大型預應力渡槽充水試驗淺析

□ 梁祥金 □ 郭曉萌 □ 陳秋紅（河南省水利勘測設計研究有限公司）

0 引言

南水北調中線工程渠道渡槽上跨交叉河流，工程量大，技術含量高，施工技術復雜，是總干渠的控制性工程。在總干渠進行全線通水之前，對渠道渡槽進行充水試驗，對工程安全性進行先期檢驗，及時排除安全隱患，為總干渠順利通水創造良好條件。下面就南水北調中線工程某大型預應力渡槽充水試驗進行分析，并對工程的安全性進行一些探討。

1 工程概述

南水北調某渡槽建筑物總長325m，由進口漸變段、進口閘室段、梁式渡槽段、出口閘室段及出口漸變段組成。其中梁式渡槽段長150m，槽身橫向4孔，2孔1聯，共2聯，單孔凈寬7m、凈高7.80m，跨徑30m，共5跨。槽身采用三向預應力混凝土矩形槽結構型式，C50混凝土，設計流量305m3/s，設計水深6.48m，加大流量365m3/s，加大水深7.11m。下部支承采用鋼筋混凝土空心墩，空心墩高度根據地形設為6.40～7.90m。基礎為鉆孔灌注樁，樁徑1.80m。

2 監測儀器布置情況

第1、3跨左聯槽身布置有監測儀器，其中單榀槽身布設鋼筋計109支，單向應變計92支，無應力計12支，沉降標點6支，測縫計8支，豎向錨索測力計4支，橫向錨索測力計8支，縱向錨索測力計16支。

第1#、3#、4#槽墩及下部樁基左右聯均布置有監測儀器，其中單個槽墩及其樁基共布設鋼筋計14支，單向應變計14支，無應力計6支，測斜儀1支，土壓力計1支，滲壓計4支。

同時，為監控槽身的撓度情況，在渡槽左右聯每跨槽身頂部中墻中間及兩端各埋設一個沉降標點，用于計算槽身頂部撓度；每跨槽身底部中間跨中及兩端各埋設一個沉降標點，用于計算槽身底部撓度。左右聯槽墩每個槽墩中間部位埋設一個沉降標點，用于監測槽墩的沉降。

3 充水試驗目的

渡槽充水試驗的主要目的是:一是檢查渡槽各部分止水縫施工質量，并在全線通水前對出現的質量缺陷進行處理；二是檢查渡槽結構實體混凝土質量及結構應力分布狀態；三是觀測渡槽在充水條件下的變形情況；四是根據充水試驗成果評估渡槽結構的安全性及可靠性；五是為南水北調總干渠全線順利通水運行提供技術保障。

4 充水試驗總體方案

渡槽充水試驗采用在進出口漸變段以外總干渠渠道內堆碼土袋圍堰作為堵頭，試驗段總長345m，總充水水量約為12.23萬m3。根據充水水位要求，充水試驗圍堰高8.10m，頂寬3m，迎水面和背水面邊坡均為1:3，迎水面鋪設復合土工膜（150g/m2-0.50mm-150g/m2），土工膜下端粘在總干渠渠道襯砌底板上，兩側粘在總干渠邊坡襯砌板上，所有粘接處粘接長度≥1m。

5 充水試驗觀測、監測要求

為保證充水試驗取得預期效果，對充水試驗的觀測、監測要求如下:一是充水試驗應對全部梁式渡槽進行撓度監測；二是現場土建單位對滲水、裂縫等充水引起的外部特征進行記錄、標示，監測單位對監測儀器進行數據采集測算；三是充水試驗段內所埋監測設備在試驗期間全部進行觀測，觀測次數應根據試驗進展使監測數據能反應試驗現場所發生的情況；四是與渡槽撓度有關的監測應在充水前、滿槽水位及放空后至少各監測一次；五是充水試驗各責任單位應編制應急處理預案，并提出充水試驗期間的安全保證措施，保證試驗過程中的人員、工程安全。

6 充水試驗過程

渡槽充水試驗由空槽至滿槽共歷時16d，靜置19d后開始放水，全試驗過程共歷時50d。

7 槽身混凝土實體質量評價

本渡槽充水試驗過程中，經現場巡視檢查，共發現槽身滲水部位6處，均為窨水點（可見明顯水印，但無水滴或者水流）。槽身后澆帶施工縫有1處窨水，槽身后澆帶滲水存在兩種情況:后澆帶與前期施工的槽身結合處施工縫處理不徹底，產生滲漏水；后澆帶中間結構縫（收縮縫）的止水周邊澆筑不密實、存在縫隙水沿著結構縫繞過止水沿縫面滲漏水。

槽身側墻底板與側墻施工縫有1處窨水，主要原因是由于局部存在積渣，乳皮清理不徹底；混凝土拌和物入倉方式為泵送，通過每隔4m的串筒入到倉底，混凝土塌落度偏大時，存在趕料、骨料分離或振搗不到位的情況，存在縫隙，導致出現窨水。出口段閘室邊墻外側有1處窨水，主要原因是混凝土在施工過程中振搗不到位、存在漏振現象，導致混凝土不密實，出現窨水現象。其他3處窨水位置均為螺栓孔處窨水，主要原因是施工過程中混凝土振搗不到位使混凝土包裹的對拉螺栓存在縫隙，且螺栓孔封堵不嚴實造成的窨水現象。

經充水試驗驗證，渡槽混凝土施工質量與止水安裝總體較好，渡槽質量缺陷均為窨水點，發現的質量缺陷不影響工程結構安全，對出現的質量缺陷處理合格并經檢驗不再滲水后，渡槽結構能滿足正常運行及結構耐久性要求。

8 安全監測成果及分析

一是監測數據:由于監測數據量龐大，囿于篇幅限制，文中不再列示，從略。二是梁式渡槽撓度監測分析:根據監測數據，梁式渡槽槽身撓度隨著水位的加大逐漸加大，在滿槽水位時撓度值達到最大值。槽身撓度最大測值為-1.03mm。三是梁式渡槽沉降變形監測:監測數據顯示，梁式渡槽槽頂的沉降量隨水位的加大逐漸的加大，在滿槽水位時，沉降量達到最大值。槽頂最大沉降量為-11.02mm。在滿槽水位下，槽墩頂最大沉降量為-3.62mm，相鄰槽墩最大沉降差為3.07mm。監測數據顯示，梁式渡槽跨間測縫計測值最大張開值為-4.88mm,最大閉合值為1.36mm。測斜儀監測數據顯示，測斜儀埋設位置（1/2墩高）水平位移最大值為6.36mm，相應墩頂最大水平位移為12.72mm。四是梁式渡槽應力、應變監測:混凝土、鋼筋的應力應變除受荷載影響外，氣溫、濕度、結構自身體積脹縮等變化對應力應變影響也比較大。通過空槽以及水荷載施加后應力應變情況，監測結構受力變化規律，同時結合結構沉降變形撓度等監測、裂縫檢查以及直觀檢查，綜合分析判斷結構狀態。梁式渡槽監測斷面充水前各部位鋼筋計測值表現為壓應力，最小壓應力為-0.51MPa。各部位混凝土的應變量測值顯示，槽體各部位絕大部分為壓應變，這與鋼筋計的測值協調一致。槽身混凝土拉應變僅在槽身豎墻頂部出現，但該部位鋼筋計測值顯示為壓應力，理論計算該部位應為壓應力，應變計測值與鋼筋計不完全協調一致，且與理論計算不一致。充水至滿槽，各部位鋼筋計測值表現為壓應力，最小壓應力為-0.72MPa。各部位混凝土的應變量變化顯示，槽體各部位絕大部分為壓應變，這與鋼筋計的測值協調一致。槽身混凝土拉應變僅在槽身豎墻頂部出現，但該部位鋼筋計測值顯示為壓應力，理論計算該部位應為壓應力，應變計測值與鋼筋計不完全協調一致，且與理論計算不一致。墩身鋼筋計測值-38.02～34.19MPa，樁基鋼筋計測值-22.54～7.22MPa。

梁式渡槽預應力為有粘結預應力，張拉后孔道灌漿。灌漿后，在漿體達到設計強度，錨索與槽身混凝土之間不再具有相對變形，測力計讀數變化一般反映的是儀器本身隨氣溫的變化，而非結構受力變化，因此充水試驗期間測力計讀數變化并不反映結構受力狀態，一般情況，測力計隨氣溫變化的讀數，不再具有判斷結構安全性的價值，但鋼絞線在端部斷掉、夾片失效等情況，測力計還是能夠反映的。錨索測力計在充水前與滿槽水位時測值有增有減，該變化應該是外界環境變化導致，不是結構加載引起的。渡槽放完水后，與充水前相比，錨索測力計讀數基本一致，與理論分析是一致的。同時，監測數據顯示，充水試驗過程中測力計測值是連續變化的，表明預應力結構處于正常工作狀態。通過對比梁式渡槽撓度、變形、應力應變等實測數據與設計值、允許值，渡槽實測最大值均未超過允許值、設計值及警戒值指標，梁式渡槽撓度、應力、變形滿足要求，結構安全穩定。

9 結構安全分析

9.1 結構受荷下直觀檢驗

本次充水試驗全線一次充水，充水周期達50d。對結構受力、變形有了較全面的掌握。試驗過程中發現6處窨水點，未發現較明顯的漏水點以及結構裂縫的張開或閉合現象。渡槽整體結構在各工況下處于安全運行狀態。

9.2 結構撓度、沉降、變形分析

通過充水試驗對所有梁式渡槽結構撓度、沉降進行了監測，對監測成果分析可知，梁式渡槽的撓度最大值為1.025mm，墩身最大沉降3.62mm，最大沉降差3.07mm，跨間結構縫寬度變化最大值為-4.88/1.36mm，墩臺水平位移最大值為12.72mm，渡槽撓度及墩身沉降、位移均未超過設計值、允許值及警戒值。結構受力變形符合規律。結構整體處于安全運行狀態。

9.3 結構應力、應變分析

充水試驗期間渡槽結構應力、應變等內觀監測儀器監測成果表明:一是梁式渡槽槽身內壁處于受壓狀態，外壁混凝土也處于受壓狀態；二是渡槽槽墩及樁基在各工況下應力、應變符合規律，鋼筋最大拉應力<135MPa。混凝土、鋼筋的應力應變除受荷載影響外，氣溫、濕度、結構自身體積收縮等變化對應力應變影響也比較大，綜合結構沉降、變形監測結果，結構整體處于安全狀態。

10 結論

一是渡槽結構沉降、變形指標在警戒值以內，應力測值在警戒值以內，變化符合受力規律。總體上工程處于安全運行狀態。二是渡槽各部位應力、應變變化符合規律，量值在警戒值以內。但在槽身豎墻頂部出現混凝土拉應變，槽身豎墻頂部鋼筋計測值顯示為壓應力，鋼筋計與應變計測值不完全協調一致，也與理論計算不一致。三是對于該異常問題應由現場施工、監理單位仔細核對監測成果并結合監測設備本身受施工、環境等因素分析查找出現異常的原因,同時后續應持續跟蹤，加強監測。四是充水試驗表明，渡槽施工質量總體較好，發現的質量缺陷均為一般質量缺陷，不影響工程承載安全，但影響結構耐久性。在所有缺陷經處理并經充水驗證合格后，結構滿足正常使用要求。