劉 濤

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概述

新疆地區(qū)氣候變化明顯，晝夜溫差大，大風等天氣持續(xù)較長，長期以來在冷熱風干的氣候條件影響下，各類建筑物混凝土結構的承載能力有所下降，影響渡槽的長久使用，對渡槽進行充水試驗是保證渡槽運行安全的重要舉措[1]。李建偉[2]介紹了泲河渡槽充水試驗前后的結構應力、撓度和沉降變形等安全監(jiān)測成果，結果表明，工程質量可靠、結構安全，滿足設計和通水要求；徐家灣連續(xù)剛構渡槽箱梁通過進行充水試驗，監(jiān)測結果表明渡槽的施工質量較好，結構偏于安全[3-4]；鄧成發(fā)等[5]對大塘口渡槽進行了現(xiàn)狀調查分析、地質勘察、現(xiàn)場安全檢測等方法，分析了渡槽的安全現(xiàn)狀。龍場渡槽通過充水試驗監(jiān)測表明，應力和變形規(guī)律與設計理論值基本一致，驗證了結構的安全性與可靠性[6]。

渡槽結構屬于水工建筑物，但其結構形式與橋梁有很大的相似性，采用橋梁結構有限元軟件Midas進行針對性計算分析。但是，與橋梁相比，渡槽結構在結構類型及受力方面有獨有的特點，其中最為突出的特點為渡槽頂部具有大量的水體，致使其整個槽身的質量是橋梁的幾倍乃至十幾倍，因此，針對渡槽的豎向承載能力監(jiān)測分析尤為重要。開展克孜河渡槽充水試驗是驗證設計成果，保證渡槽運行安全的重要舉措，也為其他類似工程提供了參考依據(jù)。

a 渡槽儀器現(xiàn)場布置

2 工程概況

克孜河渡槽位于新疆喀什地區(qū)，在總干渠分水閘下游約460 m處克孜河河床最窄，寬度約650 m處布置跨克孜河渡槽，樁號為0+500～1+240。渡槽的設計流量為87 m3/s，加大流量為100 m3/s，槽身段長為660 m，共分22跨，每跨為30 m，為“先澆后張”預應力鋼筋混凝土結構，槽身橫斷面采用雙槽式全封閉式箱型渡槽，縱坡為1/550，單孔尺寸為5.5 m×3.5 m(寬×高)，下部結構采用3根排架柱，柱頂設置蓋梁，柱底位于鋼筋混凝土承臺上。渡槽混凝土分2次澆筑，首次滿堂支架澆筑至八字墻以上25 cm，高度為155 cm，第2次采用鋼模臺車澆筑腹板、頂板結構。渡槽概貌如圖1所示。

圖1 渡槽概貌示意

3 安全監(jiān)測儀器布置

克孜河渡槽為新疆喀什地區(qū)一中型渡槽，為了檢驗渡槽的實際承載能力儲備情況，通過對渡槽某一部分展開充排水試驗，模擬渡槽正常通水階段的工作狀態(tài)。本文以渡槽第7跨為監(jiān)測對象，對重點關注的跨中豎向位移進行監(jiān)測分析，并通過有限元計算驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過在跨中測點1、測點2、測點3埋設應變計、位移計監(jiān)測克孜河渡槽在水荷載作用下的應力應變、撓度等變化規(guī)律，以此來評價渡槽在水荷載作用下的承載能力是否滿足設計承載要求。監(jiān)測儀器布置如圖2所示。

4 充水試驗方案

4.1 封堵方案

在渡槽第6段下游和第9段上游砌筑磚墻，高為3.0 m，確保兩端的砌筑磚墻形成封堵圍堰，可以滿足充水試驗過程中受力、防滲等要求，使渡槽第7、8兩跨順利完成充水試驗，在下游封堵磚墻靠近底板的位置設2根塑料DN300的排水管，便于渡槽第7、8兩跨進行排水。

4.2 充排水方案

準備工作完成后采用雙槽同時充水，充水時槽內水位均勻上升。水荷載施加選用設計流量水深(2.47 m)和加大流量水深(2.63 m)2種工況為基礎工況，為了能更好反應渡槽的極限工作狀態(tài)，增加滿槽水深(3.00 m)。本次充水試驗根據(jù)水深的不同分為6級加載和卸載[7]，卸載的試驗方案應與加載階段保持一致。各級充水流量、水位、水量見表1。

表1 第七跨各級充水加載試驗充水特性統(tǒng)計

5 安全監(jiān)測成果與分析

5.1 位移計監(jiān)測成果與分析

1)位移計監(jiān)測成果。充水試驗第7跨跨中豎向位移增量。充水至加大水深時，測點1、測點2、測點3的豎向位移均由0分別增至2.55 mm、3.12 mm、2.45 mm；滿槽水深時，測點1、測點2、測點3的豎向位移均由0分別增至2.92 mm、3.54 mm、2.76 mm。每一級荷載均需保持30 min的穩(wěn)荷時間，穩(wěn)定時間段內實測的位移值變幅逐漸減小，且時段末連續(xù)10 min內撓度值趨于穩(wěn)定，說明在穩(wěn)荷時段內撓度協(xié)調變形完成，可進行下一級加載，因此，以30 min作為穩(wěn)荷時間是可行且合理的。各測點的監(jiān)測成果均是在穩(wěn)荷時段內監(jiān)測，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠穩(wěn)定性。

2)位移計監(jiān)測成果分析。各梁測點的豎向位移在滿槽水荷載時最大，豎向位移(撓度)變化規(guī)律符合渡槽結構變形的一般規(guī)律。充水試驗測點豎向位移及線性回歸擬合如圖3所示。

由圖3可以看出，測點1和測點3豎向位移的實測值趨勢相近，測點2的豎向位移極值始終大于其他兩測點，因為在理論上測點1和測點3所在的邊縱梁所受水荷載相近，而測點2所在的中縱梁所受水荷載要大于邊縱梁所承受的水荷載。從圖3可以看出各梁各測點的位移極值變化情況以及荷載與撓度是呈現(xiàn)線性關系。充水試驗開始至充水試驗結束期間，位移計從0開始增長至最大值，然后在排水過程中平穩(wěn)恢復到充水前的狀態(tài)，卸去水荷載后，位移計顯示歸0情況正常。

圖3 充水試驗測點豎向位移及線性回歸擬合示意

依據(jù)渡槽結構有限元計算分析，預應力作為結構本身一部分，不考慮預應力產(chǎn)生的上拱撓度，渡槽自重產(chǎn)生的豎向位移為1 mm，滿槽水荷載情況下，豎向位移極值為4.75 mm[8-9]，測點2實測豎向位移極值為3.54 mm。渡槽的實測結果及有限元計算結果小于規(guī)范限值50 mm[10]，說明克孜河渡槽在水荷載作用下的抗彎強度滿足設計要求。

5.2 混凝土應力應變監(jiān)測成果與分析

1)混凝土應變計監(jiān)測成果。充水試驗第7跨跨中各測點的應變增量，隨著水深的增加，各測點應變的變化規(guī)律和位移趨勢相近。在滿槽水深時，測點1、測點2、測點3的應變達到峰值，應變極值分別為47.19 με、60.83 με、50.10 με。各測點的監(jiān)測成果均是在穩(wěn)荷時段內監(jiān)測，監(jiān)測要點與位移計監(jiān)測相同。

2)混凝土應變計監(jiān)測成果分析。在施加第1級水荷載后，測點1、測點2、測點3的應變增量分別達到23.01 με、29.10 με和26.17 με，變化量達到總應變的40%～50%，在小工況下位移變化過大，因此，需要對應變0點進行修正，修正后的各測點應變0點分別為17.93、20.63、24.25[7]。對各測點水荷載和應變關系進行線性回歸擬合，充水試驗實測應變及線性回歸擬合見圖4所示。

線性擬合后，在滿槽水荷載下，測點1、測點2、測點3的應變增量為29.26 με、42.20 με、25.85 με，由胡克定律可以知道各測點對應的應力增量分別為1.17 MPa、1.69 MPa、1.03 MPa。由圖4可以看出隨著水深的增加，應變也在增加，而且應變隨水深增加基本呈線性變化，說明在加載過程直至滿槽荷載，克孜河渡槽處于線彈性狀態(tài)，無較大的不可恢復變形。

圖4 充水試驗實測應變及線性回歸擬合示意

5.3 有限元計算分析

考慮渡槽與橋梁結構方面具有受力相似性[11]，采用橋梁工程結構有限元Midas軟件進行計算分析，極大的簡化了計算模型(如圖5所示)。渡槽混凝土采用六面體八節(jié)點為主要的單元進行劃分，共計103 521個單元，111 259個節(jié)點[12]。有限元模型中，坐標軸x以順槽向為正，y以橫槽向為正，z以豎直向上為正，計算取豎向位移向上為(-)，向下為(+)，網(wǎng)格模型通過無關化檢查后滿足要求。

圖5 渡槽第7跨有限元網(wǎng)格模型示意

邊界約束條件對計算結果影響較大，邊界條件設置為支承結構的端部約束為一端固定，一端簡支，并在槽身兩端設置x向位移約束，忽略地基和支撐槽墩變形對槽身的作用，僅考慮水荷載等效為均布荷載進行模擬。作為參照，材料的邊界條件設置與實體模型保持一致，以便為計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)作出科學對比。

槽身荷載組合包括槽身結構自重，混凝土彈性模量4.0×104N/mm2，泊松比0.167，軸心抗壓強度標準值fck=32.4 MPa，抗壓強度設計值fc=23.1 MPa；軸心抗拉強度標準值ftk=2.64 MPa，抗壓強度設計值fk=1.89 MPa；水荷載豎向壓力，因水流速度較小，按照靜荷載施加；預應力荷載，彈性模量為1.95×105N/mm2，泊松比為0.25，單根鋼絞線直徑為15.2 mm，面積為139 mm2，抗拉強度設計值為1 395 MPa，7股鋼絞線有效預壓應力為15.54 t，12股每束鋼絞線有效預壓應力為26.64 t；人群荷載；風荷載；地震荷等，本文主要研究水荷載對渡槽承載能力的不利影響，經(jīng)分析，采用滿槽水荷載運行并施加預應力為控制工況，跨中應力有限元計算結果見表2所示。

表2 應力有限元計算結果 MPa

模型采用有限元分析軟件Midas建立，由有限元計算結果可知，預應力水平下中梁底板空載時應力為-2.53 MPa，實測應力增量為1.69 MPa，滿槽荷載下中梁底板應力仍有-0.84 MPa；邊梁底板空載時應力為-1.66 MPa，實測應力增量為1.17 MPa，滿槽荷載下邊梁底板應力仍有-0.49 MPa，與渡槽滿載情況下有限元計算結果基本吻合，從而驗證了充水試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。位移從渡槽原位試驗和理論計算均說明了渡槽的跨中豎向位移與應力情況均滿足設計承載要求。

6 結語

本文依托克孜河渡槽，結合1次充水試驗及監(jiān)測結果分析，采用有限元計算結果對渡槽的承載能力進行理論說明，結合理論和實際分析，渡槽在水荷載作用下的承載能力滿足設計要求，得出以下結論：

1)在本次試驗中，采用位移計、應變計實測渡槽跨中的豎向位移和應力應變情況，以水工混凝土結構設計規(guī)范中的位移限值為實測數(shù)據(jù)評價指標，以Midas軟件進行跨中結構的理論計算，在雙重結果分析及嚴格質量檢查下，可以更加科學的說明在水荷載作用下，渡槽的承載能力滿足設計要求，為渡槽正常運行提供了安全依據(jù)。

2)依據(jù)《水工鋼筋混凝土設計規(guī)范》(SL 191—2008)規(guī)定渡槽撓度的允許值為計算跨度的1/500或1/600(跨度大于10 m者)，相應撓度的允許值為50 mm?？俗魏佣刹鄢渌囼灥膿隙葮O值發(fā)生在渡槽滿槽工況下，其實測值僅為3.54 mm，低于規(guī)范的允許值，全截面受壓，且運行期梁底未出現(xiàn)拉應力，說明渡槽混凝土承載能力滿足設計要求，預應力筋設置經(jīng)濟合理。綜上分析，計算結果滿足設計要求。