m左右，且渠基位于斜坡上，对渠道安全极为不利，也增加了工程占地；同时，由于该段土质不适宜筑堤，场区附近土料短缺，右岸高填方需要远距离借土填筑，一方面增加工程投资，另一方面也增加了借土占地，因此，本段工程采用落地矩形槽方案。