南水北调中线一期工程总干渠渠道衬砌分缝设计探讨

吴剑疆 李宁博

（水利部水利水电规划设计总院 北京 100120）

南水北调中线一期工程是解决我国北方地区严重缺水问题的特大型跨流域调水工程。工程由水源工程、输水工程和汉江中下游治理工程三大部分组成，其中总干渠主要采用明渠输水型式，渠线全长约1276km，梯形明渠长约1105km。为满足总干渠输水需要，中线一期工程总干渠全线采用全断面混凝土衬砌。土质渠道边坡混凝土衬砌厚10cm，底板混凝土衬砌厚8cm，均为现浇混凝土，下设复合土工膜防渗。为解决高地下水位渠段衬砌板抗浮稳定问题，根据地下水位情况，对渠基采取了排水等措施。结合渠道衬砌机施工特点，现浇混凝土衬砌一般间隔4m设一道纵、横伸缩缝，缝宽为1～2cm，缝上部2cm为聚硫密封胶或聚氨酯密封胶嵌缝，下部为闭孔泡沫板填缝。石质渠道段过水断面部分一般采用模筑减糙混凝土衬砌，厚度为20或25cm，分缝型式同土质渠道。由于南水北调中线工程总干渠为特大型供水渠道，流量大，水深大，同时沿线渠基地质条件变化较大，衬砌结构的分缝设计对总干渠的运行安全和工程投资的影响较大。

1 衬砌分缝设计影响因素分析

渠道混凝土衬砌往往会因温度变化、混凝土干缩、荷载变化、地基不均匀沉陷等引起变形，这些变形可能导致衬砌结构产生裂缝，进而影响渠道正常运行。为消除或减少裂缝的形成，确保渠道正常运行，通常在渠道衬砌中设置结构缝，并在缝中嵌入密封材料防止渗水。通常情况下衬砌板结构缝包括伸缩缝和沉降缝两种。伸缩缝主要解决温度变化带来的热胀冷缩问题及混凝土干缩变形的问题，与气候条件和混凝土的性能等因素有关。沉降缝主要解决地基不均匀沉陷问题，与衬砌板下地质条件及荷载大小等相关。为使渠道衬砌分缝设计既安全又经济合理，衬砌分缝间距不能太大，也不能过小。太大不能适应混凝土衬砌本身的温度变形，容易导致衬砌板开裂；太小则整体性差，且增加糙率。同样，预留缝宽不能太宽，也不能太窄。缝太宽，嵌缝材料造价大，可能造成浪费。缝宽太小，则可能满足不了伸缩变形要求，还可能导致施工困难。

分缝间距主要跟以下因素有关。一是渠道沿线的气象条件。主要指冬夏两季的气温变幅及昼夜温差变化。气温变化大，混凝土伸缩变形大，混凝土衬砌板中产生的温度应力相应较大，为满足抗裂要求，需较小分缝间距。二是渠道沿线地质条件。主要指渠基土的性质和衬砌板下地基的不均一性。对软土地基，由于地基压缩模量小，在同样荷载下，衬砌板变形较大，抗裂安全系数较小，需较小的分缝间距，反之则可适当增加分缝间距。地基不均一时，衬砌板内可能因不均匀沉降导致内力增加，抗裂安全系数减小，这时需较小的分缝间距，反之则可适当增加分缝间距。三是混凝土衬砌板承受的荷载。衬砌板承受荷载越大，所需分缝间距越小。四是混凝土衬砌板本身的强度特性。混凝土强度高，其抗裂能力相应较强，分缝间距可适当加大，反之为满足抗裂要求，其分缝间距需适当减小。五是混凝土衬砌板的厚度。当衬砌板的厚度较厚时，衬砌板的径向刚度较大，衬砌板抗裂能力较强，分缝间距可加大，反之则需减小分缝间距。

缝宽大小主要与衬砌板运行期的伸缩变形量，主要与分缝间距、温度变幅、混凝土的干缩系数和热膨胀系数、填料的伸缩性和粘结力以及施工要求等有关。分缝间距、温度变幅和混凝土的热膨胀系数愈大，混凝土伸缩变形量越大，则预留的缝宽越大。在分缝间距、温度变化和混凝土的干缩系数、热膨胀系数一定的情况下，分缝宽度则取决于嵌缝材料的特性，嵌缝材料的拉伸性能越好、粘结能力越强，则预留的缝宽可越小。

2 规程规范的规定及分析

关于渠道衬砌分缝设计，目前国内可参考以下几个规范，分别为 《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288－99）、 《渠道防渗工程技术规范》（SL18－2004）、 《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211－98）和 《聚硫、聚氨酯密封胶给水排水工程应用技术规程》 （CECS 217：2006）。各规程规范中关于缝间距和缝宽的规定汇总见表1。

表1 规程规范中渠道衬砌分缝间距和缝宽规定汇总

上述规范中，《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288－99）主要适应于新建、扩建和改建的灌溉与排水工程设计，和南水北调工程以供水为主的特点不相适应。《渠道防渗工程技术规范》（SL18－2004）主要适应于农田灌溉、发电引水、供水等渠道的防渗工程的设计、施工和管理，主要从防渗角度进行考虑。《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211－98）主要适用于受冻和冻融、冻胀作用的新建或改建的水工建筑物设计，主要从防冰冻角度进行考虑。《聚硫、聚氨酯密封胶给水排水工程应用技术规程》（CECS 217：2006）主要针对在衬砌材料已选定密封胶的情况下从施工方面提出的技术要求，而没考虑衬砌板的受力特性和变形特性。为探讨南水北中线工程总干渠分缝设计的合理性，需结合南水北调工程特点，参考国内外工程实例，结合有关计算和分析，对缝间距和缝宽做进一步分析。

3 工程实例及分析

南水北调中线一期工程总干渠规模较大，国内外与其规模相近的工程实例较少。国内目前已有的规模较大的渠道中，除南水北调东线工程外，大多为已建的大型灌区的骨干渠道，这些渠道建设年代都比较久远，标准都比较低。近年来，国家投资对这些渠道衬砌结构进行了改造，标准有所提高，但和南水北调中线一期工程总干渠相比，规模和标准还是有一些差距。国内其它以供水为主且规模较大的渠道的衬砌分缝设计汇总如表2所列。

上述实例中，衬砌分缝设计大致可分两类，一类是衬砌材料采用预制混凝土板，分缝间距按6～8m控制，缝宽采用2或2.5cm。另一类是衬砌材料采用现浇混凝土，分缝间距采用3～5m，缝宽采用1～2cm。不难看出，这些渠道的衬砌分缝设计基本和现有规程规范一致。

4 结构验算及分析

为分析缝间距设计的合理性，对衬砌板的抗裂能力进行了验算。计算方法采用有限元法。先用有限元分析软件计算衬砌板的内力，再利用受弯构件的抗裂公式计算抗裂安全系数。抗裂安全系数采用下述公式：

式中：

Kf为抗裂安全系数，Kf≥1.2时满足抗裂安全要求；

M为衬砌板最大单宽弯矩；

γ为截面抵抗矩的塑性系数，矩形截面取1.55；

Rf为混凝土抗裂设计强度，C20混凝土取145N／cm2；

W0为单位截面受拉边缘弹性抵抗矩（cm3／cm），素混凝土矩形截面为bh2／6。

计算主要考虑了衬砌厚度和地基压缩模量的影响。计算中选用了不同分缝间距（5m、8m、10m）、不同衬砌厚度（8cm、10cm）及不同地基压缩模量（5MPa、8MPa、10MPa、15MPa、18MPa、20MPa）进行组合模拟运算。计算结果如表3、表4所列。

表3 衬砌分缝间距为5m时抗裂安全系数

表4 衬砌分缝间距为8m时抗裂安全系数

上述结果中，分缝间距为5m时，衬砌混凝土板可基本满足抗裂要求，而分缝间距采用8m时，地基土压缩模量需在15MPa以上时可满足抗裂要求，但在压缩模量较小情况下，不能满足抗裂要求。从结果分析可知，为满足混凝土衬砌板抗裂要求，衬砌板分缝间距宜控制在5m以内，而当地基条件较好时，可适当增加分缝间距。

为分析缝宽设计的合理性，采用下面的公式对缝宽的变化进行了估算

式中：

△L为混凝土板的伸缩缝宽度变化值；

α为混凝土的热膨胀系数，取10×10－6／℃；

L为混凝土衬砌板的分缝间距，取4m；

△T为温度变幅，取40℃

经估算，在上述假定条件下，混凝土板伸缩缝宽度的变化值为1.6mm。如混凝土板衬砌预留缝宽为1cm，则混凝土衬砌板在运行期间缝宽变化仅为预留缝宽的16%，即在分缝间距4m的情况下，预留缝宽1cm可基本满足温度变化的要求。缝宽的设计主要取决于嵌缝材料的特性以及嵌缝材料的施工要求。

表2 部分大型供水渠道衬砌分缝设计

5 投资敏感性分析

为分析分缝间距和缝宽对投资的影响，根据分缝间距和缝宽的不同组合，选择多种分缝设计方案对总干渠嵌缝材料的工程量和投资（只考虑材料价）进行了匡算，缝间距分别采用 3m、3.5m、4m、4.5m 和5m，缝宽分别采用1cm、1.5cm、2cm和2.5cm。计算假定渠道底宽20m，边坡1：2，渠底至一级马道顶高程8m。总干渠长度采用1100km，缝深采用2cm，嵌缝材料采用聚硫密封胶，材料单位为每吨两万元。计算结果表明，当缝宽采用1cm，缝间距从5m减小至3m时，聚硫密封胶造价增加1.1亿元，即缝间距平均每减小0.5m，投资增加近3000万元。当缝间距为4m，缝宽从1.0cm增加至2.0cm时，投资增加约2亿元，即缝间距平均每增加0.5cm，投资增加近1亿元。由此可知，缝间距和缝宽的选取对工程投资影响较大。从节省工程投资角度出发，设计宜采用较大的分缝间距和较小的缝宽。

6 结语

南水北调中线一期工程总干渠为特大型供水渠道，水深大，流量大，混凝土衬砌结构的分缝设计对总干渠运行安全和工程投资影响较大。目前已有的关于衬砌结构分缝设计的规程规范主要适应于灌排工程或从防渗、抗冰冻及施工等方面提出技术要求，和南水北调中线一期工程总干渠的规模及以供水为主的特点并不太相适应。目前国内已建的渠道工程中，其规模一般都比中线一期工程的规模要小，标准也比南水北调中线工程要低，不能作为南水北调中线一期工程总干渠衬砌分缝设计的依据。经计算分析，对南水北调中线一期工程总干渠，缝间距小于5m可基本满足混凝土衬砌板抗裂要求。目前，南水北调中线工程总干渠衬砌分缝间距采用4m是基本合适的。对地基条件较好渠段，从节约投资考虑也可适当增加分缝间距，但不宜增加太多。缝宽采用1cm或2cm均能基本满足伸缩缝宽度变化要求和工程施工要求，但采用1cm较2cm可显著节省工程投资，从节约投资角度考虑，可采用较小缝宽。

1 江河水利水电咨询中心 .南水北调中线工程总干渠衬砌分缝及嵌缝材料选择研究报告［R］.2010.

2 长江勘测规划设计研究院 .南水北调中线一期工程可行性研究总报告［R］.2007.

3 长江勘测规划设计研究院等单位 .南水北调中线一期工程各设计单元初步设计报告［R］.