第四节　沙河梁式渡槽开展的关键技术研究

一、结构选型与跨度研究

沙河梁式渡槽为输水与承重一体结构，在跨度与选型研究方面，需要进行研究分析的因素包括：①渡槽的槽数，过流量一定时，槽数少则断面大，施工的质量安全风险也大，槽数多则经济性差，这就需要对合适的槽数进行研究；②跨度问题，采用预应力技术可提高跨度，但大跨度的经济性、安全性、施工风险需要深入研究；③结构断面形状，需深入分析不同形状断面的结构受力特点、工程适用性以及对投资的影响；④槽身施工工法，在大型渡槽方案比选时，施工因素影响显著，不仅影响总投资，而且影响结构方案的可行性。

针对沙河梁式渡槽的工程特点，槽身选择了2槽、3槽、4槽三种槽数，跨度选择30m、40m、45m三种跨度，结构断面选择了多槽U形、多槽矩形，施工工法选择了满堂支架法、造槽机法、架槽机法，组合了多种方案从结构受力、过流条件、防洪影响、施工技术水平与施工质量、施工工期、经济性、安全性等多方面进行综合分析，论证了沙河渡槽经济合理的上部结构型式与跨度，提出了采用U形双线4槽、简支结构30m跨预制架设方案。

二、U形薄壳渡槽结构稳定性分析研究

沙河梁式渡槽U形直段壁厚0.35m，底部布筋加厚部位0.9m，断面结构总高8.3m，高厚比达23.7，规范要求此类薄壁结构的稳定性需要专门研究。薄壁渡槽的主要特征是壁薄，即壁厚远小于壁板的宽度（相当于槽宽的1/5～1/8），薄壁梁式渡槽结构的稳定性问题备受关注。

薄壁渡槽在巨大的水荷载作用下，结构将发生弯曲变形，在渡槽结构的侧壁板、壳体构件上产生压应力。侧壁板、壳体构件在受到压应力作用时的稳定性问题，在渡槽结构设计中就不得不加以考虑，其中薄壁梁式渡槽结构的翼缘板、侧薄壁板及底板部分要进行局部稳定性问题研究。本书提出了半解析柱壳有限条元法分析结构局部受压稳定性，求解结构局部受压临界失稳应力，分析临界失稳应力影响因素。

薄壁梁式渡槽结构侧弯扭整体稳定性问题，主要考虑到薄壁渡槽在发生纵向弯曲变形的同时，结构断面伴随产生扭转变形，由此引发的薄壁梁式渡槽结构侧弯扭整体失稳而破坏的问题。侧弯扭稳定性问题的分析研究中，采用能量原理，建立结构的侧弯扭稳定性总势能泛函表达式，求侧扭屈曲临界失稳应力并分析其影响因素。

结构受压稳定性研究表明：影响渡槽失稳临界应力的主要因素有渡槽上缘宽度、壁厚、高宽比和高厚比等，其中对局部屈曲临界应力影响最大的因素是渡槽高厚比，对整体受压稳定临界应力影响最大的因素是渡槽跨度；沙河薄壁结构U形槽，其局部与整体受压临界失稳应力都比混凝土抗压强度设计值大得多，局部稳定性和整体稳定性是可以得到充分保证的。通过研究，解决了大型输水渡槽薄壁结构受压稳定性问题，为工程设计提供了坚实的理论支撑。

三、大型渡槽温度边界条件及温度应力分析

渡槽虽为简支结构，但大型渡槽结构内部相互约束，运行期在当地日照、大气温度和风速、水温等影响因素作用下，结构将产生温度应力，对大型渡槽而言，温度应力对结构受力、对抗裂性能与耐久性影响很大。本书对沙河渡槽的三维瞬态温度场和温度应力进行了研究，对瞬态温度场和稳态温度场应力状态进行了对比分析，提出了合理的渡槽运行期温度边界条件以及温度应力计算方法。

四、大型预应力渡槽结构分析

沙河渡槽跨度30m，结构断面宽度8.6m，高度8.3m，跨宽比3.49，跨高比3.61，属深受弯的中长壳构件。常规的结构计算方法就是梁法，但这样一个空间效应显著的结构采用梁法结果误差可能会比较大，加之温度应力作用，结构应力分布比较复杂，需要按空间结构进行验证分析，目前水工结构规范中有限元法仅用于校核，因此沙河渡槽结构设计采用常规结构力学法和有限元法相互配合设计，以结构力学法为基础，以空间有限元法进行验证，分析空间应力状态与应力分布规律，继而再通过原型试验进一步分析验证。

沙河梁式渡槽施工与常规现浇渡槽不同，采用地面预制、架槽机施工，因此槽体结构分析时需要研究架槽施工工况：①预制槽预应力初张拉后移位提槽；②运槽车槽顶运槽活荷载对已架槽体的影响。

五、渡槽充水试验及吊装试验分析研究

为验证理论分析结果，并研究结构加载后的空间应力实际状态与变化规律，2011年在沙河预制场开展了1∶1原型槽充水试验。试验模型为一跨原型试验槽、两端设挡水堵头，试验槽体为第一榀预制槽，槽内主要断面与部位埋有应力应变监测仪器。单槽原型充水试验于2011年9月4日开始充水，历经半槽水水深、设计水深、加大水深及满槽水深，之后再逐渐放空，9月下旬完成充水试验，充水期间各级特征水位下至少静停1～2d，充水前空槽与各级特征水位下分别进行变形与应力应变监测，充水过程中槽体结构未发现任何异常，检查未发现任何结构裂缝。

现场试验后对结构挠度、变形与应力应变监测数据进行了整理分析，并与数学模型计算结果进行了比对，总体表明：①结构挠度、变形基本符合预期，如设计水深下跨中实测挠度0.85mm，接近理论值1.1mm；②水荷载作用下的应力增量即分别减去充水前空槽状态下槽体应力，实测增量与数模增量比较接近，大部分相差0.3MPa以内，个别点差别大的约有0.5MPa；③U形槽原型与数模分析的结构应力分布规律总体一致。

结合渡槽提、运、架施工工艺在现场开展了渡槽施工过程中结构分析研究，验证槽体对施工工艺的适应性及安全性。

六、大断面U形预制槽止水试验研究与设计优化

止水是渡槽的关键组成构件，其性能直接影响整个工程输水安全，但目前已建的渡槽工程尤其是预制槽大多在槽身接缝处存在渗水现象，水利行业“十槽九漏”之说也表明渡槽接缝止水之难。沙河U形渡槽为单槽内径8m的大断面预制结构，止水尤为难做，为研究安全、可靠、耐久并便于施工的止水结构、材料与施工工艺，在沙河渡槽施工现场利用预制槽开展了原型槽体的接缝止水试验研究。

止水试验第一阶段从2011年9—10月利用沙河第1榀预制槽重点对已在东深供水改造工程渡槽中应用、具有代表性的后装止水型式“GB复合橡胶止水压板结构”进行了试验，止水带是GB复核橡胶止水带。试验发现压板结构在U形渡槽底部大圆弧段止水效果不理想，大曲面上压匀、压实比较困难，后植螺栓扭紧程度也不易把控。

止水试验第二阶段从2011年9月至次年3月利用现场预制的第5榀槽、第60榀槽对压板结构进行了优化改进试验，同时开展了“橡胶止水粘结+压板结构”新型止水型式的试验。对止水基面精修补平，提高平整度；对压板结构加密螺栓，并提高植入深度，保证其牢固性；规范螺栓扭力；采用角钢或槽钢提高压板刚度。“橡胶止水粘结+压板结构”型式先用结构胶粘结止水带，再用压板压实固定止水带。试验非常成功，止水效果很好，粘结+压板结构采用粘结密封渗水通道，粘压结合，不完全靠压，螺栓间距较压板结构可加大，施工效率高，效果更显著，尤其对止水基面的环境适应性强，止水质量更能保证；而压板结构以压为主，螺栓较密，虽然严格操作能够达到止水效果，但对止水基面平整度、工艺要求特别严格，在大面积施工时止水质量不易保证。

止水试验第三阶段为2012年8—9月，对止水预留槽优化后的第82榀槽采用“橡胶止水粘结+压板结构”新型止水型式开展了进一步验证试验。在前期试验的基础上，鉴于后植螺栓施工繁琐以及止水基面平整度问题，在后期槽体预制时预埋螺栓套筒，并在止水槽预埋钢板作为止水下垫面。通过充水验证，止水效果非常好，施工效率大大提高，操作更为便捷。

通过止水试验研究，提出了便于大面积施工、利于止水质量控制、对施工环境适应性强的大直径U形槽后装止水结构新型式与止水材料性能、指标要求，规范了止水精细化施工操作工艺与质量控制要求，优化了止水结构设计，解决了大型渡槽后装止水关键技术难题。

七、大型渡槽施工方案研究

目前国内外对大型渡槽施工装备与机械化施工研究比较少，且很不系统、不成熟，已建规模稍大的渡槽，绝大部分采用满堂架现浇施工，东深供水改造工程渡槽采用现浇造槽机施工，但其断面规模较小，造槽机规模仅为350t。预制装配（节段预制、拼装）及吊篮法（分节段现浇）技术因为渡槽的输水特性及对防渗的高要求，不宜采用。龙门吊整孔直接吊装法对渡槽而言，受河道地形起伏、河道水流及吊装轨道基础要求等限制并不适合在河道内施工。架槽机（整孔预制架设）技术在大型渡槽施工上的研究、应用还是空白。

本书以沙河渡槽为原型结合沙河渡槽的设计条件、施工条件，综合考虑施工场地、设备造价、工期控制、施工质量要求等因素进行槽身施工方案研究，分析不同工法的特点与适用条件。对传统的满堂架工法进行深入分析研究，对架槽机、造槽机两种施工工法重点研究其可行性、安全性。大型渡槽预制架设架槽机工法施工的关键技术研究包括：①大吨位提槽机（兼作场内运输设备）；②运槽设备以及槽上运槽技术；③架设技术：架槽机设备、起吊、安装、过孔移位等。大型渡槽造槽机工法施工的关键技术研究包括：①造槽机结构的强度、刚度、稳定性；②过孔驱动方式和精确定位；③模板的开启、闭合方式与精确对位。研究采用综合调查，理论分析和仿真分析相结合，模拟施工过程，验证渡槽结构及施工设备的安全性能。设备方面在工程前期设计阶段与郑州某重工科技公司合作进行了大型渡槽施工装备的研究。

本次全面梳理总结了满堂架工法、造槽机工法、架槽机工法三种工法的优缺点与适用性，研究表明对南水北调大型渡槽采用大吨位架槽机、造槽机施工在技术上是可行的、安全风险是可控的，三种工法均可用于大型渡槽施工，但都有其合适的适用条件。在施工方案选择时还应结合主体工程的方案比选，从结构造型、地形、地质条件、行洪条件、投资分析等方面综合考虑，就沙河渡槽而言，U形槽长达1710m，228片槽，适合机械化规模作业；架槽不受河滩软弱地基与洪水的环境影响，施工效率高，工期有保障，质量、安全更可靠，因此沙河U形槽采用架槽机施工方案。

施工方案研究方面，提出了大型渡槽预制整孔架设、利用提槽机、运槽车、架槽机进行“提、运、架”可行的施工方案；提出了大直径U形槽槽顶运输的“槽上运槽”创新思路，同时解决了在槽体过渡段上采用特制吊架提槽的关键技术难题。在设备研究方面提出了架槽机、造槽机机械设备的结构与技术性能参数。

八、大型U形渡槽预制关键技术

大断面薄壁渡槽槽身预制施工中，C50混凝土配合比设计、渡槽钢筋整体绑扎工艺、整体模板设计及混凝土浇筑控制都是南水北调大型渡槽建设中面临的关键技术难题，通过以沙河渡槽为典型工程的混凝土浇筑、钢筋绑扎及模板安装等质量控制技术研究，提出南水北调大型预制渡槽质量控制体系指标要求、工艺与技术要求等，指导南水北调大型渡槽工程建设，保证大型预应力预制渡槽的质量安全。

根据工程实际要求，采取优选外加剂、采用最佳砂率、增大级配、减少用水量以及添加纤维素等措施，确定适合槽身施工的混凝土配合比。制作钢筋绑扎胎具与钢绞线吊具，提高施工效率。在现场进行试验，调整模板支撑系统以增加模板刚度；细化模板构造，便于模板拆卸，提高模板利用高效率。通过分区分部位细化混凝土配合比、增加槽身反弧段浇筑及振捣窗口、内模粘贴模板布、优化附着式振捣器布置等提高槽身混凝土的浇筑及振捣水平，确保渡槽施工质量。

九、大断面U形槽蒸养温控技术研究

沙河梁式渡槽槽身为C50高强度混凝土，槽体施工采用预制、蒸汽养护。单节槽身混凝土460m3，槽体中部高8.3m、槽宽9.2m，端部高9.2m，宽9.3～7.7m；端肋厚1.98m。内外整体模板浇筑一次成型。在短时间内进行大块整体浇筑、蒸汽养护，混凝土在短时间内温度剧烈变化，会产生较大的温度应力。

对混凝土浇筑、静置、升温、恒温、降温、延养、自然养护等施工期全过程进行了施工期仿真分析研究。蒸养考虑四种不同的升降温速度（5℃/h、10℃/h、15℃/h、20℃/h），蒸养温度考虑60℃与80℃，蒸养恒温时间初定为10h。计算分析中取混凝土绝热温升指数和弹性模量增长指数在蒸养结束后达到28d强度值的约80％考虑。

通过研究提出了指导现场大断面预制渡槽蒸养的温控指标体系，从防裂要求对恒温、升降温速度、湿度、蒸养后不拆除蒸养棚的静置延养时间、结构芯部温度、内外温差等提出了控制要求。

对于蒸汽养护混凝土，钢模对结构的约束作用在计算模型中应予以考虑。钢模的作用对温度应力影响显著，混凝土在钢模的强约束作用下，蒸汽养护升温期间产生较大的预压应力，在降温期压应力逐渐减小。

十、双向预应力张拉试验与测力技术研究

沙河U形渡槽预应力孔道总数22924孔，钢绞线重3510t，是最大的南水北调渡槽预应力工程。每节槽身纵向布置27～31孔815.2（或615.2、515.2）直线预应力锚索，环向布置71孔515.2曲线预应力锚索。控制预应力张拉损失、保证张拉施工质量，对大型预应力渡槽极为关键。常规的预应力张拉施工控制采用双控，即张拉力控制，同时用伸长量校核，但双控并不能直观检测到锚索上的实际受力，加之环向5洞扁锚180°大曲率扁锚索首次在大型水利工程中应用，张拉质量有待验证。同时，测力设备自身的准确可靠性也有待验证，目前市场上的测力计产品尚无国家标准和行业标准，均为各设备厂家自行设计生产，圆锚应用较为普遍，相应的测力计较为成熟，扁锚测力计市场上比较少，因此为测量预应力损失，控制张拉质量，改进张拉工艺，提高测力系统可靠性、稳定性，在现场开展张拉试验研究十分必要，意义重大。

在沙河预制场建立环形预应力张拉试验台，环形台座高1m，C50钢筋混凝土结构，环形断面与沙河U形槽相同，台座内沿环向预留环形扁锚索两孔，对应U形槽环向扁锚索515.2；在环形试验台封口部分的直线段，预留直线圆锚索两孔，对应U形槽纵向圆锚索815.2。在试验台环向与封口直段的中间部位开有窗口，能直观看到预应力张拉变化，同时在窗口部位安装钢索计直接测量锚索应力。张拉试验研究在试验台和工程槽上分别开展。

开展的研究内容主要包括：孔道摩阻试验，锚圈口损失试验，锚固回缩损失试验，锁定方式试验，测力设备稳定性可靠性试验与设备优化研究。

通过试验研究，提出了预应力工程孔道摩阻合适的计算参数取值，预应力设计中对重要参数孔道摩阻的取值应根据市场上材料性能不稳定等情况保守考虑；试验研究表明纵向直线锚索一端先锁定、另一端补拉后再锁定，比两端同时锁定能有效减少预应力损失；试验分析了测力设备的主要影响因素，提出了改进优化测力设备的思路，改进扁锚测力计由5洞优化为3洞能够减少测力计内摩擦损失；系统地提出了设备同轴对中定位措施、铣平锚垫板顶面、采用中空垫板、采用高精度防震压力表等一系列预应力张拉质量控制方法、参数、工艺、措施。