大型“U”形薄壁渡槽安全监测及工作性态分析

张文胜,吴德绪,李红霞,周学友

(1.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2.葛洲坝测绘地理信息技术公司，湖北省宜昌市 443133；3.南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局，河南省南阳市 473000)

大型“U”形薄壁渡槽安全监测及工作性态分析

张文胜1,吴德绪1,李红霞2,周学友3

(1.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；2.葛洲坝测绘地理信息技术公司，湖北省宜昌市 443133；3.南水北调中线干线工程建设管理局渠首分局，河南省南阳市 473000)

为了检验“U”形渡槽工作性态，布置了较全面原型监测仪器。通过某“U”形渡槽施工期、充水试验期、通水运行初期安全监测与成果分析，证明“U”形渡槽槽体抗裂性和刚度较好，渡槽整体工作性态正常，也验证前期勘测与设计是合理的。同时，监测成果也反映出浇筑期间，薄壁渡槽槽体温度应力不容忽视，易形成初始应力，对结构安全不利，施工中进行措施控制是必要的。关键词：南水北调;薄壁渡槽;安全监测;工作性态分析

1 工程概述

湍河渡槽是南水北调中线干线控制性工程之一，位于河南省邓州市境内，工程建筑物总长1 030 m，顺总干渠流向，自起点至终点，依次为：① 右岸渠道连接段；② 进口渐变段；③ 进口闸室段；④ 进口连接段；⑤ 槽身段；⑥ 出口连接段；⑦ 出口闸室段；⑧ 出口渐变段；⑨ 左岸渠道连接段。

渡槽槽身为相互独立的三槽双向预应力混凝土薄壁结构[1-3]，见图1。单跨40 m，共18跨54榀，设计过水流量350 m3/s，加大流量420 m3/s，槽体内空尺寸、单跨跨度、最大输水流量均居世界首位, 采用造槽机现场浇筑施工。

2 监测内容与布置

湍河渡槽的监测布置按照“重点突出，兼顾全面，重点断面和一般监测断面相结合”的原则，主要监测内容有3个方面：

图1 湍河渡槽槽身断面图 单位：cm

(1) 变形监测；

(2) 应力应变监测；

(3) 渗透水压力监测。

其中，渡槽槽体为重点监测部位，主要布置有应变计、无应力计、锚索测力计、渗压计、测压管、水准点等监测仪器(或设施)[4]。

3 监测成果分析

3.1 结构应力、应变监测

槽体结构应力、应变通过埋设于槽内应变计和无应力计监测，同时兼测温度。

3.1.1 槽体混凝土温度变化特点

(1) 施工初期：混凝土入仓后，受造槽机内模约束，主要受水泥水化热释放影响，一般混凝土浇筑后30 h达最高温升。最高温升与浇筑时间有关联，如河南省邓州市7月份外部环境气温最高，槽体最高温升可达58 ℃，而8月份浇筑槽体最高温升近50 ℃，1周后,槽体温度与外部环境气温接近，趋于平衡稳定[5]。

(2) 施工期：槽体内没有充水，渡槽温度主要受外部气温影响，表现为周期变化规律，每年的1—2月达到最低，最高温度出现在每年的7—8月，年变幅约32 ℃。渡槽充水运行后，温度年周期变幅明显减小，约25 ℃，这是“U”形薄壁渡槽显著结构特点，有别于一般大体积水工建筑物。槽内充水，槽体温度变幅减小，减缓了与外部环境的温差梯度变化，有利于槽体结构的安全[6-7]。

3.1.2 预应力张拉引起的混凝土有效应力分析

预应力施加后，混凝土表现为受压，随张拉过程的发展，压应力逐渐增大[8]。预应力张拉后，“U”形渡槽槽身混凝土全断面处于受压状态。与张拉前相比，12号槽体混凝土纵向压应力平均增加9.0 MPa，环向压应力增加5.8 MPa；2号槽体混凝土纵向压应力平均增加9.4 MPa，环向增加5.7 MPa，2个实验槽测值比较接近。混凝土有效预压应力小于C50混凝土轴心抗压强度标准值0.6倍[9]。

预应力张拉引起的混凝土有效应力分布具有以下规律：

(1) 底板处混凝土有效压应力比上部直段应力大，即，沿高程而下，预应力张拉后，混凝土纵向有效应力逐渐增大。2号试验槽混凝土应力变化特征值，见表1；12号试验槽混凝土应力变化特征值，见表2。

表1 2号试验槽混凝土应力变化特征值表

表2 12号试验槽混凝土应力变化特征值表

(2) 混凝土环向有效应力在上部直段(端部)大，中部底板处小。

这种分布特点，与预应力钢绞线的配置、预应力管道摩阻损失等有关。

3.1.3 渡槽充水对槽体应力的影响分析

充水试验过程中，随水位的上升，底部压应力减小，减小范围在1.01～2.16 MPa之间。上部压应力增大，增大范围在1.0～1.2 MPa之间。

同一垂直断面，随水位的上升，底部压应力减小，圆弧段及圆弧段以上直段压应力增大，即：水重引起渡槽上部受压，下部受拉。

在水流方向，2号试验槽底板跨中压应力减小最大，为1.79 MPa，从跨中向跨端方向，压应力减小范围在1.01～1.74 MPa之间；12号试验槽底板跨中压应力减小2.16 MPa，往跨端方向，压应力减小范围在1.09～1.96 MPa之间，即：底板受拉，跨中部位所受拉应力最大，拉应力与预施加的有效压应力叠加，表现为跨中部位压应力减小最大，向跨端递减，与简支梁受力应力应变规律一致。

充水水位的变化对环向应力影响不明显[10]。

从表1，2中可以看出，“U”形渡槽槽身由于水荷作用产生的应力变化在整体预应力中所占比重不大，测点应力变化多在有效压应力20%范围内[11]。

湍河渡槽于2013年12月主体工程完工，2014年6月全线充水试验和通水运行至今，已有近2 a的时间，仪器测值稳定，“U”形渡槽槽身混凝土全断面始终处于受压状态，压应力值在规范规定范围内。

进而验证了：渡槽锚索处于正常工作状态，预应力有一定安全冗度，渡槽抗裂性能可以满足要求，渡槽结构是安全的。

3.2 槽体挠度

3.2.1 充水试验期间槽体挠度

各槽体挠度检测成果与理论计算值，见表3。

表3 槽体挠度理论计算值与实测值对照表 /mm

湍河渡槽单槽为预应力简支“U”形槽，理论计算静载时，取用自重+满槽水荷载+槽面活荷载工况，最大弯矩出现在单跨1/2L处，最大挠度值5.08 mm。监测成果反映：

(1) 在水荷载作用下，“U”形槽体表现为向下挠曲变形，表现出较强的同步响应性；多数槽体挠度实测值在2～4 mm之间，各槽挠度变化均匀，实测挠度值小于理论计算值；

(2) 单槽充水时，同槽左右两侧挠曲变化均衡，相邻左右槽体未发现有充水影响变形，说明渡槽左、中、右三槽在结构受力上是独立的，槽体不存在偏心现象。

挠度监测成果与实际受力状态是相符的，间接说明槽体结构是安全的，可以满足渡槽通水运行需要，槽体的刚度、钢绞线施加、混凝土浇筑质量也是可信的[12]。

3.2.2 运行期渡槽挠度变化特点

2号槽体挠度随时间变化过程,见图2。

图2 槽体挠度随时间变化过程图

从图2中可以看出：① 槽体挠度小于充水试验满槽水位最大挠度；② 槽体挠度与水位有较强的相关性，即，随渠道水位变化而变化，渠内水位高，槽体挠度大；渠内水位低，槽体挠度小[13-14]。

3.3 渡槽结构一线的垂直位移

(1) 受充水影响，槽体为向下沉降，充水至满槽，沉降量达到最大；泄水后，槽体为向上回复，表现出弹性变形特质。

(2) 各槽沉降变形均匀，相邻槽段间无明显不均匀沉降现象。

(3) 1号槽体的沉降量最大，18号沉降量最小，最大差异仅约5 mm，且呈现：1～18号槽，从上游至下游，梯次线性分布特点。这一分布特点，与渡槽槽身段跨越河床、漫滩及两岸一、二级阶地地质状况是相对应的，不会对渡槽的输水构成影响[15]。

(4) 从进口渠道段至出口渠道段一线沉降平顺，未见有明显不均匀现象，间接验证了高填方基础处理、桩基处理、闸基处理是合理的。

3.4 进出口建筑物基础及建筑物周边渗压监测

进出口建筑物基础埋设有渗压计、测压管，从监测成果来看，基础渗压很小，在2 kPa范围内，说明渡槽基础无明显渗漏、渡槽周边无绕渗等现象，间接验证了渡槽相邻结构之间，以及渡槽与主干渠之间结合度良好[16]。

4 结 语

通过对南水北调中线湍河渡槽施工期、充水试验期、运行初期安全监测数据的整理与分析，有以下认识：

(1) 预应力张拉后，渡槽槽身混凝土始终处于受压状态，压应力值在混凝土抗压强度范围内；充水试验混凝土实测应力应变与简支梁受力应力应变规律基本一致，“水重”荷载产生的应力变化在混凝土总有效应力中所占比重不大，预应力有相当安全冗度，渡槽抗裂性能满足要求。

(2) 充水试验期间，满槽水深槽体最大挠度在2～4 mm间，小于理论计算值；通水运行后，槽体挠度小于最大挠度值，且表现为随渠道水深而变化，证明槽体的刚度是可信的。

(3) 从渡槽进口段至出口段一线沉降平顺，结构与结构之间衔接正常，无明显不均匀沉降现象。

(4) 渡槽基础无明显渗漏、渡槽周边无绕渗等现象。

由此可见，湍河渡槽槽身是安全的；大荷载，软岩、膨胀土(岩)等不利地基下，渡槽基础一线无明显不均匀沉降现象，各结构间衔接正常，渡槽工作性态正常，验证前期的勘测与设计是合理的。

[1] 李国平.预应力混凝土结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 赵文华,陈德亮,颜其照,管枫年.渡槽[M].2版.北京:水利电力出版社,1993.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:GB50010—2010[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[4] 张秀丽,杨泽艳.水工设计手册(第11卷),水工安全监测[M].2版.北京：中国水利水电出版社,2011.

[5] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京：人民交通出版社,1991.

[6] 电力行业水电施工标准化技术委员会.水工混凝土试验规范:DL/T5150—2001[S].北京:电力出版社,2002.

[7] 中华人民共和国国家能源局.水工混凝土结构设计规范:DL/T5057—2009[S].北京:中国电力出版社,2009.

[8] 简兴昌,梁仁强,杨谢芸.南水北调中线湍河渡槽槽身施工方案研究[J].人民长江,2014(06)：92-94.

[9] 郑光俊,吕国梁,张传健等.南水北调中线湍河渡槽设计与施工研究[J].人民长江,2014(06)：27-30.

[10] 张文胜,李红霞.清江隔河岩水利枢纽通航渡槽的安全监测与施工监控[C]//水利水电测绘科技论文集.武汉：长江出版社，2007.

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[12] 陆岸典,丁仕辉.东深供水改造工程旗岭拱构式渡槽施工技术特点[J].西北水电， 2003(04):31-33.

[13] 姖栋宇.沙河预应力矩形渡槽运营期有限元仿真分析[J].水科学与工程技术，2009(02):1-3.

[14] 何利涛,朱文新.预应力钢筋混凝土渡槽结构三维有限元计算分析[J].西北水电，2011(04):92-94.

[15] 长江勘测规划设计研究有限责任公司.南水北调中线一期工程总干渠陶岔渠首～沙河南段工程湍河渡槽初步设计报告[R].武汉：2009.

[16] 长江勘测规划设计研究有限责任公司南水北调中线工程总干渠淅川段、湍河渡槽、镇平段工程安全监测项目部.南水北调中线一期工程总干渠湍河渡槽二次充水试验安全监测分析报告[R].武汉：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

张文胜(1972- )，男，高级工程师，湖北省天门市人，主要从事安全监测设计、施工、研究等工作.

TU45;TV223.31

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.012