结构与材料
杜亚楠1，覃振洲2
(1.贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵州 贵阳 550002; 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550009)
摘 要：龙场渡槽施工技术复杂，通过充水试验监测表明，主拱圈应力和变形规律与设计理论值基本一致，验证了结构的安全性与可靠性，可为今后类似结构渡槽的设计和施工提供借鉴。
关键词：充水;应力;变形
龙场渡槽是黔中水利枢纽一期输配水工程的控制线工程之一，位于贵州省六枝特区龙场乡红旗村境内，起止桩号为总干23+207.198～总干23+547.198，总长为340 m，设计流量为20.759 m3/s。该渡槽为拱式渡槽，拱轴线为悬链线，主拱圈净跨为200 m，矢跨比为1/5，矢高为40 m，主拱为单箱双室钢筋混凝土变截面拱，拱宽由拱脚出12 m渐变至跨中5.5 m，拱箱高为3.5 m，拱圈离地面最大高度为120 m，该渡槽是世界跨度最大的单跨混凝土拱式渡槽[1-2]。
龙场渡槽主拱圈采取整体分段预制和悬臂安装(缆索吊装配合斜拉扣挂工艺)方案，最大拱圈节段吊重241.3 t，吊重精度要求高，施工难度大。开展充水试验能验证结构的安全性与可靠性，探索结构受力的普遍规律，为今后类似渡槽设计的优化提供理论支持；同时可检验渡槽各部分的施工质量，发现裂缝和渗水等缺陷[3]，以便在投入运行前进行处理。
2.1 充水试验工况
龙场渡槽充水试验范围23+212.198～总干23+542.198，总长为330 m，分5级加载，加载水位上升幅度控制在0.5 m/d，1～3级加载后静停1 d监测，4级加载后静停3 d监测，5级加载后静停4 d监测；加载5级静停完成后逐级反向卸载，卸载水位下降幅度控制在0.8 m/d，5级卸载至4级后静停3 d监测，其余卸载至下1级后均监测1 d。各级加载对应水位、流量、水量见表1所示。
表1 充水试验各级加载技术指标
工况对应过水流量/(m3/s)平均水深/m本级水量/m3总水量/m315 19(1/4设计流量)1 3071193 41193 4210 38(2/4设计流量)1 876775 21968 6315 569(3/4设计流量)2 396707 22675 8420 759(设计流量)2 892674 93350 7524 485(加大流量)3 24472 943823 64
2.2 充水试验加载方式
充水试验每一级加载采用扬程为180 m，功率为90 kW，流量为110 m3/h的潜水泵从渡槽下方龙场小河抽水加载，采用渡槽两端堵头中埋设的D500钢管及安装的闸阀控制放水进行卸载，由于受到外界因素影响，龙场渡槽自2016年8月11日启动充水加载，至9月18日卸载完成，历时39 d。
2.3 测点布置
龙场渡槽在主拱圈顶部8分点处设置了7个竖向位移测点，监测主拱圈竖向位移变形；在主拱圈梁段接缝处、拱顶等15个关键截面埋设了混凝土应变计共计30支，监测主拱圈混凝土应力；在上下游拱座分别埋设2套多点位移计，监测拱座变形；相应测点及仪器布置见图1。
图1 龙场渡槽主拱圈竖向位移测点布置示意
图2 混凝土应力监测仪器埋设断面示意
图3 混凝土应力监测仪器埋设横断面示意
3.1 计算模型
充水试验前，采用结构分析专用软件MIDAS CIVIL 2012对该渡槽进行结构静力分析。试验模型将整个桥梁结构划分为366个单元，共计331个节点；其中主拱圈单元103个，其他单元263个，模型按照充水试验工况施加静力荷载。
3.2 充水试验理论计算结果
根据模型计算结果，整理充水试验理论计算值，如表2、表3所示。
表2 充水试验主拱圈竖向位移理论计算值和实测值 mm
测点编号1级加载理论值1级加载实测值3级加载理论值3级加载实测值5级加载理论值5级加载实测值卸载放空实测值L/8跨测点0 480 41 081 21 541 5-0 3L/4跨测点-1 34-1 2-3 01-3 2-4 3-4 2-0 53L/8跨测点-4 87-3 8-10 9-9 6-15 59-13 9-2 0拱顶测点-6 66-5 4-14 91-13 9-21 32-21 5-3 85L/8跨测点-4 87-3 9-10 9-10 1-15 59-14 3-1 93L/4跨测点-1 34-1 3-3 01-3 1-4 3-4 1-0 67L/8跨测点0 480 41 081 21 541 4-0 3
注：主拱圈竖向位移测量主要监测在充水试验荷载作用下的相对变形量，充水前各测点初值均为0 mm。
表3 充水试验主拱圈混凝土应力理论计算值和实测值 MPa
测点位置1级加载理论值1级加载实测平均值3级加载理论值3级加载实测平均值5级加载理论值5级加载实测平均值I-I截面上缘-3 73-2 80-4 64-3 46-5 35-4 04I-I截面下缘-7 28-3 96-7 33-4 96-7 37-5 27Ⅱ-Ⅱ截面上缘-4 80-3 93-5 18-4 40-5 47-4 69Ⅱ-Ⅱ截面下缘-6 16-5 00-6 80-6 55-7 29-6 86Ⅲ-Ⅲ截面上缘-5 14-4 94-5 40-6 50-5 61-6 85Ⅲ-Ⅲ截面下缘-6 16-5 28-6 97-4 87-7 60-5 34Ⅳ-Ⅳ截面上缘-5 12-5 87-5 28-6 95-5 40-7 41Ⅳ-Ⅳ截面下缘-6 24-6 20-7 17-7 43-7 89-7 97Ⅴ-Ⅴ截面上缘-5 57-4 70-5 80-5 52-5 99-5 96Ⅴ-Ⅴ截面下缘-5 99-4 88-6 85-5 60-7 53-5 98Ⅵ-Ⅵ截面上缘-6 22-4 31-6 70-4 16-7 07-4 39Ⅵ-Ⅵ截面下缘-5 67-4 48-6 33-5 75-6 85-5 89Ⅶ-Ⅶ截面上缘-6 85-4 04-7 63-3 95-8 23-4 24Ⅶ-Ⅶ截面下缘-5 40-4 20-5 79-4 78-6 10-5 09Ⅷ-Ⅷ截面上缘-7 78-3 25-8 95-4 30-9 85-4 81Ⅷ-Ⅷ截面下缘-4 73-5 20-4 76-6 09-4 79-6 10Ⅶ -Ⅶ 截面上缘-6 85-5 54-7 63-5 91-8 23-6 31Ⅶ -Ⅶ 截面下缘-5 40-5 66-5 79-5 44-6 10-5 84Ⅵ -Ⅵ 截面上缘-6 22-5 96-6 70-7 47-7 07-7 96Ⅵ -Ⅵ 截面下缘-5 67-4 41-6 33-5 91-6 85-6 42Ⅴ -Ⅴ 截面上缘-5 57-5 31-5 80-6 09-5 99-6 49Ⅴ -Ⅴ 截面下缘-5 99-4 59-6 85-5 78-7 53-6 14Ⅳ -Ⅳ 截面上缘-5 12-4 27-5 28-6 13-5 40-6 22Ⅳ -Ⅳ 截面下缘-6 24-4 34-7 17-4 84-7 89-5 25Ⅲ -Ⅲ 截面上缘-5 14-4 49-5 4-4 52-5 61-4 91Ⅲ -Ⅲ 截面下缘-6 16-5 06-6 97-6 13-7 60-6 60II -II 截面上缘-4 80-5 38-5 18-6 98-5 47-7 44II -II 截面下缘-6 16-5 36-6 80-5 80-7 29-6 21I -I 截面上缘-3 73-5 70-4 64-6 22-5 35-6 70I -I 截面下缘-7 28-5 49-7 33-6 30-7 37-6 59
4.1 主拱圈竖向变形监测结果及分析
4.1.1 监测结果
各级加载期间，主拱圈各测点竖向位移实测值见表2，实测值采用充水试验各级加载静停期间持荷稳定后的测值，竖向位移理论计算值与实测值对比见图4。
图4 主拱圈竖向位移对比示意
4.1.2 监测分析
1) 主拱圈在各级试验荷载作用下，主拱圈竖向位移随荷载增大而逐渐增大，实测竖向变形与理论变形基本一致，其中最大位移均出现在跨中测点，跨中测点位移与理论值之比在0.81～1.02倍之间，满足设计要求的1.1倍限值。
2) 卸载放空后主拱圈最大竖向残余变形为跨中测点的-3.8 mm，残余相对值(卸载残余值/最大荷载竖向变形)为17.7%<>
3) 扣除竖向残余变形后主拱圈最大竖向弹性变形为-17.7 mm，竖向变形校检系数(最大荷载竖向弹性变形/最大荷载竖向变形理论值)为0.83<>[4]。
上述结果表明，该渡槽试验跨主拱圈变形合理，结构刚度满足规范要求。
4.2 拱座位移监测结果及分析
充水试验前后及5级最大荷载作用下拱座位移位移进行了测量，实测值采用充水试验加载静停期间持荷稳定后的测值。与充水前初值相比，在5级最大荷载作用下拱座最大变形为0.23 mm(顺桥向为正)，卸载放空后最大拱座变形为0.14 mm，均满足充水试验技术要求的5 mm限值，拱座变形较小，符合理论预期。
4.3 主拱圈混凝土应力监测结果及分析
4.3.1 监测结果
各级加载期间，主拱圈混凝土应力实测值见表3，实测值采用充水试验各级加载静停期间持荷稳定后的主拱圈上缘及下缘左右测点的平均测值，实测值与理论值对比见图5、图6。
图5 主拱圈上缘混凝土应力对比
图6 主拱圈下缘混凝土应力对比
4.3.2 监测分析
1) 在充水试验过程中主拱圈混凝土应力均为压应力，主拱圈上缘混凝土压应力平均值在2.80～4.04 MPa范围内，下缘混凝土压应力平均值在6.20～7.97 MPa范围内，均满足小于规范要求的混凝土抗压强度设计值25.3 MPa(主拱圈混凝土强度等级C 55)，并且符合设计要求的终止加载控制指标:监测截面正压应力实测值应大于1 MPa且小于21.3 MPa，否则应停止继续加载。
2) 实测主拱圈混凝土压应力沿纵向分布规律与理论计算存在一定差异，但随各工况荷载增大，各截面混凝土压应力呈增大趋势，与渡槽实际受载情况及理论预期相符。
4.4 外观检查结果及处理
在充水试验前对渡槽结构进行外观检查，发现拱圈存在个别微裂缝，最大宽度0.22 mm；充水试验过程中主要观测已发现微裂缝的发展情况及槽壳渗水情况。
通过对裂缝宽度的持续监测，裂缝无明显发展，可判定为表层裂缝，且均满足规范要求[5]；充水试验过程中发现槽身渗水点50处(图7)，槽壳间伸缩止水缝渗水6处(图8)，其中槽身渗水主要集中在槽身底弧面、底部。
图7 槽身底部及底弧面渗水现象
图8 槽身接缝渗水现象
结合现场实际情况分析，槽身渗水现象主要是施工过程中混凝土浇筑不连续出现冷缝，或振捣不密实使槽壳局部出现蜂窝孔形成渗水通道，导致渗水现象发生[6]。槽壳接缝渗水现象在第4级加载过程中均未出现，在第5级加载时水位高度超过了止水缝的最高点，出现水从止水缝顶部溢流的现象。
在充水试验卸载工况过程中，根据槽身渗水痕迹，在槽身钻孔灌注亲水性聚氨酯的方法有效解决了混凝土渗漏问题；卸载完成后，将未施工到槽身过水断面顶部的止水缝按照设计方案补充实施，即可满足运行期过水要求。
通过充水试可以得出以下结论。
1) 在试验荷载作用下主拱圈竖向变形随荷载增大而逐渐增大，变形规律与理论计算基本一致，符合理论预期，且满足规范及设计要求；拱座位移较小，远小于规范及设计要求限值；主拱圈混凝土应力均为压应力，压应力测值均在规范及设计要求范围内，并且随荷载增而大逐渐增大，符合理论预期。
上述结果表明龙场渡槽在试验荷载作用下主拱圈的结构刚度、承载能力均满足规范及设计要求。
2) 充水试验期间发现的槽壳及接缝渗水现象均不影响工程结构安全，处理后可正常投入使用。
3) 龙场渡槽跨度大，结构复杂，施工难度大，通过充水试验证明，渡槽施工达到了设计要求，结构安全可靠，为渡槽竣工验收、运行期养护等提供了技术依据，同时为今后类似结构渡槽的设计和施工优化积累了一定资料。
参考文献：
[1] 杜亚楠.龙场渡槽主缆系统进口主锚碇施工原理介绍[J].中国水运，2015，15(10)：333-334．
[2] 张健，李仁刚，童泽林.黔中水利枢纽龙场高达跨渡槽拱圈施工方案研究[J].广东水利水电，2013(10)：50-53．
[3] 陈晓光，马慧敏.南水北调中线沙河渡槽工程充水试验方案浅析[J].河南水利与南水北调，2014(15)：35-36．
[4] 公路桥梁荷载试验规程：JTG/TJ 21-01—2015[S].北京：人民交通出版社，2015．
[5] 公路桥梁承载能力检测评定规程：JTG/TJ 21—2011[S].北京：人民交通出版社，2011．
[6] 陈晓光.南水北调中线工程沙河渡槽充水试验研究[J].人民黄河，2015，37(8)：126-128．
(本文责任编辑 马克俊)
DU Ya'nan1, QIN Zhenzhou2
(1.Guizhou Water Investment Group Co.,Ltd.，Guiyang 550002，China; (2.Guizhou Transportation Planning Survey and Design Co.,Ltd., Guiyang 550009, China)
Abstract：The construction technology of Longchang aqueduct is complex, the research results of water filling test show that the stress and deformation law of arch ring is consistent with theoretical value, verifying the safety and reliability of the structure, accumulating experience for the design and construction of similar structure aqueduct.
Keywords：water filling; stress; deformation
收稿日期：2017-02-24;
修回日期：2017-03-22
作者简介：杜亚楠(1988)，男，硕士,工程师，从事水利水电工程建设与管理工作。
中图分类号：TV672+.3
文献标识码：A
文章编号：1008-0112(2017)005-0051-05
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