南水北調中線一期工程總干渠渠道襯砌分縫設計探討

吳劍疆 李寧博

（水利部水利水電規劃設計總院 北京 100120）

南水北調中線一期工程是解決我國北方地區嚴重缺水問題的特大型跨流域調水工程。工程由水源工程、輸水工程和漢江中下游治理工程三大部分組成，其中總干渠主要采用明渠輸水型式，渠線全長約1276km，梯形明渠長約1105km。為滿足總干渠輸水需要，中線一期工程總干渠全線采用全斷面混凝土襯砌。土質渠道邊坡混凝土襯砌厚10cm，底板混凝土襯砌厚8cm，均為現澆混凝土，下設復合土工膜防滲。為解決高地下水位渠段襯砌板抗浮穩定問題，根據地下水位情況，對渠基采取了排水等措施。結合渠道襯砌機施工特點，現澆混凝土襯砌一般間隔4m設一道縱、橫伸縮縫，縫寬為1～2cm，縫上部2cm為聚硫密封膠或聚氨酯密封膠嵌縫，下部為閉孔泡沫板填縫。石質渠道段過水斷面部分一般采用模筑減糙混凝土襯砌，厚度為20或25cm，分縫型式同土質渠道。由于南水北調中線工程總干渠為特大型供水渠道，流量大，水深大，同時沿線渠基地質條件變化較大，襯砌結構的分縫設計對總干渠的運行安全和工程投資的影響較大。

1 襯砌分縫設計影響因素分析

渠道混凝土襯砌往往會因溫度變化、混凝土干縮、荷載變化、地基不均勻沉陷等引起變形，這些變形可能導致襯砌結構產生裂縫，進而影響渠道正常運行。為消除或減少裂縫的形成，確保渠道正常運行，通常在渠道襯砌中設置結構縫，并在縫中嵌入密封材料防止滲水。通常情況下襯砌板結構縫包括伸縮縫和沉降縫兩種。伸縮縫主要解決溫度變化帶來的熱脹冷縮問題及混凝土干縮變形的問題，與氣候條件和混凝土的性能等因素有關。沉降縫主要解決地基不均勻沉陷問題，與襯砌板下地質條件及荷載大小等相關。為使渠道襯砌分縫設計既安全又經濟合理，襯砌分縫間距不能太大，也不能過小。太大不能適應混凝土襯砌本身的溫度變形，容易導致襯砌板開裂；太小則整體性差，且增加糙率。同樣，預留縫寬不能太寬，也不能太窄。縫太寬，嵌縫材料造價大，可能造成浪費。縫寬太小，則可能滿足不了伸縮變形要求，還可能導致施工困難。

分縫間距主要跟以下因素有關。一是渠道沿線的氣象條件。主要指冬夏兩季的氣溫變幅及晝夜溫差變化。氣溫變化大，混凝土伸縮變形大，混凝土襯砌板中產生的溫度應力相應較大，為滿足抗裂要求，需較小分縫間距。二是渠道沿線地質條件。主要指渠基土的性質和襯砌板下地基的不均一性。對軟土地基，由于地基壓縮模量小，在同樣荷載下，襯砌板變形較大，抗裂安全系數較小，需較小的分縫間距，反之則可適當增加分縫間距。地基不均一時，襯砌板內可能因不均勻沉降導致內力增加，抗裂安全系數減小，這時需較小的分縫間距，反之則可適當增加分縫間距。三是混凝土襯砌板承受的荷載。襯砌板承受荷載越大，所需分縫間距越小。四是混凝土襯砌板本身的強度特性。混凝土強度高，其抗裂能力相應較強，分縫間距可適當加大，反之為滿足抗裂要求，其分縫間距需適當減小。五是混凝土襯砌板的厚度。當襯砌板的厚度較厚時，襯砌板的徑向剛度較大，襯砌板抗裂能力較強，分縫間距可加大，反之則需減小分縫間距。

縫寬大小主要與襯砌板運行期的伸縮變形量，主要與分縫間距、溫度變幅、混凝土的干縮系數和熱膨脹系數、填料的伸縮性和粘結力以及施工要求等有關。分縫間距、溫度變幅和混凝土的熱膨脹系數愈大，混凝土伸縮變形量越大，則預留的縫寬越大。在分縫間距、溫度變化和混凝土的干縮系數、熱膨脹系數一定的情況下，分縫寬度則取決于嵌縫材料的特性，嵌縫材料的拉伸性能越好、粘結能力越強，則預留的縫寬可越小。

2 規程規范的規定及分析

關于渠道襯砌分縫設計，目前國內可參考以下幾個規范，分別為 《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288－99）、 《渠道防滲工程技術規范》（SL18－2004）、 《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL211－98）和 《聚硫、聚氨酯密封膠給水排水工程應用技術規程》 （CECS 217：2006）。各規程規范中關于縫間距和縫寬的規定匯總見表1。

表1 規程規范中渠道襯砌分縫間距和縫寬規定匯總

上述規范中，《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288－99）主要適應于新建、擴建和改建的灌溉與排水工程設計，和南水北調工程以供水為主的特點不相適應。《渠道防滲工程技術規范》（SL18－2004）主要適應于農田灌溉、發電引水、供水等渠道的防滲工程的設計、施工和管理，主要從防滲角度進行考慮。《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL211－98）主要適用于受凍和凍融、凍脹作用的新建或改建的水工建筑物設計，主要從防冰凍角度進行考慮。《聚硫、聚氨酯密封膠給水排水工程應用技術規程》（CECS 217：2006）主要針對在襯砌材料已選定密封膠的情況下從施工方面提出的技術要求，而沒考慮襯砌板的受力特性和變形特性。為探討南水北中線工程總干渠分縫設計的合理性，需結合南水北調工程特點，參考國內外工程實例，結合有關計算和分析，對縫間距和縫寬做進一步分析。

3 工程實例及分析

南水北調中線一期工程總干渠規模較大，國內外與其規模相近的工程實例較少。國內目前已有的規模較大的渠道中，除南水北調東線工程外，大多為已建的大型灌區的骨干渠道，這些渠道建設年代都比較久遠，標準都比較低。近年來，國家投資對這些渠道襯砌結構進行了改造，標準有所提高，但和南水北調中線一期工程總干渠相比，規模和標準還是有一些差距。國內其它以供水為主且規模較大的渠道的襯砌分縫設計匯總如表2所列。

上述實例中，襯砌分縫設計大致可分兩類，一類是襯砌材料采用預制混凝土板，分縫間距按6～8m控制，縫寬采用2或2.5cm。另一類是襯砌材料采用現澆混凝土，分縫間距采用3～5m，縫寬采用1～2cm。不難看出，這些渠道的襯砌分縫設計基本和現有規程規范一致。

4 結構驗算及分析

為分析縫間距設計的合理性，對襯砌板的抗裂能力進行了驗算。計算方法采用有限元法。先用有限元分析軟件計算襯砌板的內力，再利用受彎構件的抗裂公式計算抗裂安全系數。抗裂安全系數采用下述公式：

式中：

Kf為抗裂安全系數，Kf≥1.2時滿足抗裂安全要求；

M為襯砌板最大單寬彎矩；

γ為截面抵抗矩的塑性系數，矩形截面取1.55；

Rf為混凝土抗裂設計強度，C20混凝土取145N／cm2；

W0為單位截面受拉邊緣彈性抵抗矩（cm3／cm），素混凝土矩形截面為bh2／6。

計算主要考慮了襯砌厚度和地基壓縮模量的影響。計算中選用了不同分縫間距（5m、8m、10m）、不同襯砌厚度（8cm、10cm）及不同地基壓縮模量（5MPa、8MPa、10MPa、15MPa、18MPa、20MPa）進行組合模擬運算。計算結果如表3、表4所列。

表3 襯砌分縫間距為5m時抗裂安全系數

表4 襯砌分縫間距為8m時抗裂安全系數

上述結果中，分縫間距為5m時，襯砌混凝土板可基本滿足抗裂要求，而分縫間距采用8m時，地基土壓縮模量需在15MPa以上時可滿足抗裂要求，但在壓縮模量較小情況下，不能滿足抗裂要求。從結果分析可知，為滿足混凝土襯砌板抗裂要求，襯砌板分縫間距宜控制在5m以內，而當地基條件較好時，可適當增加分縫間距。

為分析縫寬設計的合理性，采用下面的公式對縫寬的變化進行了估算

式中：

△L為混凝土板的伸縮縫寬度變化值；

α為混凝土的熱膨脹系數，取10×10－6／℃；

L為混凝土襯砌板的分縫間距，取4m；

△T為溫度變幅，取40℃

經估算，在上述假定條件下，混凝土板伸縮縫寬度的變化值為1.6mm。如混凝土板襯砌預留縫寬為1cm，則混凝土襯砌板在運行期間縫寬變化僅為預留縫寬的16%，即在分縫間距4m的情況下，預留縫寬1cm可基本滿足溫度變化的要求。縫寬的設計主要取決于嵌縫材料的特性以及嵌縫材料的施工要求。

表2 部分大型供水渠道襯砌分縫設計

5 投資敏感性分析

為分析分縫間距和縫寬對投資的影響，根據分縫間距和縫寬的不同組合，選擇多種分縫設計方案對總干渠嵌縫材料的工程量和投資（只考慮材料價）進行了匡算，縫間距分別采用 3m、3.5m、4m、4.5m 和5m，縫寬分別采用1cm、1.5cm、2cm和2.5cm。計算假定渠道底寬20m，邊坡1：2，渠底至一級馬道頂高程8m。總干渠長度采用1100km，縫深采用2cm，嵌縫材料采用聚硫密封膠，材料單位為每噸兩萬元。計算結果表明，當縫寬采用1cm，縫間距從5m減小至3m時，聚硫密封膠造價增加1.1億元，即縫間距平均每減小0.5m，投資增加近3000萬元。當縫間距為4m，縫寬從1.0cm增加至2.0cm時，投資增加約2億元，即縫間距平均每增加0.5cm，投資增加近1億元。由此可知，縫間距和縫寬的選取對工程投資影響較大。從節省工程投資角度出發，設計宜采用較大的分縫間距和較小的縫寬。

6 結語

南水北調中線一期工程總干渠為特大型供水渠道，水深大，流量大，混凝土襯砌結構的分縫設計對總干渠運行安全和工程投資影響較大。目前已有的關于襯砌結構分縫設計的規程規范主要適應于灌排工程或從防滲、抗冰凍及施工等方面提出技術要求，和南水北調中線一期工程總干渠的規模及以供水為主的特點并不太相適應。目前國內已建的渠道工程中，其規模一般都比中線一期工程的規模要小，標準也比南水北調中線工程要低，不能作為南水北調中線一期工程總干渠襯砌分縫設計的依據。經計算分析，對南水北調中線一期工程總干渠，縫間距小于5m可基本滿足混凝土襯砌板抗裂要求。目前，南水北調中線工程總干渠襯砌分縫間距采用4m是基本合適的。對地基條件較好渠段，從節約投資考慮也可適當增加分縫間距，但不宜增加太多。縫寬采用1cm或2cm均能基本滿足伸縮縫寬度變化要求和工程施工要求，但采用1cm較2cm可顯著節省工程投資，從節約投資角度考慮，可采用較小縫寬。

1 江河水利水電咨詢中心 .南水北調中線工程總干渠襯砌分縫及嵌縫材料選擇研究報告［R］.2010.

2 長江勘測規劃設計研究院 .南水北調中線一期工程可行性研究總報告［R］.2007.

3 長江勘測規劃設計研究院等單位 .南水北調中線一期工程各設計單元初步設計報告［R］.