大型“U”形薄壁渡槽安全監測及工作性態分析

張文勝,吳德緒,李紅霞,周學友

(1.長江勘測規劃設計研究院，武漢 430010；2.葛洲壩測繪地理信息技術公司，湖北省宜昌市 443133；3.南水北調中線干線工程建設管理局渠首分局，河南省南陽市 473000)

大型“U”形薄壁渡槽安全監測及工作性態分析

張文勝1,吳德緒1,李紅霞2,周學友3

(1.長江勘測規劃設計研究院，武漢 430010；2.葛洲壩測繪地理信息技術公司，湖北省宜昌市 443133；3.南水北調中線干線工程建設管理局渠首分局，河南省南陽市 473000)

為了檢驗“U”形渡槽工作性態，布置了較全面原型監測儀器。通過某“U”形渡槽施工期、充水試驗期、通水運行初期安全監測與成果分析，證明“U”形渡槽槽體抗裂性和剛度較好，渡槽整體工作性態正常，也驗證前期勘測與設計是合理的。同時，監測成果也反映出澆筑期間，薄壁渡槽槽體溫度應力不容忽視，易形成初始應力，對結構安全不利，施工中進行措施控制是必要的。關鍵詞：南水北調;薄壁渡槽;安全監測;工作性態分析

1 工程概述

湍河渡槽是南水北調中線干線控制性工程之一，位于河南省鄧州市境內，工程建筑物總長1 030 m，順總干渠流向，自起點至終點，依次為：① 右岸渠道連接段；② 進口漸變段；③ 進口閘室段；④ 進口連接段；⑤ 槽身段；⑥ 出口連接段；⑦ 出口閘室段；⑧ 出口漸變段；⑨ 左岸渠道連接段。

渡槽槽身為相互獨立的三槽雙向預應力混凝土薄壁結構[1-3]，見圖1。單跨40 m，共18跨54榀，設計過水流量350 m3/s，加大流量420 m3/s，槽體內空尺寸、單跨跨度、最大輸水流量均居世界首位, 采用造槽機現場澆筑施工。

2 監測內容與布置

湍河渡槽的監測布置按照“重點突出，兼顧全面，重點斷面和一般監測斷面相結合”的原則，主要監測內容有3個方面：

圖1 湍河渡槽槽身斷面圖 單位：cm

(1) 變形監測；

(2) 應力應變監測；

(3) 滲透水壓力監測。

其中，渡槽槽體為重點監測部位，主要布置有應變計、無應力計、錨索測力計、滲壓計、測壓管、水準點等監測儀器(或設施)[4]。

3 監測成果分析

3.1 結構應力、應變監測

槽體結構應力、應變通過埋設于槽內應變計和無應力計監測，同時兼測溫度。

3.1.1 槽體混凝土溫度變化特點

(1) 施工初期：混凝土入倉后，受造槽機內模約束，主要受水泥水化熱釋放影響，一般混凝土澆筑后30 h達最高溫升。最高溫升與澆筑時間有關聯，如河南省鄧州市7月份外部環境氣溫最高，槽體最高溫升可達58 ℃，而8月份澆筑槽體最高溫升近50 ℃，1周后,槽體溫度與外部環境氣溫接近，趨于平衡穩定[5]。

(2) 施工期：槽體內沒有充水，渡槽溫度主要受外部氣溫影響，表現為周期變化規律，每年的1—2月達到最低，最高溫度出現在每年的7—8月，年變幅約32 ℃。渡槽充水運行后，溫度年周期變幅明顯減小，約25 ℃，這是“U”形薄壁渡槽顯著結構特點，有別于一般大體積水工建筑物。槽內充水，槽體溫度變幅減小，減緩了與外部環境的溫差梯度變化，有利于槽體結構的安全[6-7]。

3.1.2 預應力張拉引起的混凝土有效應力分析

預應力施加后，混凝土表現為受壓，隨張拉過程的發展，壓應力逐漸增大[8]。預應力張拉后，“U”形渡槽槽身混凝土全斷面處于受壓狀態。與張拉前相比，12號槽體混凝土縱向壓應力平均增加9.0 MPa，環向壓應力增加5.8 MPa；2號槽體混凝土縱向壓應力平均增加9.4 MPa，環向增加5.7 MPa，2個實驗槽測值比較接近。混凝土有效預壓應力小于C50混凝土軸心抗壓強度標準值0.6倍[9]。

預應力張拉引起的混凝土有效應力分布具有以下規律：

(1) 底板處混凝土有效壓應力比上部直段應力大，即，沿高程而下，預應力張拉后，混凝土縱向有效應力逐漸增大。2號試驗槽混凝土應力變化特征值，見表1；12號試驗槽混凝土應力變化特征值，見表2。

表1 2號試驗槽混凝土應力變化特征值表

表2 12號試驗槽混凝土應力變化特征值表

(2) 混凝土環向有效應力在上部直段(端部)大，中部底板處小。

這種分布特點，與預應力鋼絞線的配置、預應力管道摩阻損失等有關。

3.1.3 渡槽充水對槽體應力的影響分析

充水試驗過程中，隨水位的上升，底部壓應力減小，減小范圍在1.01～2.16 MPa之間。上部壓應力增大，增大范圍在1.0～1.2 MPa之間。

同一垂直斷面，隨水位的上升，底部壓應力減小，圓弧段及圓弧段以上直段壓應力增大，即：水重引起渡槽上部受壓，下部受拉。

在水流方向，2號試驗槽底板跨中壓應力減小最大，為1.79 MPa，從跨中向跨端方向，壓應力減小范圍在1.01～1.74 MPa之間；12號試驗槽底板跨中壓應力減小2.16 MPa，往跨端方向，壓應力減小范圍在1.09～1.96 MPa之間，即：底板受拉，跨中部位所受拉應力最大，拉應力與預施加的有效壓應力疊加，表現為跨中部位壓應力減小最大，向跨端遞減，與簡支梁受力應力應變規律一致。

充水水位的變化對環向應力影響不明顯[10]。

從表1，2中可以看出，“U”形渡槽槽身由于水荷作用產生的應力變化在整體預應力中所占比重不大，測點應力變化多在有效壓應力20%范圍內[11]。

湍河渡槽于2013年12月主體工程完工，2014年6月全線充水試驗和通水運行至今，已有近2 a的時間，儀器測值穩定，“U”形渡槽槽身混凝土全斷面始終處于受壓狀態，壓應力值在規范規定范圍內。

進而驗證了：渡槽錨索處于正常工作狀態，預應力有一定安全冗度，渡槽抗裂性能可以滿足要求，渡槽結構是安全的。

3.2 槽體撓度

3.2.1 充水試驗期間槽體撓度

各槽體撓度檢測成果與理論計算值，見表3。

表3 槽體撓度理論計算值與實測值對照表 /mm

湍河渡槽單槽為預應力簡支“U”形槽，理論計算靜載時，取用自重+滿槽水荷載+槽面活荷載工況，最大彎矩出現在單跨1/2L處，最大撓度值5.08 mm。監測成果反映：

(1) 在水荷載作用下，“U”形槽體表現為向下撓曲變形，表現出較強的同步響應性；多數槽體撓度實測值在2～4 mm之間，各槽撓度變化均勻，實測撓度值小于理論計算值；

(2) 單槽充水時，同槽左右兩側撓曲變化均衡，相鄰左右槽體未發現有充水影響變形，說明渡槽左、中、右三槽在結構受力上是獨立的，槽體不存在偏心現象。

撓度監測成果與實際受力狀態是相符的，間接說明槽體結構是安全的，可以滿足渡槽通水運行需要，槽體的剛度、鋼絞線施加、混凝土澆筑質量也是可信的[12]。

3.2.2 運行期渡槽撓度變化特點

2號槽體撓度隨時間變化過程,見圖2。

圖2 槽體撓度隨時間變化過程圖

從圖2中可以看出：① 槽體撓度小于充水試驗滿槽水位最大撓度；② 槽體撓度與水位有較強的相關性，即，隨渠道水位變化而變化，渠內水位高，槽體撓度大；渠內水位低，槽體撓度小[13-14]。

3.3 渡槽結構一線的垂直位移

(1) 受充水影響，槽體為向下沉降，充水至滿槽，沉降量達到最大；泄水后，槽體為向上回復，表現出彈性變形特質。

(2) 各槽沉降變形均勻，相鄰槽段間無明顯不均勻沉降現象。

(3) 1號槽體的沉降量最大，18號沉降量最小，最大差異僅約5 mm，且呈現：1～18號槽，從上游至下游，梯次線性分布特點。這一分布特點，與渡槽槽身段跨越河床、漫灘及兩岸一、二級階地地質狀況是相對應的，不會對渡槽的輸水構成影響[15]。

(4) 從進口渠道段至出口渠道段一線沉降平順，未見有明顯不均勻現象，間接驗證了高填方基礎處理、樁基處理、閘基處理是合理的。

3.4 進出口建筑物基礎及建筑物周邊滲壓監測

進出口建筑物基礎埋設有滲壓計、測壓管，從監測成果來看，基礎滲壓很小，在2 kPa范圍內，說明渡槽基礎無明顯滲漏、渡槽周邊無繞滲等現象，間接驗證了渡槽相鄰結構之間，以及渡槽與主干渠之間結合度良好[16]。

4 結 語

通過對南水北調中線湍河渡槽施工期、充水試驗期、運行初期安全監測數據的整理與分析，有以下認識：

(1) 預應力張拉后，渡槽槽身混凝土始終處于受壓狀態，壓應力值在混凝土抗壓強度范圍內；充水試驗混凝土實測應力應變與簡支梁受力應力應變規律基本一致，“水重”荷載產生的應力變化在混凝土總有效應力中所占比重不大，預應力有相當安全冗度，渡槽抗裂性能滿足要求。

(2) 充水試驗期間，滿槽水深槽體最大撓度在2～4 mm間，小于理論計算值；通水運行后，槽體撓度小于最大撓度值，且表現為隨渠道水深而變化，證明槽體的剛度是可信的。

(3) 從渡槽進口段至出口段一線沉降平順，結構與結構之間銜接正常，無明顯不均勻沉降現象。

(4) 渡槽基礎無明顯滲漏、渡槽周邊無繞滲等現象。

由此可見，湍河渡槽槽身是安全的；大荷載，軟巖、膨脹土(巖)等不利地基下，渡槽基礎一線無明顯不均勻沉降現象，各結構間銜接正常，渡槽工作性態正常，驗證前期的勘測與設計是合理的。

[1] 李國平.預應力混凝土結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 趙文華,陳德亮,顏其照,管楓年.渡槽[M].2版.北京:水利電力出版社,1993.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范:GB50010—2010[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[4] 張秀麗,楊澤艷.水工設計手冊(第11卷),水工安全監測[M].2版.北京：中國水利水電出版社,2011.

[5] 劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[M].北京：人民交通出版社,1991.

[6] 電力行業水電施工標準化技術委員會.水工混凝土試驗規范:DL/T5150—2001[S].北京:電力出版社,2002.

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[9] 鄭光俊,呂國梁,張傳健等.南水北調中線湍河渡槽設計與施工研究[J].人民長江,2014(06)：27-30.

[10] 張文勝,李紅霞.清江隔河巖水利樞紐通航渡槽的安全監測與施工監控[C]//水利水電測繪科技論文集.武漢：長江出版社，2007.

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[14] 何利濤,朱文新.預應力鋼筋混凝土渡槽結構三維有限元計算分析[J].西北水電，2011(04):92-94.

[15] 長江勘測規劃設計研究有限責任公司.南水北調中線一期工程總干渠陶岔渠首～沙河南段工程湍河渡槽初步設計報告[R].武漢：2009.

[16] 長江勘測規劃設計研究有限責任公司南水北調中線工程總干渠淅川段、湍河渡槽、鎮平段工程安全監測項目部.南水北調中線一期工程總干渠湍河渡槽二次充水試驗安全監測分析報告[R].武漢：2014.

Safety Monitoring and Operational Behavior Analysis of Large-sized U-shaped Thin-wall Aqueduct

ZHANG Wensheng1, WU Dexu1, LI Hongxia2, ZHOU Xueyou3

(1. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010,China; 2. Gezhouba Surveying, Mapping and Geographic Information Technology Company, Yichang, Hubei 443133,China; 3. Headrace Branch, Construction and Administration of South-to-North Water Diversion Middle Route Project, Nanyang Municipality 473000,China)

The full prototype monitoring instruments are arranged for the inspection of the operational behavior of the U-shaped aqueduct. Through the initial safety monitoring and the monitoring result analysis of one U-shaped aqueduct during its construction, water-filling tests and flowing operation, it proves that both crack resistance and rigidity of the aqueduct body are satisfied. The aqueduct wholly operational behavior is normal. This also verifies both investigation and design are rational. Meanwhile, the monitoring results present that the temperature stress of the aqueduct body during its concrete placement cannot be ignored because the initial stress is easily caused, which endangers structural safety and shall be controlled necessarily during the aqueduct construction.Key words: south-to-north water division; thin-wall aqueduct; safety monitoring; analysis on operational behavior

1006—2610(2016)06—0048—04

2016-07-12

張文勝(1972- )，男，高級工程師，湖北省天門市人，主要從事安全監測設計、施工、研究等工作.

TU45;TV223.31

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.012