邓 波
攀枝花市水务（集团）有限公司 四川 攀枝花 61700
【摘 要】 观音岩引水工程密地管桥是目前国内最大的一座柔性跨江悬索引水管桥。本文详细论述了密地管桥设计优化的必要性，并对悬索桥敷设大型输水管道结构的安全性进行了论证。本工程悬索桥敷设大型输水管道对大跨径输水管道过江采用悬索桥具有借鉴意义。
【关键词】 密地管桥 悬索桥 DN800钢管
1 观音岩引水工程密地管桥工程概况
观音岩引水工程主要是沿金沙江两岸敷设引水管道，需五次跨越金沙江。其中，观音岩引水工程密地管桥是本工程的五座跨江桥之一，输水管道需跨金沙江向左岸密地水厂供水,输水管道是两条DN800钢管，管道管桥位于攀枝花市密地大桥上游1080m处，场地地形起伏较大，密地管桥需横跨金沙江。
2 观音岩引水工程密地管桥优化的必要性
密地管桥桥址处水面较宽阔，是本工程中长度最长、跨径最大的支线管桥。原设计采用的是主跨150m劲型骨架钢筋混凝土拱桥（见图1），左岸引桥设计为2×14m简支空心板，右岸引桥设计为2×18m简支空心板。
原设计2号拱座承台基坑位于目前金沙江水位以下2m左右，河侧为透水砂砾层，基坑开挖需要采用钢板桩或者帷幕来止水保证基坑安全，2号基坑和抗推杆基坑面积约336m2，基坑较深，止水难度较大。考虑金沙江水位变幅较大，按12月～4月桥位区5年一遇施工水位，基坑深度大于7.5m，施工安全风险较大，基础施工措施费较高。
受地形条件限制，原设计3号拱座只能布置在一般洪水位到较低枯水位之间的水位变幅带，基坑深度大于12.5m，基本不具备利用拱座前缘的天然石硬挡水施工条件：①按初拟方案施工，石硬的宽度不大，地面高程低，与较低枯水位基本一至或略低，不具备挡水条件；②施工过程中的爆破等会影响石硬的完整性，使其失去挡水功能；③拱座位于近岸坡地带，卸荷较强，裂隙发育，岩体的完整性差，透水性强，不宜直接作为挡水建筑。因此，需要采用钢围堰进行施工，但采用钢围堰施工也有以下不利因素：①覆盖层物质不均一，粒径及坚硬程度差异较大，对施工不利；②基岩面不平整，不利于施工；③鉴于拱座位置受卸荷影响，围堰须进入弱风化岩体一定深度，才能保障基坑施工，在硬质岩弱化岩体中施工钢围堰，难度较大，时间较长；④钢围堰距岸边有一定距离，水情变化较大，用船施工的适宜性差，需采用特殊方式。由于上述因素，施工安全风险较大，基础施工措施费较高。
综合工期进度安排和现场实际施工条件，在两个拱座施工受江水位影响非常大，在金沙江最低水位时仍需要占用河道围堰施工，枯水期围堰高达7m以上，丰水期期围堰高达14m，并且围堰占半条金沙江，环保压力非常大，围堰施工难度较大、安全风险高、工程费用高、工期也难以保证。
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图1 密地管桥原桥型
基于围堰施工的难点，经反复论证，进行多方案比较，并借鉴了攀枝花地区跨江管道多采用柔性悬索桥的经验，确定对桥型进行优化调整，采用主跨205m悬索桥方案。
图2 密地管桥优化桥型
3观音岩引水工程密地悬索管桥及管道过桥设计
3.1 密地悬索管桥结构设计
密地管桥在平面设计时采取服从引水工程总体设计和走向的设计原则，整个桥梁按直线桥设计，密地悬索桥全长266m。主跨主梁采用钢桁架，桁架宽5.75m；索塔采用门式索塔，在桥面以下部分为实体墩，桥面以上为矩形双塔柱，基础采用6根直径1.8m桩基；锚碇均采用岩锚系统。横断面布置主要考虑管道布置和检修需要，全桥布置两根DN800引水管道，桥宽5.6m。桥梁索跨组成为39.0m+205.0m+22.0m，通水运营工况下主缆垂度15.0m，垂跨比1/13.667。主桥采用纵向半飘浮体系，全桥在主墩墩顶横向设置两个竖向。约束、纵向限位弧形钢板支座。在上塔柱主梁两侧均设置横向抗风支座。为适应温度、检修等工况下强大的水平力，主索鞍设置为滚轴式索鞍，允许运营和施工过程中索鞍纵向移动。全桥主缆锚碇采用岩锚，抗风锚碇采用钻孔灌注桩锚固。金沙江大道侧设置一跨引桥，主梁采用简支钢桁架。
3.2管道过桥设计
密地管桥采用主桁梁上架设钢管通过并于梁端增加镇墩的设计方案，图3为钢管在主桁梁上的横截面布置图。DN800钢管与主桁梁之间采用可滑移钢支座（钢支座构造详图见图4）进行连接，在主桁架上间隔6m布置，并且管体与钢板件弧形托板以及肋槽、固定工字钢与主桁梁、辊轴垫槽与主桁梁均应满焊，从而保证钢管与主梁之间连接可靠，同时辊轴垫槽中需填满性能良好的润滑脂或其同等性能的润滑材料以满足可纵向滑移的需要。为适应悬索桥变形较大的需要，钢管材料采用机械性能较好的Q345D钢，并且该钢材柔韧性、抗冲击性能优良。另外，为满足管桥通水前后钢管变形的需要，在主桥两个桥塔处布置球形万向接头，单管上布置2个，用以补偿钢管在轴向上的偏转；并且，采用材质为不锈钢的波纹管伸缩节，其最大伸缩量为15cm，单管上布置3个，总伸缩量45cm，用以补偿管道在轴向上的长度压缩量。
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图3 密地管桥DN800管道布置图（单位：mm）
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图4密地管桥钢管可滑移球磨铸铁管支座构造详图（单位：mm）
4 密地悬索管桥敷设大型输水管道结构安全性论证
《密地悬索管桥敷设大型输水管道结构安全及风险评估报告》对密地悬索管桥铺设的输水管道的构造及其在桥梁上的布置方式进行了风险评估分析，同时计算了铺设管道的静力效应与水锤冲击动力效应对桥梁结构的安全影响程度。基于将输水管道水锤动力冲击效应作为运营期偶然工况，经风险评估及安全可靠性计算分析，主要得出以下结论：
4.1在正常输水静载状况下，管桥各主要构件在铺设管道（空管）、单管输水以及双管输水状态下的受力均满足相关规范要求，具有足够的安全储备，悬索管桥安全可靠。
4.2管道输水状态与桥梁结构没有产生共振的可能。主桥自振频率与水管（空管、水满管、水半管）自振频率相差较大，因此管道输水运营时管桥不会发生共振，且当产生水锤效应时二者发生共振的可能性极低，无管桥共振安全风险。
4.3管道日常稳态输水对密地悬索管桥的影响结论：
（1）在正常输水运营情况下，日常流速不超过1.25m/s，对桥梁结构是安全可靠的。
（2）稳态水压情况下，桥梁主要构件受到的冲击作用所引起的内力、应力变化均较小，主桥结构及构件无安全风险。
4.4水锤效应对密地悬索管桥的影响结论：关阀时间不少于10s情况下，管道水锤动力效应引起桥梁主要构件的内力、应力变化较小，主桥受力安全，并且由于镇墩的设置，可避免水锤引起的局部应力集中，保证管桥水锤风险可控。
5密地管桥优化调整为悬索桥的优势
密地管桥优化调整为悬索桥桥型，具有以下几个优势：
（1）悬索桥跨径较原设计拱桥增大55m，桥塔基础不需要占用河道进行围堰施工，施工期不受江水位变化影响，有效解决了原设计拱桥围堰施工难度大、安全风险高、工程措施费用高的问题。
（2）密地管桥是四川省首个敷设大口径输水管道的悬索桥，桥上敷设2根DN800输水管道，由于悬索桥挠度大，为适应索桥变形，采用了柔韧性更好、抗冲击性能更为优良的Q345D管材，并在每根管道上设置2个球形补偿器和3个波纹管伸缩节，保证管道中部与两侧的自由转动变形。
（3）悬索桥结构相对简单，工程总体造价比原设计劲型骨架钢筋混凝土拱桥低，但由于悬索桥是柔性桥，钢桁架、主缆、吊杆等需要长期监测、维护，运行维护成本相对较高。
6 结论
本工程充分利用悬索桥材料的强度，悬索桥具有用料省、自重轻、跨越能力最大的特点，解决跨径大、拱座施工的问题。密地悬索桥上给水管道于2020年1月试运行至今，经历了空管、满管期，桥梁连接处可靠，运营状态稳定。本工程悬索桥面上铺设DN800两条钢管的工程实例对于大跨径跨江给水管道过江采用悬索桥具有借鉴意义。
参考文件：
[1] 孙建渊，吴迅，张国泉等. 密地悬索管桥敷设大型输水管道结构安全及风险评估；
[2] 田丰，魏业香，谢三鸿，黄毅等. 观音岩引水工程变更报告。