大型“U”形薄壁渡槽安全監(jiān)測及工作性態(tài)分析

張文勝,吳德緒,李紅霞,周學(xué)友

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010；2.葛洲壩測繪地理信息技術(shù)公司，湖北省宜昌市 443133；3.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)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(jiān)測及工作性態(tài)分析

張文勝1,吳德緒1,李紅霞2,周學(xué)友3

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

為了檢驗(yàn)“U”形渡槽工作性態(tài)，布置了較全面原型監(jiān)測儀器。通過某“U”形渡槽施工期、充水試驗(yàn)期、通水運(yùn)行初期安全監(jiān)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(tài)正常，也驗(yàn)證前期勘測與設(shè)計(jì)是合理的。同時(shí)，監(jiān)測成果也反映出澆筑期間，薄壁渡槽槽體溫度應(yīng)力不容忽視，易形成初始應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利，施工中進(jìn)行措施控制是必要的。關(guān)鍵詞：南水北調(diào);薄壁渡槽;安全監(jiān)測;工作性態(tài)分析

1 工程概述

湍河渡槽是南水北調(diào)中線干線控制性工程之一，位于河南省鄧州市境內(nèi)，工程建筑物總長1 030 m，順總干渠流向，自起點(diǎn)至終點(diǎn)，依次為：① 右岸渠道連接段；② 進(jìn)口漸變段；③ 進(jìn)口閘室段；④ 進(jìn)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(dú)立的三槽雙向預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁結(jié)構(gòu)[1-3]，見圖1。單跨40 m，共18跨54榀，設(shè)計(jì)過水流量350 m3/s，加大流量420 m3/s，槽體內(nèi)空尺寸、單跨跨度、最大輸水流量均居世界首位, 采用造槽機(jī)現(xiàn)場澆筑施工。

2 監(jiān)測內(nèi)容與布置

湍河渡槽的監(jiān)測布置按照“重點(diǎn)突出，兼顧全面，重點(diǎn)斷面和一般監(jiān)測斷面相結(jié)合”的原則，主要監(jiān)測內(nèi)容有3個(gè)方面：

圖1 湍河渡槽槽身斷面圖 單位：cm

(1) 變形監(jiān)測；

(2) 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測；

(3) 滲透水壓力監(jiān)測。

其中，渡槽槽體為重點(diǎn)監(jiān)測部位，主要布置有應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、錨索測力計(jì)、滲壓計(jì)、測壓管、水準(zhǔn)點(diǎn)等監(jiān)測儀器(或設(shè)施)[4]。

3 監(jiān)測成果分析

3.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

槽體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變通過埋設(shè)于槽內(nèi)應(yīng)變計(jì)和無應(yīng)力計(jì)監(jiān)測，同時(shí)兼測溫度。

3.1.1 槽體混凝土溫度變化特點(diǎn)

(1) 施工初期：混凝土入倉后，受造槽機(jī)內(nèi)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(dá)最高溫升。最高溫升與澆筑時(shí)間有關(guān)聯(lián)，如河南省鄧州市7月份外部環(huán)境氣溫最高，槽體最高溫升可達(dá)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(huán)境氣溫接近，趨于平衡穩(wěn)定[5]。

(2) 施工期：槽體內(nèi)沒有充水，渡槽溫度主要受外部氣溫影響，表現(xiàn)為周期變化規(guī)律，每年的1—2月達(dá)到最低，最高溫度出現(xiàn)在每年的7—8月，年變幅約32 ℃。渡槽充水運(yùn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有別于一般大體積水工建筑物。槽內(nèi)充水，槽體溫度變幅減小，減緩了與外部環(huán)境的溫差梯度變化，有利于槽體結(jié)構(gòu)的安全[6-7]。

3.1.2 預(yù)應(yīng)力張拉引起的混凝土有效應(yīng)力分析

預(yù)應(yīng)力施加后，混凝土表現(xiàn)為受壓，隨張拉過程的發(fā)展，壓應(yīng)力逐漸增大[8]。預(yù)應(yīng)力張拉后，“U”形渡槽槽身混凝土全斷面處于受壓狀態(tài)。與張拉前相比，12號(hào)槽體混凝土縱向壓應(yīng)力平均增加9.0 MPa，環(huán)向壓應(yīng)力增加5.8 MPa；2號(hào)槽體混凝土縱向壓應(yīng)力平均增加9.4 MPa，環(huán)向增加5.7 MPa，2個(gè)實(shí)驗(yàn)槽測值比較接近。混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力小于C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值0.6倍[9]。

預(yù)應(yīng)力張拉引起的混凝土有效應(yīng)力分布具有以下規(guī)律：

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

表1 2號(hào)試驗(yàn)槽混凝土應(yīng)力變化特征值表

表2 12號(hào)試驗(yàn)槽混凝土應(yīng)力變化特征值表

(2) 混凝土環(huán)向有效應(yīng)力在上部直段(端部)大，中部底板處小。

這種分布特點(diǎn)，與預(yù)應(yīng)力鋼絞線的配置、預(yù)應(yīng)力管道摩阻損失等有關(guān)。

3.1.3 渡槽充水對(duì)槽體應(yīng)力的影響分析

充水試驗(yàn)過程中，隨水位的上升，底部壓應(yīng)力減小，減小范圍在1.01～2.16 MPa之間。上部壓應(yīng)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(yīng)力減小，圓弧段及圓弧段以上直段壓應(yīng)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(hào)試驗(yàn)槽底板跨中壓應(yīng)力減小最大，為1.79 MPa，從跨中向跨端方向，壓應(yīng)力減小范圍在1.01～1.74 MPa之間；12號(hào)試驗(yàn)槽底板跨中壓應(yīng)力減小2.16 MPa，往跨端方向，壓應(yīng)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(yīng)力最大，拉應(yīng)力與預(yù)施加的有效壓應(yīng)力疊加，表現(xiàn)為跨中部位壓應(yīng)力減小最大，向跨端遞減，與簡支梁受力應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律一致。

充水水位的變化對(duì)環(huán)向應(yīng)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(chǎn)生的應(yīng)力變化在整體預(yù)應(yīng)力中所占比重不大，測點(diǎn)應(yīng)力變化多在有效壓應(yīng)力20%范圍內(nèi)[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(yàn)和通水運(yùn)行至今，已有近2 a的時(shí)間，儀器測值穩(wěn)定，“U”形渡槽槽身混凝土全斷面始終處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力值在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)。

進(jìn)而驗(yàn)證了：渡槽錨索處于正常工作狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力有一定安全冗度，渡槽抗裂性能可以滿足要求，渡槽結(jié)構(gòu)是安全的。

3.2 槽體撓度

3.2.1 充水試驗(yàn)期間槽體撓度

各槽體撓度檢測成果與理論計(jì)算值，見表3。

表3 槽體撓度理論計(jì)算值與實(shí)測值對(duì)照表 /mm

湍河渡槽單槽為預(yù)應(yīng)力簡支“U”形槽，理論計(jì)算靜載時(shí)，取用自重+滿槽水荷載+槽面活荷載工況，最大彎矩出現(xiàn)在單跨1/2L處，最大撓度值5.08 mm。監(jiān)測成果反映：

(1) 在水荷載作用下，“U”形槽體表現(xiàn)為向下?lián)锨冃危憩F(xiàn)出較強(qiáng)的同步響應(yīng)性；多數(shù)槽體撓度實(shí)測值在2～4 mm之間，各槽撓度變化均勻，實(shí)測撓度值小于理論計(jì)算值；

(2) 單槽充水時(shí)，同槽左右兩側(cè)撓曲變化均衡，相鄰左右槽體未發(fā)現(xiàn)有充水影響變形，說明渡槽左、中、右三槽在結(jié)構(gòu)受力上是獨(dú)立的，槽體不存在偏心現(xiàn)象。

撓度監(jiān)測成果與實(shí)際受力狀態(tài)是相符的，間接說明槽體結(jié)構(gòu)是安全的，可以滿足渡槽通水運(yùn)行需要，槽體的剛度、鋼絞線施加、混凝土澆筑質(zhì)量也是可信的[12]。

3.2.2 運(yùn)行期渡槽撓度變化特點(diǎn)

2號(hào)槽體撓度隨時(shí)間變化過程,見圖2。

圖2 槽體撓度隨時(shí)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(yàn)滿槽水位最大撓度；② 槽體撓度與水位有較強(qiáng)的相關(guān)性，即，隨渠道水位變化而變化，渠內(nèi)水位高，槽體撓度大；渠內(nèi)水位低，槽體撓度小[13-14]。

3.3 渡槽結(jié)構(gòu)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(dá)到最大；泄水后，槽體為向上回復(fù)，表現(xiàn)出彈性變形特質(zhì)。

(2) 各槽沉降變形均勻，相鄰槽段間無明顯不均勻沉降現(xiàn)象。

(3) 1號(hào)槽體的沉降量最大，18號(hào)沉降量最小，最大差異僅約5 mm，且呈現(xiàn)：1～18號(hào)槽，從上游至下游，梯次線性分布特點(diǎn)。這一分布特點(diǎn)，與渡槽槽身段跨越河床、漫灘及兩岸一、二級(jí)階地地質(zhì)狀況是相對(duì)應(yīng)的，不會(huì)對(duì)渡槽的輸水構(gòu)成影響[15]。

(4) 從進(jìn)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(xiàn)象，間接驗(yàn)證了高填方基礎(chǔ)處理、樁基處理、閘基處理是合理的。

3.4 進(jìn)出口建筑物基礎(chǔ)及建筑物周邊滲壓監(jiān)測

進(jìn)出口建筑物基礎(chǔ)埋設(shè)有滲壓計(jì)、測壓管，從監(jiān)測成果來看，基礎(chǔ)滲壓很小，在2 kPa范圍內(nèi)，說明渡槽基礎(chǔ)無明顯滲漏、渡槽周邊無繞滲等現(xiàn)象，間接驗(yàn)證了渡槽相鄰結(jié)構(gòu)之間，以及渡槽與主干渠之間結(jié)合度良好[16]。

4 結(jié) 語

通過對(duì)南水北調(diào)中線湍河渡槽施工期、充水試驗(yàn)期、運(yùn)行初期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理與分析，有以下認(rèn)識(shí)：

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

(2) 充水試驗(yàn)期間，滿槽水深槽體最大撓度在2～4 mm間，小于理論計(jì)算值；通水運(yùn)行后，槽體撓度小于最大撓度值，且表現(xiàn)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(jìn)口段至出口段一線沉降平順，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間銜接正常，無明顯不均勻沉降現(xiàn)象。

(4) 渡槽基礎(chǔ)無明顯滲漏、渡槽周邊無繞滲等現(xiàn)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(chǔ)一線無明顯不均勻沉降現(xiàn)象，各結(jié)構(gòu)間銜接正常，渡槽工作性態(tài)正常，驗(yàn)證前期的勘測與設(shè)計(jì)是合理的。

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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(jí)工程師，湖北省天門市人，主要從事安全監(jiān)測設(shè)計(jì)、施工、研究等工作.

TU45;TV223.31

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.012