【52監測網】第138期 引江濟淮渡槽水橋設計關鍵技術
 52監測網專家報告分享-第138期 《引江濟淮渡槽水橋設計關鍵技術》 吳志剛 安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 目錄 一、引言 二、渡槽水橋總體設計 三、基于荷載特性的結構選型 四、考慮流固耦合的結構動力特性 五、大變位止水伸縮縫設計及試驗 六、水工物理模型試驗研究 七、結語 內容介紹 一、引言
古羅馬遺跡：西班牙塞哥維亞渡槽，建于公元53年，渡槽全長813米，分上下兩層，由148個拱組成，高出地面30.25米，氣勢非凡。建筑材料為花崗巖，兩千年來一直運作良好，為塞哥維亞供水渠道。
拱形渡槽：從古至今，國內外輸水渡槽多為拱形渡槽，材料多為石材或者鋼筋混凝土。
現代渡槽：流量小的現代渡槽，結構形式出現了多樣化，同時，國外出現了中小跨度的通航渡槽，鋼結構開始應用。
引江濟淮渡槽水橋：在中國合肥，引江濟淮工程中，建造了世界最大跨度、國內首創的通航鋼結構渡槽水橋。 二、渡槽水橋總體設計
引江濟淮工程：溝通長江、淮河兩大水系，潤澤安徽、惠及河南、造福淮河、輻射長江，保障供水、發展航運、改善水環境，是安徽省基礎設施建設“一號工程”,II級航道，通行2000噸船舶。 淠河總干渠：自大別山三大水庫, 向合肥城市的提供灌溉、工商業用水、生活飲用水, IV級航道，通行100噸船舶。 渡槽水橋：解決兩大不同水系、高差36m的通水、通航的立體交叉工程。
項目奇觀：水立交 –– 河上有河，橋上通水；船立交 –– 上下行船，橋上通船。 技術特點及難點： ◇ 荷載巨大––需承受4萬噸水重（約2萬輛小汽車，或135個公路車道，或25線鐵路自重）及變幅。 ◇ 上下通航––橋上、下通航，橋下103.8m范圍內不得設置橋墩、跨度110m，防船撞擊問題突出。 ◇ 結構復雜––需充分考慮水體、地震、溫度、船撞、風、凍脹力等荷載的綜合作用。 ◇ 環保防腐––橋上為合肥市居民飲用水，環保要求高，施工及養護期間不得中斷供水。 ◇ 止水防滲––伸縮縫需同時滿足變形、止水需求，橋梁兩端與陸地河渠連接防滲處理難度大。 ◇ 技術空白––為水利、交通兩大行業的交叉學科，國內首次采用，無案例參考，技術空白。
總體平面設計-截彎取直：施工過程中，為保證淠河總干渠向合肥市供水不中斷，采用移位改建，截彎取直的總體平面方案。
總體平面設計-各構筑物設置 ? 鋼渡槽：68+110+68=246m三跨桁架式梁拱組合體系渡槽。 ? 混凝土渡槽：兩側各4x13=52m混凝土渡槽 ? 閘室：兩側各20m閘室槽身、門庫段。 ? 分流島：兩側各40m長三角形分流島、漸變段。 ? 進出口明渠：上游引渠長467.9m，下游引渠長497m ? 配套交通橋：65+110+65=240m連續剛構
總體立面設計-深開挖：交叉位置為（長）江淮（河）分水嶺，地勢較高，地面高程約50m，引江濟淮河底高程13.4m，最大開挖深度約36m；航道底寬60m，石質邊坡坡率1:2，土質邊坡坡率1:3 ，河道上口寬280m。
總體立面設計-跨徑布置：引江濟淮的通航凈空要求103.8x10m，主跨跨度采用110m，邊跨選用68m。同時，為滿足淠河總干渠的抗滲要求，在渡槽兩側各設置了4x13m =52m長的混凝土槽型梁。 總體橫斷面設計-分幅布置：滿足通航凈寬，采用2x16m分幅布置，方便檢修，提高了橫向開口斷面側向穩定系數。
總體施工方案-履帶吊槽內安裝
三、基于荷載特性的結構選型 水荷載：需承受4萬噸水重（約2萬輛小汽車，或135個公路車道，或25線鐵路自重）及變幅(0~4萬噸)。
? 公路車道荷載：4萬噸 ≈ 135個車道荷載 ? 高速鐵路荷載：4萬噸 ≈ 25線高速鐵路荷載 ? 私家車：4萬噸 ≈ 20000輛 ≈ 延綿100公里
通常情況下，橋梁承受的荷載是其自重的0.2倍，而本橋則是將近2倍，相差一個數量級，屬于超級荷載。 結構類型選擇-適應水荷載特點：索輔體系結構、預應力結構，均不能適應超級變幅荷載的特點。
結構類型選擇-適應水荷載特點：非索輔體系結構，如梁、拱，均能適應超級變幅荷載特點，采用拱結構能顯著提高結構剛度。
? 桁架式梁拱組合渡槽 ? 鋼結構渡槽由外側桁架和內側水槽組成，其中外側桁架可分為：主桁、橫梁和連接系，內側水槽可分為側壁和底板。
? 渡槽鋼結構主體縱向受力結構，采用上平下拱，上開下合、外桁內波的桁架式梁拱組合體系，跨徑布置為（68+110+68）m。單幅橫向設置兩片拱式主桁，桁架中心距為20.8m。渡槽的水槽放置于兩片主桁之間。 ? 上平下拱：凈空不控制，很好的適應河渠地形，拱結構剛度大，造型美觀； ? 上開下合：通航要求，水槽上必須為開口斷面，不能設置橫撐。在水荷載作用下，開口側壁外傾與支點下緣M橫聯內撐相互平衡。
? 桁架與水槽的結合方式：結合與分離比較
? 桁架與水槽的結合方式：槽桁結合-波折與平鋼板水槽比較
? 水槽：復合不銹鋼波折水槽 優點： （1）讓可變形的波紋鋼板來代替直鋼板，釋放掉軸力和彎矩，充分發揮桁拱的作用。
（2）提高板件面外剛度，避免設置較多的加勁肋。
（3）溫差：較好的釋放了水涼板熱的較大溫差對橋梁結構的不利影響。
（4）槽壁船撞：波板的凹凸加勁作用，提高了槽壁的抗船舶撞擊能力，同時波板的變形又可以對撞擊進行一定的緩沖。
（5）散水碎浪：波板的凹凸對水流起到了散水碎浪作用，改變了水流對橋體的晃動效應。 （6）環保、耐久性：水槽四周采用不銹鋼復合板316L+Q345qD，解決了飲用水環保、耐久性等突出問題。 ? 結構選型比較內容小結
四、考慮流固耦合的結構動力特性 渡槽不同于公路橋或者鐵路橋，需要傳送的水體荷載在總體荷載中所占的比例遠大于公路橋或鐵路橋，一般公路橋鐵路橋活載均小于恒載，但渡槽橋不同，其傳送的水體荷載大于甚至幾倍于渡槽本身。大量的水體和渡槽結構本身在靜力和動力方面都有著相互的影響，因此，必須要考慮流固耦合效應。 計算模型：Housner動水流固耦合模型，將液體的晃動，等效為固接質量塊及通過彈簧與槽壁相連的質量塊，從而模擬液體對渡槽的作用。
計算工況： 工況1：渡槽內無水； 工況2：渡槽內水高度為校核高度的一半（2.525m）； 工況3：渡槽內水高度為校核高度（5.05m）。
結論： （1）流固耦合效應在縱向和豎直方向上并不顯著，而在橫向動力特性影響顯著。 （2）隨著充水量的增加，結構頻率出現下降趨勢。 水體大幅可變荷載下結構響應分析研究
結論： （1）由于開閘時水流振動、沖擊等的影響，結構撓度略大于水流恒定時的結構撓度，仍在安全范圍之內。 （2）開閘高度大于2m后，渡槽的結構響應對開閘高度敏感性極低。 地震作用下水體偏載對結構的影響及動水壓力分析
結論： （1）在考慮地震作用下水體偏載后，水體偏載和地震作用下的流固耦合對結構縱向、豎向影響很小； （2）橫橋向槽壁位移從4.292mm增長到6.462mm，考慮水體偏載之后對側向結構響應有較為明顯的影響。 五、大變位止水伸縮縫設計及試驗 針對本項目的特點，設計了深水下大位移伸縮縫。在梳齒板上方安置波紋型止水橡膠帶，水體重量和壓強通過止水橡膠帶轉移到梳齒板上。當伸縮縫有位移時，梳齒板有開合運動，止水橡膠帶隨著發生形變。
? 承載能力強，伸縮位移量大。梳齒板、壓板等受力構件均用高強度鋼材制造，能根據實際工作水深調整鋼板厚度以達到足夠的承載能力；同時，橡膠帶中部為連續波浪形結構，可通過增加波浪形結構的數目以達到所需要的伸縮位移量，伸縮能力強，滿足目前水下伸縮裝置需要的大位移量、大承載力的實際需求。 ? 水密效果優良。通過壓板與支承平面間的異型腔將橡膠帶兩翼的異型結構擠壓變形固定，固定處橡膠帶與支承平面之間保持穩定壓力，阻止水從接觸面通過，從而實現結構密水。 ? 方便檢修和更換。梳齒板和壓板等受力構件均為單元式構造設計安裝，容易適應各種渡槽或梁體斷面輪廓，更換方便。 六、水工物理模型試驗研究 研究內容： ◆渡槽槽端分汊段紊流及其對船舶航行影響分析； ◆渡槽內船舶航行于槽內及槽端等工況下水力特性等研究； ◆波折鋼腹板側壁對過流能力影響分析； ◆渡槽水力特性試驗。
模型試驗：1:40
結論： （1）渡槽水流平順，無明顯的回流、漩渦等不良流態； （2）自航船模在模型中進出渡槽時較為平穩，無明顯的碰撞、擦底等現象發生； （3）波折腹板對水流條件的影響，近壁區域水流紊動較平面腹板時有所增加，過流能力較平面腹板時減小3%左右。
結語：5月1日上午10時38分，隨著淠河總干渠水緩緩流進引江濟淮淠河總干渠渡槽，標志著世界最大跨度通水通航鋼結構渡槽——引江濟淮淠河總干渠渡槽充水試驗成功，正式通水通航。
《引江濟淮渡槽水橋設計關鍵技術》 吳志剛 安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 注：內容源自吳志剛先生在IBTC橋隧大會上的報告內容分享，轉載自IBTC橋隧大會，本文僅供個人研學交流，版權歸原作者所有 |
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