南水北调中线沙河渡槽工程充水试验方案浅析

2014-12-08陈晓光马慧敏河南省水利勘测设计研究有限公司

河南水利与南水北调 2014年15期

□陈晓光 □马慧敏（河南省水利勘测设计研究有限公司）

0 引言

南水北调中线总干渠自流输水，水头紧张，使得渡槽的几何尺寸和荷载巨大，沙河渡槽工程作为南水北调中线干线控制性建筑物，其工程规模和施工难度居世界前列。开展沙河渡槽充水试验是检验工程质量、安全，验证设计成果的重要措施。

1 工程概况

南水北调中线沙河渡槽工程由鲁山县薛寨村北开始，在娘娘庙与楼张之间跨越沙河，再以偏东北方向至鲁山坡流槽出口止，建筑物总长9050m。沙河渡槽工程由沙河梁式渡槽、沙河至大郎河箱基渡槽、大郎河梁式渡槽、大郎河至鲁山坡箱基渡槽、鲁山坡落地槽组成，共5段3种结构形式。沙河梁式渡槽长1410m，槽身采用C50预应力混凝土U形槽结构，横向4槽，单槽直径8m，净高7.40m，槽身纵向为简支梁型式，跨径30m；沙河至大郎河、大郎河至鲁山坡箱基渡槽分别为长3534m、1820m，箱基渡槽上部为C30钢筋混凝土矩形槽，2槽，单槽净宽12.50m，净高7.80m；大郎河梁式渡槽长300m，其结构型式同沙河梁式渡槽，净高7.80m；鲁山坡落地槽长1480m，槽身为C30钢筋混凝土矩形断面，单槽，净宽22.20m，侧墙高8.10m。

2 充水试验方案

2.1 充水试验必要性

沙河渡槽工程结构复杂、施工技术难度高，特别是沙河梁式渡槽为大跨度U形双向预应力结构，单槽自重1200t，采用预制架设、后装止水等技术无成熟设计施工经验，施工质量要求高。对沙河渡槽进行充水试验检验渡槽槽身在各工况下永久止水缝施工质量，检查在设计、满槽水深下渡槽槽身结构混凝土质量及应力分布状态，观测渡槽在充水条件下的挠度、沉降变形等情况十分必要；充水试验能够对渡槽结构安全性及可靠性进行总体验证，并为南水北调中线一期工程总干渠顺利通水运行提供技术保障。

2.2 充水试验总体方案

沙河渡槽充水试验范围包括梁式渡槽、箱基渡槽、落地槽等所有混凝土结构，共8950m。

考虑到充水试验段长度长、充水方量大的特点，充水试验总体设计应以分段、轮次充水的原则开展，以尽量减少河道总抽水量，各试验段之间利用闸门或堵头封堵。为全面检验各工况下渡槽结构的安全、质量，充水试验充水高度分半槽水位、设计水位、加大水位和满槽水位4种工况，各试验工况静停3d以便于结构协调变形及开展缺陷排查和安全监测。

沙河渡槽工程跨越沙河及大郎河，两条河道常年有水，且水量充沛，水质达标，充水水源采用沙河、大郎河河水。提水设备为22台大流量、高扬程水泵，电力供应为施工临时供电。试验结束后水量回灌到原河道内，不会对下游生产生活用水造成影响。沙河渡槽分4段7次充水，具体方案如下：

2.2.1 沙河梁式渡槽+沙河至大郎河箱基渡槽段

总长5044m，该段梁式渡槽共4线，箱基渡槽共2线，进出口采用堵头挡水。充水分两次进行，先由沙河取水进行梁式渡槽3#、4#线+箱基渡槽右线充水试验。完成试验后，将水直接抽至梁式渡槽1#、2#线+箱基渡槽左线进行试验，左线充水试验结束后将水抽排至沙河。

2.2.2 大郎河梁式渡槽+大郎河至鲁山坡箱基渡槽+鲁山坡落地槽段

总长3700m，该段梁式渡槽共4线，箱基渡槽2线，落地槽1线，进出口采用堵头挡水。充水分两次进行，先由大郎河取水进行梁式渡槽1#、2#线+箱基渡槽左线+落地槽充水试验，完成试验后，将水直接抽至梁式渡槽3#、4#线+箱基渡槽右线进行试验，右线充水试验结束后将水抽排至大郎河。

2.2.3 沙河进口渐变段

总长106m，共2线，分两次充水，进口采用检修闸门反向挡水，出口利用堵头挡水。

2.2.4 大郎河进口渐变段

总长100m，共2线，一次充水，进出口采用堵头挡水。

沙河渡槽工程充水试验需从沙河取水52.70万m3，大郎河取水52.61万m3，考虑损失10%水量，则总取水量约为115.84万m3。充水试验历时约为100d。

3 堵头设计及结构安全

3.1 堵头设计

沙河渡槽工程充水试验共布置两种堵头形式，其中新建砖砌挡墙堵头12个，检修闸门反向挡水堵头1个。

沙河进口渐变段充水试验利用检修闸门反向挡水，对闸门的临时改造及闸门结构复核可参考文献，本文不再详述。其他堵头均采取砖砌挡墙作为渡槽充水围挡，砖砌挡墙为扶壁结构，挡墙基础底宽2m，高0.50m，上部3m高度内墙体厚1m，3m以上采用0.50m墙厚砌筑至渡槽槽顶；墙后扶壁厚度0.50m，间距2.50m，砌筑至槽顶以下1m高程，砖墙两面涂刷20～30 mm防渗砂浆；挡墙砌筑结束，表面清理干净，铺设0.50mm厚土工膜，并将土工膜与渡槽内壁紧密粘贴。土工膜上堆码装土编织袋压重，土袋堆体体形与扶壁相同。土袋码堆密实有序，层间错缝锁结铺堆。

经计算，砖砌挡墙堵头结构抗滑稳定安全系数8.80，抗倾稳定安全系数23.10，均能满足要求。砖砌墙身抗弯、抗剪满足要求。

3.2 梁式渡槽结构安全

梁式渡槽堵头所在跨槽身仅受自重、堵头、水荷载作用，最不利工况下垂直荷载为4.70万kN，水平荷载为3277kN，远小于桩基承台竖向及水平向承载力。渡槽槽身经结构及有限元复核，在堵头荷载作用下槽身结构全断面受压，承载能力及正常使用满足要求。

表1 箱基渡槽结构安全复核表

3.3 箱基渡槽、落地槽结构安全

在新建堵头荷载作用下，箱基渡槽基底压应力最大为190.61kPa，最小为170.05kPa，抗滑稳定安全系数为20.78。落地槽地基承载力经复核，槽身基底压应力为121.10kPa，均能满足地基承载力要求。

箱基渡槽及落地槽在新建堵头荷载作用下结构复核结果见表1、表2。由计算结果可知，箱基渡槽、落地槽结构在堵头及水荷载作用下承载能力及正常使用均能满足设计要求。

表2 落地槽结构安全复核表

4 安全监测及技术要求

4.1 充水试验安全监测

为便于查找分析渡槽结构裂缝、渗漏点等质量缺陷，充水试验期间应定期进行水位、渗水、裂缝的观测、标识、记录工作，并根据情况适当加密观测。

为后期进行渡槽结构受力、变形分析，应通过安全监测仪器监测各阶段渡槽结构的变形、受力情况。渡槽充水试验开始前取得所有监测仪器初始读数；充水试验期间渡槽各监测跨沉降计、测斜管、测缝计等变形类监测仪器每2d监测一次；梁式渡槽监测跨每天监测一次槽身端部与跨中位移、墩台及支座沉降，并核算其挠度；各监测跨应变计、钢筋计、无应力计、温度计、支座反力计等内观仪器每3d监测一次。充水试验期间同时记录包括气温、水温、雨雪天气等与试验相关的环境数据。

4.2 相关技术要求

沙河渡槽段充水试验充水量巨大，历时长，参与单位众多，现场应根据实际情况制定详细的应急预案及安全保障措施。充水试验期间出现水位上升不稳定或渗漏情况异常，应加密观测频次并及时分析原因。针对可能出现的渡槽挠度或沉降变形过大、槽身钢筋或混凝土应力应变异常、充水期间渡槽出现危害性裂缝、严重渗水、漏水等情况,制定专门的应急处理方案。充水试验阶段渡槽内水位变幅应控制在0.50m/d以内。