大型预应力渡槽充水试验浅析

□ 梁祥金 □ 郭晓萌 □ 陈秋红（河南省水利勘测设计研究有限公司）

0 引言

南水北调中线工程渠道渡槽上跨交叉河流，工程量大，技术含量高，施工技术复杂，是总干渠的控制性工程。在总干渠进行全线通水之前，对渠道渡槽进行充水试验，对工程安全性进行先期检验，及时排除安全隐患，为总干渠顺利通水创造良好条件。下面就南水北调中线工程某大型预应力渡槽充水试验进行分析，并对工程的安全性进行一些探讨。

1 工程概述

南水北调某渡槽建筑物总长325m，由进口渐变段、进口闸室段、梁式渡槽段、出口闸室段及出口渐变段组成。其中梁式渡槽段长150m，槽身横向4孔，2孔1联，共2联，单孔净宽7m、净高7.80m，跨径30m，共5跨。槽身采用三向预应力混凝土矩形槽结构型式，C50混凝土，设计流量305m3/s，设计水深6.48m，加大流量365m3/s，加大水深7.11m。下部支承采用钢筋混凝土空心墩，空心墩高度根据地形设为6.40～7.90m。基础为钻孔灌注桩，桩径1.80m。

2 监测仪器布置情况

第1、3跨左联槽身布置有监测仪器，其中单榀槽身布设钢筋计109支，单向应变计92支，无应力计12支，沉降标点6支，测缝计8支，竖向锚索测力计4支，横向锚索测力计8支，纵向锚索测力计16支。

第1#、3#、4#槽墩及下部桩基左右联均布置有监测仪器，其中单个槽墩及其桩基共布设钢筋计14支，单向应变计14支，无应力计6支，测斜仪1支，土压力计1支，渗压计4支。

同时，为监控槽身的挠度情况，在渡槽左右联每跨槽身顶部中墙中间及两端各埋设一个沉降标点，用于计算槽身顶部挠度；每跨槽身底部中间跨中及两端各埋设一个沉降标点，用于计算槽身底部挠度。左右联槽墩每个槽墩中间部位埋设一个沉降标点，用于监测槽墩的沉降。

3 充水试验目的

渡槽充水试验的主要目的是:一是检查渡槽各部分止水缝施工质量，并在全线通水前对出现的质量缺陷进行处理；二是检查渡槽结构实体混凝土质量及结构应力分布状态；三是观测渡槽在充水条件下的变形情况；四是根据充水试验成果评估渡槽结构的安全性及可靠性；五是为南水北调总干渠全线顺利通水运行提供技术保障。

4 充水试验总体方案

渡槽充水试验采用在进出口渐变段以外总干渠渠道内堆码土袋围堰作为堵头，试验段总长345m，总充水水量约为12.23万m3。根据充水水位要求，充水试验围堰高8.10m，顶宽3m，迎水面和背水面边坡均为1:3，迎水面铺设复合土工膜（150g/m2-0.50mm-150g/m2），土工膜下端粘在总干渠渠道衬砌底板上，两侧粘在总干渠边坡衬砌板上，所有粘接处粘接长度≥1m。

5 充水试验观测、监测要求

为保证充水试验取得预期效果，对充水试验的观测、监测要求如下:一是充水试验应对全部梁式渡槽进行挠度监测；二是现场土建单位对渗水、裂缝等充水引起的外部特征进行记录、标示，监测单位对监测仪器进行数据采集测算；三是充水试验段内所埋监测设备在试验期间全部进行观测，观测次数应根据试验进展使监测数据能反应试验现场所发生的情况；四是与渡槽挠度有关的监测应在充水前、满槽水位及放空后至少各监测一次；五是充水试验各责任单位应编制应急处理预案，并提出充水试验期间的安全保证措施，保证试验过程中的人员、工程安全。

6 充水试验过程

渡槽充水试验由空槽至满槽共历时16d，静置19d后开始放水，全试验过程共历时50d。

7 槽身混凝土实体质量评价

本渡槽充水试验过程中，经现场巡视检查，共发现槽身渗水部位6处，均为窨水点（可见明显水印，但无水滴或者水流）。槽身后浇带施工缝有1处窨水，槽身后浇带渗水存在两种情况:后浇带与前期施工的槽身结合处施工缝处理不彻底，产生渗漏水；后浇带中间结构缝（收缩缝）的止水周边浇筑不密实、存在缝隙水沿着结构缝绕过止水沿缝面渗漏水。

槽身侧墙底板与侧墙施工缝有1处窨水，主要原因是由于局部存在积渣，乳皮清理不彻底；混凝土拌和物入仓方式为泵送，通过每隔4m的串筒入到仓底，混凝土塌落度偏大时，存在赶料、骨料分离或振捣不到位的情况，存在缝隙，导致出现窨水。出口段闸室边墙外侧有1处窨水，主要原因是混凝土在施工过程中振捣不到位、存在漏振现象，导致混凝土不密实，出现窨水现象。其他3处窨水位置均为螺栓孔处窨水，主要原因是施工过程中混凝土振捣不到位使混凝土包裹的对拉螺栓存在缝隙，且螺栓孔封堵不严实造成的窨水现象。

经充水试验验证，渡槽混凝土施工质量与止水安装总体较好，渡槽质量缺陷均为窨水点，发现的质量缺陷不影响工程结构安全，对出现的质量缺陷处理合格并经检验不再渗水后，渡槽结构能满足正常运行及结构耐久性要求。

8 安全监测成果及分析

一是监测数据:由于监测数据量庞大，囿于篇幅限制，文中不再列示，从略。二是梁式渡槽挠度监测分析:根据监测数据，梁式渡槽槽身挠度随着水位的加大逐渐加大，在满槽水位时挠度值达到最大值。槽身挠度最大测值为-1.03mm。三是梁式渡槽沉降变形监测:监测数据显示，梁式渡槽槽顶的沉降量随水位的加大逐渐的加大，在满槽水位时，沉降量达到最大值。槽顶最大沉降量为-11.02mm。在满槽水位下，槽墩顶最大沉降量为-3.62mm，相邻槽墩最大沉降差为3.07mm。监测数据显示，梁式渡槽跨间测缝计测值最大张开值为-4.88mm,最大闭合值为1.36mm。测斜仪监测数据显示，测斜仪埋设位置（1/2墩高）水平位移最大值为6.36mm，相应墩顶最大水平位移为12.72mm。四是梁式渡槽应力、应变监测:混凝土、钢筋的应力应变除受荷载影响外，气温、湿度、结构自身体积胀缩等变化对应力应变影响也比较大。通过空槽以及水荷载施加后应力应变情况，监测结构受力变化规律，同时结合结构沉降变形挠度等监测、裂缝检查以及直观检查，综合分析判断结构状态。梁式渡槽监测断面充水前各部位钢筋计测值表现为压应力，最小压应力为-0.51MPa。各部位混凝土的应变量测值显示，槽体各部位绝大部分为压应变，这与钢筋计的测值协调一致。槽身混凝土拉应变仅在槽身竖墙顶部出现，但该部位钢筋计测值显示为压应力，理论计算该部位应为压应力，应变计测值与钢筋计不完全协调一致，且与理论计算不一致。充水至满槽，各部位钢筋计测值表现为压应力，最小压应力为-0.72MPa。各部位混凝土的应变量变化显示，槽体各部位绝大部分为压应变，这与钢筋计的测值协调一致。槽身混凝土拉应变仅在槽身竖墙顶部出现，但该部位钢筋计测值显示为压应力，理论计算该部位应为压应力，应变计测值与钢筋计不完全协调一致，且与理论计算不一致。墩身钢筋计测值-38.02～34.19MPa，桩基钢筋计测值-22.54～7.22MPa。

梁式渡槽预应力为有粘结预应力，张拉后孔道灌浆。灌浆后，在浆体达到设计强度，锚索与槽身混凝土之间不再具有相对变形，测力计读数变化一般反映的是仪器本身随气温的变化，而非结构受力变化，因此充水试验期间测力计读数变化并不反映结构受力状态，一般情况，测力计随气温变化的读数，不再具有判断结构安全性的价值，但钢绞线在端部断掉、夹片失效等情况，测力计还是能够反映的。锚索测力计在充水前与满槽水位时测值有增有减，该变化应该是外界环境变化导致，不是结构加载引起的。渡槽放完水后，与充水前相比，锚索测力计读数基本一致，与理论分析是一致的。同时，监测数据显示，充水试验过程中测力计测值是连续变化的，表明预应力结构处于正常工作状态。通过对比梁式渡槽挠度、变形、应力应变等实测数据与设计值、允许值，渡槽实测最大值均未超过允许值、设计值及警戒值指标，梁式渡槽挠度、应力、变形满足要求，结构安全稳定。

9 结构安全分析

9.1 结构受荷下直观检验

本次充水试验全线一次充水，充水周期达50d。对结构受力、变形有了较全面的掌握。试验过程中发现6处窨水点，未发现较明显的漏水点以及结构裂缝的张开或闭合现象。渡槽整体结构在各工况下处于安全运行状态。

9.2 结构挠度、沉降、变形分析

通过充水试验对所有梁式渡槽结构挠度、沉降进行了监测，对监测成果分析可知，梁式渡槽的挠度最大值为1.025mm，墩身最大沉降3.62mm，最大沉降差3.07mm，跨间结构缝宽度变化最大值为-4.88/1.36mm，墩台水平位移最大值为12.72mm，渡槽挠度及墩身沉降、位移均未超过设计值、允许值及警戒值。结构受力变形符合规律。结构整体处于安全运行状态。

9.3 结构应力、应变分析

充水试验期间渡槽结构应力、应变等内观监测仪器监测成果表明:一是梁式渡槽槽身内壁处于受压状态，外壁混凝土也处于受压状态；二是渡槽槽墩及桩基在各工况下应力、应变符合规律，钢筋最大拉应力<135MPa。混凝土、钢筋的应力应变除受荷载影响外，气温、湿度、结构自身体积收缩等变化对应力应变影响也比较大，综合结构沉降、变形监测结果，结构整体处于安全状态。

10 结论

一是渡槽结构沉降、变形指标在警戒值以内，应力测值在警戒值以内，变化符合受力规律。总体上工程处于安全运行状态。二是渡槽各部位应力、应变变化符合规律，量值在警戒值以内。但在槽身竖墙顶部出现混凝土拉应变，槽身竖墙顶部钢筋计测值显示为压应力，钢筋计与应变计测值不完全协调一致，也与理论计算不一致。三是对于该异常问题应由现场施工、监理单位仔细核对监测成果并结合监测设备本身受施工、环境等因素分析查找出现异常的原因,同时后续应持续跟踪，加强监测。四是充水试验表明，渡槽施工质量总体较好，发现的质量缺陷均为一般质量缺陷，不影响工程承载安全，但影响结构耐久性。在所有缺陷经处理并经充水验证合格后，结构满足正常使用要求。