南水北调天津干线箱涵变形缝监测分析

李永鑫

（南水北调中线干线工程建设管理局天津分局，300393，天津）

一、概 况

南水北调天津干线西起河北省保定市徐水县西黑山村，东至天津市外环河，途经河北省和天津市的11个县（区），全长155.352 km。

为适应地基不均匀沉降和温度变化影响，天津干线箱涵每隔15 m左右设置一道变形缝，由止水带、填缝材料和嵌缝密封材料三部分组成，止水带为一个连续密封的橡胶止水环，变形缝宽度为30 mm。天津干线目前整体运行状态良好，基本处于安全状态下，但在部分部位出现渗水情况。施工缝、变形缝、混凝土裂缝是地下结构出现渗漏的主要原因。变形缝出现漏水结构方面的成因可分为三部分：温度变化导致变形缝收缩、混凝土自身的收缩、地域不均匀沉降造成的影响。温度变化的分析通过ABAQUS进行三维有限元仿真；自身收缩通过目前应用较多的fibMC2010和GL2000及CEB-FIP-90三种模型进行理论数值计算；区域的不均匀沉降则通过地基不均匀沉降的测绘值推算，取位移变化的最大值。通过对天津断面、霸州断面、保定断面三个断面的计算，分析天津干线上出现变形缝扩大的成因，并为类似工程给出施工建议。

二、模型的建立

1.模型参数

采用ABAQUS建立模型，以分布荷载代替箱涵上部土体荷载。由于闭孔塑料泡沫板及橡胶止水带对混凝土收缩没有影响，故在模型中不设置泡沫板及止水带。箱涵尺寸则按照实际尺寸取值，宽度15.3 m、高度5.7 m，分3孔，其细部尺寸也按照具体情况进行模拟试算。每节箱涵收缩时由一节箱涵的两侧向中间收缩，故在模型中建立两节7.5 m箱涵，中间有宽度0.03 m的形缝。天津断面模型土体设置为厚25.7 m、长100 m、宽15.03 m。

2.土体参数

土体模型采用摩尔-库伦塑性模型，参数见表1。土层的渗透系数见表2。

3.混凝土参数

将箱涵定为弹塑性模型，其中塑性部分采用混凝土塑性损伤模型。混凝土的线膨胀系数为4.76×10-6～12.1×10-6，计算取平均值8.43×10-6。

4.荷载输入

天津干线采取全箱涵无压接有压全自流输水形式，选用3孔有压箱涵进行模拟计算，天津段箱涵顶板内水压强为0.07 MPa，在箱涵竖直方向上施加梯形荷载，底板施加0.11 MPa的内水压强。

天津断面模型顶部施加与地勘报告中存在厚4.3 m土体自重等大的荷载，该部分土体密度为1 800 kg/m3，经计算，在模型顶部施加的荷载为77.4 kPa；保定断面模型顶部施加与厚2.3 m土体自重等大的荷载，该部分土体密度为1 940 kg/m3，经计算，在模型顶部施加的荷载为44.6kPa；霸州断面模型顶部施加与厚5.3m土体自重等大的荷载，该部分土体由两部分组成，4 m厚的土体密度为1 780 kg/m3，1.3 m厚的土体密度为1870kg/m3，经计算，在模型顶部施加的荷载为95.5kPa。

表1土层参数取值

表2天津段各土层渗透系数取值

整体模型施加重力加速度10 m/s2，以便完成土体地应力平衡计算。

5.边界条件

整个模型是一个长方体形状，土体底面分别约束X、Y、Z三个方向上的位移，左右两个侧面约束X向位移，模型前后两个侧面约束Z方向位移。

6.接触分析

箱涵结构与土体之间设置接触。在模型法向行为中设置硬（Hard）接触，在切向行为中选择罚函数（Penalty）选项，采用罚刚度算法，允许模型发生弹性滑移变形，摩擦系数按经验取值为0.5。

7.温度荷载

温度荷载在预应力场中施加，温差通过查询天津干线典型地质断面地区一年四季的气温变化，从中组合出极端温差即可进行模拟试算。

由实际工程可知，箱涵的施工顺序是分节浇筑、分段回填，实际回填时间长短不一，为模拟较大的变形工况，拟设定箱涵浇筑完成4个月后再进行土的回填，在此期间认为箱涵变形缝大小没有变化。

夏季浇筑箱涵经过4个月时间再进行回填，箱涵经历温度降低幅度较大，春季、秋季、冬季浇筑箱涵经过4个月时间再进行回填，箱涵经历温度升高或温度降低幅度较小。故由于箱涵收缩导致变形缝的扩大，应重点关注夏季浇筑的箱涵。

从中选择天津一年内温度降低较大的7—11月的极限温差约为50℃，平均温差约为15℃；保定一年内温度降低较大的7—11月的极限温差约为53.2℃，平均温差约为23℃；霸州一年内温度降低较大的7—11月的极限温差约为49℃，平均温差约为25℃。施加温度荷载到模型的预应力场中进行温度收缩的模拟。

三、裂缝开裂成因分析

1.典型断面极限温差分析

通过计算，得到极限温差情况下天津、保定、霸州箱涵Z方向位移云图。由位移云图可以得到，天津断面的两节箱涵各向相反方向移动了3.17 mm，使得箱涵变形缝共扩大了6.34 mm；保定断面的两节箱涵各向相反方向移动了3.4 mm，使得箱涵变形缝共扩大了6.8 mm；霸州断面的两节箱涵各向相反方向移动了3.1 mm，使得箱涵变形缝共扩大了6.2 mm。通过对平均温差下的位移云图分析可得，极限温差和平均温差下的箱涵变形趋势是相同的，天津断面在平均温差下为2.292 mm，保定断面为2.98 mm，霸州断面为3.2 mm。

选择三条路径如图1所示，路径1由箱涵顶端向下形成的一条路径，路径2由箱涵边界向变形缝伸展的一条路径，路径3是位于箱涵变形缝处从左至右的一条路径。

绘制温差变化后Z方向（与变形缝垂直方向）的位移图（见图2），观察三条路径在Z方向上的位移变化。

在考虑温度荷载的情况下，尽管各断面的土体性质、埋深不同，但不难发现，温差越大，Z方向的位移越大。由图2（a）可知，箱涵由上至下的位移逐渐减小，箱涵底部与土之间有摩擦力，使得箱涵底板位移较小。图2（b）是一条斜率恒定的直线，即每个位置的收缩应变相等，所受的摩擦力也相等。图2（c）上，天津断面和保定断面有着相同的变化趋势，位移变化有4个峰值，正好对应箱涵的4块竖板，4块竖板的收缩使得与底板相连位置的位移变大。保定断面由于箱涵上部土体覆盖少，施加的荷载相较于其他断面较小。在路径1和路径3上，保定断面的变化趋势不同于天津、霸州，路径1是先增大再减小，路径3出现了3个峰值。保定断面和其他断面在箱涵顶部土体厚度仅为2.3 m。

图1路径示意图

将极限温差产生的位移和平均温差产生的位移相比，极限温差导致位移约为平均温差的两倍，即箱涵于夏季浇筑，回填时箱涵经历大幅度温度降低，使得变形缝扩大加剧。

2.混凝土自身收缩对变形缝的影响

目前较多采用CEB-FIP-90收缩徐变模型来进行混凝土的收缩计算，该理论模型研究时间较早，但在预测C60及以上的高强度混凝土收缩及徐变时与最新实测数据吻合并不好。选择目前应用较多的fibMC2010和GL2000及CEB-FIP-90三种模型进行理论数值曲线对比分析。GL2000在收缩方面是综合考虑所有原因的，故在本文中选择GL2000收缩徐变模型进行变形缝扩大成因分析。

混凝土的收缩应变与混凝土强度等级、水泥类别、环境的相对湿度、混凝土构件的体积与面积比（V/S）等因素相关。在本节理论数值曲线对比中，相对湿度采用典型的50%，其中典型混凝土构件体积与面积比（V/S）按300 mm假设，典型混凝土墙的配筋率按0%假设。在本文的理论对比中，统一采用经验值10 000 d。500 d和10 000 d计算数值见表3、表4。

箱涵施工日期约为4个月即120天，125天时GL2000模型的收缩应变约为0.6×10-4。在箱涵发生渗漏以后挖开土体观测到箱涵变形缝扩大的时间距离箱涵浇筑完成大约经过5年，取为2 000天，箱涵在箱涵浇筑完成回填以后到发现变形缝扩大这段时间的收缩应变为2×10-4。

两节7.5 m箱涵混凝土收缩量为：7.5×2×2×10-4=0.003 m=3 mm。

为预测30年后箱涵的收缩变化，取10 000 d时C30混凝土的收缩应变4.7×10-4。从箱涵浇筑完成到10 000 d的收缩应变为4.7×10-4-0.6×10-4=4.1×10-4。由此，两节7.5 m箱涵混凝土收缩量为：7.5×2×4.1×10-4=0.00615 m=6.15 mm

3.区域不均匀沉降对变形缝的影响

天津干线全长155 km，经历两个沉降位移差较大沉降区对变形缝的影响较大，故通过计算两个沉降点单位距离的位移变化，取其最大值进行计算。通过监测数据可知，每千米沉降最大值为35.3 mm。两点间沉降为212.2 mm。计算可得：

两监测点间伸长量为：

基本可忽略不计。

四、结 论

图2极限温差和平均温差下的Z向位移

表3三种模型计算的混凝土在500 d时的收缩应变

表4三种模型计算的混凝土在10 000 d时的收缩应变

通过对三个典型断面的温变化、混凝土自身收缩、区域不均匀沉降进行对比分析，可以得出区域不均匀沉降对变形缝影响较小，其余两种因素对变形缝影响较大。其中温度变化的影响更多为温度降低造成，所以冬季变形缝扩大问题较突出。箱涵于夏季浇筑，回填时箱涵经历大幅度的温度降低，使得变形缝扩大。混凝土自身收缩在短期内影响较大，长期也有影响，不可忽略，但随着时间增长，后期收缩率逐渐减小。就施工期而言，箱涵在夏季施工，箱涵变形缝的宽度应该适当缩小，防止冬季回填土体导致箱涵变形缝加大。 ■