引江濟(jì)淮工程淠河總干渠混凝土渡槽充水試驗(yàn)與安全評(píng)價(jià)

董福歧，付建勝，韓 炎，張福強(qiáng)，馮 偉

(1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300；2.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

目前，我國南水北調(diào)、引江濟(jì)淮工程建設(shè)如火如荼，在平衡水資源、改善生態(tài)、助力經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各方面具有重大意義。大型渡槽結(jié)構(gòu)在水利工程中有著極其重要的地位。在渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行全線通水前，需要進(jìn)行充水試驗(yàn)，通過監(jiān)測(cè)渡槽結(jié)構(gòu)在不同充水工況下的力學(xué)性能指標(biāo)，觀察結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷，從而評(píng)價(jià)其承載能力和判斷結(jié)構(gòu)安全性。

本文主要針對(duì)進(jìn)、出口段混凝土渡槽開展現(xiàn)場(chǎng)充水試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)混凝土渡槽的應(yīng)力應(yīng)變、混凝土渡槽接縫開合度、渡槽變形，同時(shí)檢查試驗(yàn)過程中渡槽各部分混凝土表面裂縫及滲水情況、分縫施工質(zhì)量及止水效果等情況。分析質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因，為淠河總干渠和引江濟(jì)淮工程安全、順利通水運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程引江流量300 m3/s，入淮流量280 m3/s，輸水干線長723 km。淠河總干渠全長104.5 km，控制灌溉面積660萬畝，淠河總干渠渡槽是引江濟(jì)淮工程中的控制性節(jié)點(diǎn)工程，與引江濟(jì)淮渠道立體交叉。渡槽分左右兩幅，單幅凈寬16 m，總長350 m，分為進(jìn)口段、跨主河渠槽身段(鋼結(jié)構(gòu))、出口段三部分，其中進(jìn)、出口段包括干渠堤防、分流島、護(hù)底、翼墻、檢修閘室、混凝土渡槽等建筑物。

混凝土渡槽斷面尺寸及外形輪廓為槽型斷面。順?biāo)鞣较驗(yàn)?2 m，劃分為4節(jié)(從端部往鋼渡槽方向編號(hào)依次為1#～4#)，單節(jié)長度13 m?；炷炼刹蹫镃30鋼筋混凝土U型結(jié)構(gòu)，凈寬16 m，兩邊空箱邊墻寬度3 m，底板寬度22 m，厚度2 m?？障溥厜Ω叨? m，頂部懸臂長度1 m，邊墻厚度均為0.6 m。為減小邊墻板跨度，在每節(jié)空箱中均設(shè)置橫隔墻，厚度0.6 m。

2 充水試驗(yàn)方案

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容、頻次及允許值

本次充水試驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)內(nèi)容[1-2]為：混凝土渡槽的應(yīng)力應(yīng)變、混凝土溫度；混凝土渡槽接縫開合度(精度要求±0.2 mm)；4#渡槽變形(水平位移及垂直位移精度要求±0.2 mm，1#～3#混凝土渡槽均為落地槽，不進(jìn)行撓度監(jiān)測(cè))；水位、水溫監(jiān)測(cè)；現(xiàn)場(chǎng)巡視。

考慮到渡槽各建筑物在充、排水試驗(yàn)期間的工作狀態(tài)和所受荷載會(huì)發(fā)生急劇變化，為有效反映實(shí)際情況，監(jiān)測(cè)頻次[1-2]具體要求如下：各類電子監(jiān)測(cè)儀器在充、排水期間全天24 h實(shí)時(shí)開啟并記錄。人工巡視檢查頻次根據(jù)充、排水速度確定，水位上升或下降速度較快時(shí)每天巡視檢查不少于24次，間隔1 h；水位平穩(wěn)或變化不大時(shí)每天巡視檢查不少于12次，間隔2小時(shí)。巡查記錄準(zhǔn)確、清晰、完整，記錄水位精度不低于0.01 m。

監(jiān)測(cè)允許值：4#混凝土渡槽底板跨中撓度不大于15 mm[3-4]；各混凝土結(jié)構(gòu)建筑物的沉降不大于60 mm，分縫兩側(cè)的沉降差不大于30 mm[3-4]。C30混凝土渡槽拉應(yīng)變和壓應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)值分別為67和670[5]。

2.2 測(cè)試方法及測(cè)點(diǎn)布置

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法及測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)混凝土渡槽結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，充水試驗(yàn)關(guān)鍵截面選擇進(jìn)、出口段左右兩幅混凝土渡槽各5個(gè)斷面，總計(jì)20個(gè)斷面，如圖1所示，應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)編號(hào)規(guī)則：“S”表示上游，“X”表示下游；“L”表示左幅，“R”表示右幅。每一段靠近鋼渡槽側(cè)為4、5斷面。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在混凝土渡槽側(cè)墻底部水壓及應(yīng)變較大的倒角上方，每個(gè)斷面布置14個(gè)應(yīng)變計(jì)，共布置280個(gè)應(yīng)變計(jì)。

圖1 關(guān)鍵截面分布及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2.2.2 渡槽垂直位移測(cè)試方法及測(cè)點(diǎn)布置

4#渡槽垂直位移采用水準(zhǔn)法觀測(cè)，水準(zhǔn)觀測(cè)等級(jí)為二等[6-7]。本次觀測(cè)結(jié)合渡槽上布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較密集、工期緊、渡槽充水靜置時(shí)間短的實(shí)際情況，采用單點(diǎn)觀測(cè)法，觀測(cè)工作基點(diǎn)與所有變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的獨(dú)立高差，為提高精度，采用變換儀器高法增加一次重復(fù)測(cè)量，兩次測(cè)量值的平均值作為最終成果。

2.2.3 接縫開合度測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置需滿足接縫的軸線及橫向位移的測(cè)量要求，在分縫兩側(cè)分別安裝角鐵，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量兩個(gè)角鐵間的軸向及橫向位移，混凝土渡槽共16道分縫，安裝16對(duì)角鐵測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

采用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù),護(hù)理質(zhì)量等計(jì)量資料采用(±s)描述,t檢驗(yàn)分析差異,護(hù)理滿意度采用(%)描述,X 2檢驗(yàn)分析差異,以P<0.05作為差異校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 接縫測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2.4 溫度測(cè)點(diǎn)布置

溫度測(cè)點(diǎn)布置同應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，與應(yīng)變同步測(cè)量。

2.2.5 現(xiàn)場(chǎng)巡視

充水試驗(yàn)期間安排專職人員對(duì)渡槽進(jìn)行全方位的巡視，檢查渡槽、圍堰是否存在滲水、漏水等異?，F(xiàn)象，并及時(shí)報(bào)告。

2.3 充、排水方案水位確定

兩幅同時(shí)進(jìn)行充水試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間短，無相互干擾，一次充、排水過程對(duì)淠河總干渠的正常運(yùn)行及本標(biāo)段施工進(jìn)度影響較小。

淠河總干渠渡槽所在渠段的設(shè)計(jì)流量為150 m3/s，設(shè)計(jì)水深4.0 m，根據(jù)調(diào)查，淠河總干渠加大流量為5%～10%，按增加10%計(jì)，加大流量為165 m3/s(該流量為淠河總干渠最大輸水流量)。因此，本次充水試驗(yàn)的最高試驗(yàn)水位按設(shè)計(jì)水位47.55 m(水深4 m)加大10%考慮，經(jīng)計(jì)算確定最高試驗(yàn)水位為47.95 m，對(duì)應(yīng)水深為4.4 m。

按照300 a一遇洪水校核水標(biāo)準(zhǔn)，充水至48.60 m，對(duì)應(yīng)渡槽水深為5.05 m。

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2.4 充、排水分級(jí)方案

表1 充、排水分級(jí)方案

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

充水試驗(yàn)過程中記錄進(jìn)、出口段各斷面測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變并繪制變化趨勢(shì)曲線，限于篇幅，僅給出進(jìn)口段S1，S2點(diǎn)處的變化曲線，如圖3所示。其余斷面測(cè)點(diǎn)應(yīng)變峰值結(jié)果見表2。

表2 充水試驗(yàn)應(yīng)變實(shí)測(cè)值

從圖3可以看出，進(jìn)口段S1、S2應(yīng)變變化趨勢(shì)基本符合實(shí)際充排水工況，自初始水位加荷至六級(jí)水位(4.8 m)實(shí)測(cè)應(yīng)變值均呈線性增長；六級(jí)靜停期間(67 h)，應(yīng)變基本保持穩(wěn)定；加荷至七級(jí)水位(5.05 m)，應(yīng)變無明顯變化；自三級(jí)卸載開始，應(yīng)變值顯著回落，趨于收斂。從表2可以看出，充水過程中混凝土應(yīng)變峰值均未超過C30混凝土允許值。

3.2 接縫開合度監(jiān)測(cè)結(jié)果

充水試驗(yàn)過程中記錄混凝土渡槽接縫開合度并繪制變化趨勢(shì)曲線，如圖4所示，可以看出充水試驗(yàn)期間，混凝土渡槽接縫開合度變化幅度很小，在充水水位至5.05 m時(shí)達(dá)到最大變化量，最大變化量為2.05 mm，遠(yuǎn)未超過30 mm的技術(shù)要求；在5.05 m卸荷以后，接縫開合度具有收斂趨勢(shì)。

圖4 進(jìn)口段S1，S2點(diǎn)處的應(yīng)變變化曲線

3.3 4#渡槽變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

充水試驗(yàn)過程中記錄4#渡槽位移并繪制變化趨勢(shì)曲線，限于篇幅，僅給出進(jìn)口段左幅渡槽監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移變化曲線，如圖5所示，可以看出進(jìn)口段左幅4#混凝土渡槽變化趨勢(shì)基本符合實(shí)際充排水工況，大部分觀測(cè)點(diǎn)自初始水位加荷至七級(jí)水位(5.05 m)實(shí)測(cè)垂直位移發(fā)現(xiàn)負(fù)向變化，即發(fā)生沉降；自二級(jí)排水卸荷(4.0 m)后，所有觀測(cè)點(diǎn)均發(fā)生正向變化，即說明進(jìn)口段左幅4#混凝土渡槽垂直方向變形基本是彈性的。

圖5 混凝土渡槽接縫開合度變化曲線

進(jìn)口段左幅和右幅4#混凝土渡槽最大變形量分別為1.74 mm和1.24 mm，出口段左幅和右幅4#混凝土渡槽最大變形量分別為3.43 mm和3.66 mm，遠(yuǎn)未超出允許值60 mm。

進(jìn)口段右幅左側(cè)4#渡槽底板跨中撓度最大，其變化量為0.76 mm，出口段左幅左側(cè)渡槽跨中撓度最大，其變化量為0.73 mm，均未超出允許值15 mm。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)巡視

充水試驗(yàn)期間，現(xiàn)場(chǎng)巡查發(fā)現(xiàn)混凝土渡槽滲水共10處，進(jìn)口段7處、出口段3處；渡槽排水后，再次對(duì)混凝土渡槽迎水側(cè)進(jìn)行巡視，共發(fā)現(xiàn)混凝土渡槽分縫滲水共9處，進(jìn)口段8處、出口段1處。以上質(zhì)量缺陷均為施工質(zhì)量問題，可通過灌漿好封閉進(jìn)行處理，未發(fā)現(xiàn)影響渡槽結(jié)構(gòu)安全的質(zhì)量問題。

3.5 承載力安全性評(píng)價(jià)

進(jìn)、出口混凝土渡槽各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)變化平穩(wěn)，基本符合實(shí)際充、排水工況，采集到的數(shù)據(jù)均在規(guī)范技術(shù)要求允許范圍內(nèi)，有較大安全儲(chǔ)備?？膳卸ㄔ诔洹⑴潘陂g，混凝土渡槽以及下部引江濟(jì)淮河渠邊坡整體安全，承載能力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 進(jìn)口段左幅渡槽監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移變化曲線

4 結(jié)語

本文依托引江濟(jì)淮工程淠河總干渠渡槽工程，針對(duì)世界第一跨度鋼渡槽(跨主河渠槽身段)兩端混凝土渡槽(進(jìn)、出口段)，結(jié)合一次充、排水試驗(yàn)，對(duì)混凝土渡槽的應(yīng)力應(yīng)變、接縫開合度、渡槽混凝土結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)分析了充實(shí)試驗(yàn)過程中各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨水位變化的規(guī)律，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明混凝土渡槽的受力和變形均處于安全狀態(tài)，為渡槽的全線通水提供了技術(shù)依據(jù)。

本文詳細(xì)說明了混凝土渡槽充水試驗(yàn)方案及其安全性評(píng)價(jià)過程，可為南水北調(diào)、引江濟(jì)淮重大水利工程中類似項(xiàng)目提供技術(shù)參考。