南水北調中線沙河渡槽工程充水試驗方案淺析

□陳曉光 □馬慧敏（河南省水利勘測設計研究有限公司）

0 引言

南水北調中線總干渠自流輸水，水頭緊張，使得渡槽的幾何尺寸和荷載巨大，沙河渡槽工程作為南水北調中線干線控制性建筑物，其工程規模和施工難度居世界前列。開展沙河渡槽充水試驗是檢驗工程質量、安全，驗證設計成果的重要措施。

1 工程概況

南水北調中線沙河渡槽工程由魯山縣薛寨村北開始，在娘娘廟與樓張之間跨越沙河，再以偏東北方向至魯山坡流槽出口止，建筑物總長9050m。沙河渡槽工程由沙河梁式渡槽、沙河至大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河至魯山坡箱基渡槽、魯山坡落地槽組成，共5段3種結構形式。沙河梁式渡槽長1410m，槽身采用C50預應力混凝土U形槽結構，橫向4槽，單槽直徑8m，凈高7.40m，槽身縱向為簡支梁型式，跨徑30m；沙河至大郎河、大郎河至魯山坡箱基渡槽分別為長3534m、1820m，箱基渡槽上部為C30鋼筋混凝土矩形槽，2槽，單槽凈寬12.50m，凈高7.80m；大郎河梁式渡槽長300m，其結構型式同沙河梁式渡槽，凈高7.80m；魯山坡落地槽長1480m，槽身為C30鋼筋混凝土矩形斷面，單槽，凈寬22.20m，側墻高8.10m。

2 充水試驗方案

2.1 充水試驗必要性

沙河渡槽工程結構復雜、施工技術難度高，特別是沙河梁式渡槽為大跨度U形雙向預應力結構，單槽自重1200t，采用預制架設、后裝止水等技術無成熟設計施工經驗，施工質量要求高。對沙河渡槽進行充水試驗檢驗渡槽槽身在各工況下永久止水縫施工質量，檢查在設計、滿槽水深下渡槽槽身結構混凝土質量及應力分布狀態，觀測渡槽在充水條件下的撓度、沉降變形等情況十分必要；充水試驗能夠對渡槽結構安全性及可靠性進行總體驗證，并為南水北調中線一期工程總干渠順利通水運行提供技術保障。

2.2 充水試驗總體方案

沙河渡槽充水試驗范圍包括梁式渡槽、箱基渡槽、落地槽等所有混凝土結構，共8950m。

考慮到充水試驗段長度長、充水方量大的特點，充水試驗總體設計應以分段、輪次充水的原則開展，以盡量減少河道總抽水量，各試驗段之間利用閘門或堵頭封堵。為全面檢驗各工況下渡槽結構的安全、質量，充水試驗充水高度分半槽水位、設計水位、加大水位和滿槽水位4種工況，各試驗工況靜停3d以便于結構協調變形及開展缺陷排查和安全監測。

沙河渡槽工程跨越沙河及大郎河，兩條河道常年有水，且水量充沛，水質達標，充水水源采用沙河、大郎河河水。提水設備為22臺大流量、高揚程水泵，電力供應為施工臨時供電。試驗結束后水量回灌到原河道內，不會對下游生產生活用水造成影響。沙河渡槽分4段7次充水，具體方案如下：

2.2.1 沙河梁式渡槽+沙河至大郎河箱基渡槽段

總長5044m，該段梁式渡槽共4線，箱基渡槽共2線，進出口采用堵頭擋水。充水分兩次進行，先由沙河取水進行梁式渡槽3#、4#線+箱基渡槽右線充水試驗。完成試驗后，將水直接抽至梁式渡槽1#、2#線+箱基渡槽左線進行試驗，左線充水試驗結束后將水抽排至沙河。

2.2.2 大郎河梁式渡槽+大郎河至魯山坡箱基渡槽+魯山坡落地槽段

總長3700m，該段梁式渡槽共4線，箱基渡槽2線，落地槽1線，進出口采用堵頭擋水。充水分兩次進行，先由大郎河取水進行梁式渡槽1#、2#線+箱基渡槽左線+落地槽充水試驗，完成試驗后，將水直接抽至梁式渡槽3#、4#線+箱基渡槽右線進行試驗，右線充水試驗結束后將水抽排至大郎河。

2.2.3 沙河進口漸變段

總長106m，共2線，分兩次充水，進口采用檢修閘門反向擋水，出口利用堵頭擋水。

2.2.4 大郎河進口漸變段

總長100m，共2線，一次充水，進出口采用堵頭擋水。

沙河渡槽工程充水試驗需從沙河取水52.70萬m3，大郎河取水52.61萬m3，考慮損失10%水量，則總取水量約為115.84萬m3。充水試驗歷時約為100d。

3 堵頭設計及結構安全

3.1 堵頭設計

沙河渡槽工程充水試驗共布置兩種堵頭形式，其中新建磚砌擋墻堵頭12個，檢修閘門反向擋水堵頭1個。

沙河進口漸變段充水試驗利用檢修閘門反向擋水，對閘門的臨時改造及閘門結構復核可參考文獻，本文不再詳述。其他堵頭均采取磚砌擋墻作為渡槽充水圍擋，磚砌擋墻為扶壁結構，擋墻基礎底寬2m，高0.50m，上部3m高度內墻體厚1m，3m以上采用0.50m墻厚砌筑至渡槽槽頂；墻后扶壁厚度0.50m，間距2.50m，砌筑至槽頂以下1m高程，磚墻兩面涂刷20～30 mm防滲砂漿；擋墻砌筑結束，表面清理干凈，鋪設0.50mm厚土工膜，并將土工膜與渡槽內壁緊密粘貼。土工膜上堆碼裝土編織袋壓重，土袋堆體體形與扶壁相同。土袋碼堆密實有序，層間錯縫鎖結鋪堆。

經計算，磚砌擋墻堵頭結構抗滑穩定安全系數8.80，抗傾穩定安全系數23.10，均能滿足要求。磚砌墻身抗彎、抗剪滿足要求。

3.2 梁式渡槽結構安全

梁式渡槽堵頭所在跨槽身僅受自重、堵頭、水荷載作用，最不利工況下垂直荷載為4.70萬kN，水平荷載為3277kN，遠小于樁基承臺豎向及水平向承載力。渡槽槽身經結構及有限元復核，在堵頭荷載作用下槽身結構全斷面受壓，承載能力及正常使用滿足要求。

表1 箱基渡槽結構安全復核表

3.3 箱基渡槽、落地槽結構安全

在新建堵頭荷載作用下，箱基渡槽基底壓應力最大為190.61kPa，最小為170.05kPa，抗滑穩定安全系數為20.78。落地槽地基承載力經復核，槽身基底壓應力為121.10kPa，均能滿足地基承載力要求。

箱基渡槽及落地槽在新建堵頭荷載作用下結構復核結果見表1、表2。由計算結果可知，箱基渡槽、落地槽結構在堵頭及水荷載作用下承載能力及正常使用均能滿足設計要求。

表2 落地槽結構安全復核表

4 安全監測及技術要求

4.1 充水試驗安全監測

為便于查找分析渡槽結構裂縫、滲漏點等質量缺陷，充水試驗期間應定期進行水位、滲水、裂縫的觀測、標識、記錄工作，并根據情況適當加密觀測。

為后期進行渡槽結構受力、變形分析，應通過安全監測儀器監測各階段渡槽結構的變形、受力情況。渡槽充水試驗開始前取得所有監測儀器初始讀數；充水試驗期間渡槽各監測跨沉降計、測斜管、測縫計等變形類監測儀器每2d監測一次；梁式渡槽監測跨每天監測一次槽身端部與跨中位移、墩臺及支座沉降，并核算其撓度；各監測跨應變計、鋼筋計、無應力計、溫度計、支座反力計等內觀儀器每3d監測一次。充水試驗期間同時記錄包括氣溫、水溫、雨雪天氣等與試驗相關的環境數據。

4.2 相關技術要求

沙河渡槽段充水試驗充水量巨大，歷時長，參與單位眾多，現場應根據實際情況制定詳細的應急預案及安全保障措施。充水試驗期間出現水位上升不穩定或滲漏情況異常，應加密觀測頻次并及時分析原因。針對可能出現的渡槽撓度或沉降變形過大、槽身鋼筋或混凝土應力應變異常、充水期間渡槽出現危害性裂縫、嚴重滲水、漏水等情況,制定專門的應急處理方案。充水試驗階段渡槽內水位變幅應控制在0.50m/d以內。

5 結語

南水北調中線一期工程沙河渡槽充水試驗工作目前已基本完成，試驗過程中各參建單位組織有序、協調有力、在充水試驗過程中積累了豐富經驗。本次充水試驗達到了試驗目的，沙河渡槽施工質量總體符合要求，結構安全可靠，為南水北調中線一期工程順利通水奠定了堅實的基礎。

[1]沙河南～黃河南沙河渡槽段工程招標設計報告[R].鄭州：河南省水利勘測設計研究有限公司，2009.

[2]張浩東，王金洲，史紅雨.南水北調中線工程湯河涵洞式渡槽充水試驗方案探討[J].河南水利與南水北調水，2013，（19）：50-51.