南水北調(diào)中線工程漕河渡槽安全監(jiān)測設(shè)計(jì)

張穎軍

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程規(guī)模大、輸水距離長、流量大、涉及建筑物種類多，技術(shù)難度高。京石段應(yīng)急供水工程作為先期開工段，涵蓋了南水北調(diào)中線工程中的各類建筑物，其設(shè)計(jì)和施工對整個南水北調(diào)中線工程具有指導(dǎo)和借鑒作用。漕河渡槽是南水北調(diào)中線總干渠上跨度較大的交叉建筑物，位于河北省滿城縣神星鎮(zhèn)，由進(jìn)口段、槽身段、出口段組成。

槽身段包括進(jìn)口連接段、落地矩形槽段、20m跨多側(cè)墻段、30m跨多側(cè)墻段和出口連接段。其中進(jìn)口連接段長8.4m；落地矩形槽段長240m，分24節(jié)，每節(jié)10m；20m跨多側(cè)墻段長710m，共35跨（其中一跨為30m）；30m跨多側(cè)墻段長1230m，共41跨。出口連接段長10.6m。槽身為三槽一聯(lián)，單槽斷面尺寸6m×5.4m，槽身底板厚0.5m，邊墻厚0.6m，頂部設(shè)2m寬的人行道板，中墻厚0.7m，頂部設(shè)2.7m寬的人行道板，槽身頂部設(shè)拉桿，斷面尺寸0.3m×0.4m；落地矩形槽段槽身加設(shè)側(cè)肋，20，30m跨多側(cè)墻段槽身加設(shè)側(cè)肋及底肋，肋間距2.5m，側(cè)肋寬0.5m，高0.7m，底肋寬0.5m，高1.1m。20，30m跨多側(cè)墻段為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，為保證預(yù)應(yīng)力張拉的操作空間，各跨之間設(shè)置1.1m寬的后澆帶。

渡槽槽墩為空心重力墩，墩高11.1～22.8m，墩身外坡比為20∶1，墩身壁厚1.0m，墩身空腔內(nèi)設(shè)3道橫隔板，板厚1.0m。槽墩基礎(chǔ)少數(shù)為摩擦樁，一般為端承樁，部分為擴(kuò)大基礎(chǔ)。

2 觀測目的及設(shè)計(jì)原則

2.1 觀測目的

漕河渡槽采用三槽一聯(lián)多側(cè)墻結(jié)構(gòu)，其規(guī)模、結(jié)構(gòu)形式國內(nèi)外尚無工程經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、變形規(guī)律及各向預(yù)應(yīng)力效果等無成熟的計(jì)算理論，因此，渡槽的安全監(jiān)測尤為重要。觀測渡槽的主要目的是掌握渡槽的運(yùn)行狀態(tài)（包括受力狀態(tài)和變形情況），確保渡槽安全、可靠運(yùn)行；改善施工工藝，加快施工進(jìn)度，提高施工質(zhì)量；驗(yàn)證設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)水平，為科學(xué)研究提供資料。

2.2 觀測設(shè)計(jì)原則

渡槽屬于受力構(gòu)件，槽壁的結(jié)構(gòu)尺寸相對較小，屬于薄壁結(jié)構(gòu)，與大壩等大體積混凝土結(jié)構(gòu)有很大差異，根據(jù)漕河渡槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，觀測設(shè)計(jì)遵循以下原則：

（1）觀測項(xiàng)目以受力和變形為主。

（2）為了更全面地反映渡槽的受力狀態(tài)和變形規(guī)律，觀測跨的選擇應(yīng)有代表性，在觀測跨進(jìn)行綜合布置觀測項(xiàng)目，以便于觀測資料的綜合分析和各相關(guān)觀測資料互相佐證。

（3）按結(jié)構(gòu)計(jì)算模型布設(shè)觀測儀器。

（4）為盡量避免監(jiān)測儀器和電纜對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改變，同時減少對施工干擾，在布設(shè)觀測點(diǎn)時，力求做到少而精。

（5）觀測儀器設(shè)備選用可靠、耐用、長期穩(wěn)定性好，在國內(nèi)外工程中有長期運(yùn)用實(shí)例且便于實(shí)現(xiàn)自動化觀測的儀器。

（6）在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，盡量采用自動化觀測，以減輕觀測人員的工作量，提高觀測精度及管理水平。

3 觀測項(xiàng)目及觀測部位選定

3.1 觀測項(xiàng)目選定

結(jié)合工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置的觀測項(xiàng)目包括：槽身表面垂直位移觀測和槽墩不均勻沉降觀測；槽身應(yīng)力、應(yīng)變觀測；槽身預(yù)應(yīng)力損失觀測；槽身溫度觀測；槽身伸縮縫開合度觀測；作用在槽墩上的土壓力、水壓力觀測；槽墩地基反力觀測。

觀測儀器包括應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、溫度計(jì)、錨索測力計(jì)、土壓力計(jì)和滲壓計(jì)等。

3.2 觀測部位選定

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置及受力特點(diǎn)，在巖石基礎(chǔ)落地槽段、回填碎石基礎(chǔ)落地槽段各設(shè)1個觀測橫斷面，觀測斷面設(shè)置在跨中部位；在20m跨多側(cè)墻彎道段、30m跨多側(cè)墻段各布設(shè)1個觀測跨。選擇20m跨多側(cè)墻段槽墩、30m跨多側(cè)墻段槽墩為觀測墩。

4 觀測點(diǎn)布置

4.1 表面垂直位移測點(diǎn)布置

落地槽段在每節(jié)槽身中部左、右邊墻頂面各布設(shè)1個沉降點(diǎn)，用于觀測槽身的沉降和傾斜；20，30m跨多側(cè)墻段，在每跨槽身右中梁上游側(cè)頂面各布設(shè)1個沉降點(diǎn)，用于觀測各跨支座部位的總沉降；觀測跨的各邊梁和中梁的頂面上，在支座和跨中部位各布設(shè)1個沉降點(diǎn)，用于觀測跨的撓度觀測。

渡槽各槽墩在距原地面1.0m高處左、右側(cè)各布設(shè)1個沉降點(diǎn)，用于觀測槽墩的沉降和傾斜。

垂直位移觀測采用一等水準(zhǔn)測量法，槽身上的測點(diǎn)采用地面標(biāo)志，槽墩上的測點(diǎn)采用墻上標(biāo)志。

4.2 槽身應(yīng)力、應(yīng)變測點(diǎn)布置

落地槽段結(jié)構(gòu)對稱，兩側(cè)受力條件基本相同，觀測斷面的觀測儀器僅布置在槽身右側(cè)。在底板、邊墻受力較大部位的內(nèi)、外側(cè)布設(shè)鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)，拉桿上布設(shè)鋼筋計(jì)，并在底板和邊墻內(nèi)各布設(shè)1支無應(yīng)力計(jì)，2支無應(yīng)力計(jì)可互相備用。

20，30m跨多側(cè)墻段沿渡槽軸線方向邊縱梁和中縱梁為工字型簡支梁，垂直渡槽軸線方向槽身橫斷面為由拉桿、中墻、側(cè)肋和底肋組成的閉合框架，因此觀測跨上測點(diǎn)按縱、橫兩個方向布置?？v向觀測斷面取右邊梁和右中梁，分別在梁底部支座、1/4跨、跨中及3/4跨，梁頂部支座、跨中部位布設(shè)鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)。橫向觀測斷面取跨中的肋部和跨中部位 （兩肋間），由于槽身兩側(cè)內(nèi)外溫差不同，兩側(cè)溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)影響不同，橫斷面觀測儀器按全斷面布置。肋部觀測斷面在底肋、邊肋受力較大部位的內(nèi)外側(cè)布設(shè)鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)，在拉桿上布設(shè)鋼筋計(jì)，用于觀測底肋、邊肋和拉桿的受力狀況?？缰杏^測斷面在底板、側(cè)墻中部內(nèi)外側(cè)布設(shè)鋼筋計(jì)和應(yīng)變計(jì)，用于觀測底板和側(cè)墻的受力狀況。整個觀測跨在肋部觀測斷面底肋和邊肋內(nèi)各布設(shè)2支無應(yīng)力計(jì)。

4.3 槽身預(yù)應(yīng)力損失測點(diǎn)布置

20，30m跨多側(cè)墻段觀測跨上，選取上游端橫斷面為縱向預(yù)應(yīng)力損失觀測斷面，觀測儀器布置在槽身右半側(cè)。在邊縱梁、中縱梁底部、中部、頂部及底板部位分別選取1個錨索為觀測錨索，在觀測錨索上布設(shè)錨索測力計(jì)。選取上游側(cè)肋部和跨中部位肋部橫斷面為橫向和豎向預(yù)應(yīng)力損失觀測斷面，在底肋、底板、邊墻頂面、側(cè)肋頂面分別選取1個錨索為觀測錨索，在觀測錨索上布設(shè)錨索測力計(jì)。

錨索測力計(jì)布設(shè)在錨索的張拉端，兩端張拉的錨索布設(shè)在上游側(cè)和右側(cè)。

4.4 槽身溫度測點(diǎn)布置

20，30m跨多側(cè)墻段縱向內(nèi)力計(jì)算采用簡支梁模型，溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響較小，甚至可以忽略；橫向內(nèi)力計(jì)算采用超靜定框架結(jié)構(gòu)模型，溫度應(yīng)力的影響較大，因此落地矩形槽段和20，30m跨多側(cè)墻段槽身溫度觀測點(diǎn)均布設(shè)在橫向觀測斷面。為便于資料分析，溫度觀測斷面與應(yīng)力、應(yīng)變觀測斷面相同，由于應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)等具有測溫功能，在布設(shè)應(yīng)變計(jì)、無應(yīng)力計(jì)部位，不再布設(shè)溫度測點(diǎn)。僅在邊墻、底板上沿壁厚方向分別布設(shè)2組溫度計(jì)，用于觀測混凝土的溫度梯度。

4.5 槽身伸縮縫開合度測點(diǎn)布置

在巖石基礎(chǔ)落地槽與回填碎石基礎(chǔ)落地槽分界處、落地槽與架空槽分界處槽身伸縮縫頂部人行道板各設(shè)1個彎板式三向測縫標(biāo)點(diǎn)，用于觀測伸縮縫沿渡槽軸向、橫向和豎向的變位。

4.6 槽墩土壓力、水壓力測點(diǎn)布置

在槽墩上游側(cè)面軸線上，沿高度方向布設(shè)3支土壓力計(jì)，用于觀測作用在槽墩上的土壓力，同時在最底部土壓力計(jì)的上游側(cè)布設(shè)1支滲壓計(jì)，用于觀測作用在槽墩上的水壓力，并監(jiān)測河道水位。

4.7 槽墩地基反力測點(diǎn)布置

在槽墩中心基礎(chǔ)底面上布設(shè)2支土壓力計(jì)和1支滲壓計(jì)，用于觀測槽墩地基反力和作用在墩基上的揚(yáng)壓力，該滲壓計(jì)與槽墩側(cè)面的滲壓計(jì)可互相校正。

5 電纜牽引和保護(hù)

漕河渡槽全長2300m，長度較大，若將觀測儀器電纜分別引至進(jìn)出口閘室，便于管理，但電纜牽引路線長，電纜投資很大，且渡槽為薄壁結(jié)構(gòu)，電纜在混凝土內(nèi)牽引，可能會削弱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，電纜在渡槽外牽引，不利于電纜的保護(hù)，影響建筑物的美觀，電纜長距離牽引還需解決跨縫問題。因此，漕河渡槽安全監(jiān)測設(shè)計(jì)將觀測儀器電纜在槽身內(nèi)就近匯集，由槽身引出，放置在引出位置的人行道板上，接入測控單元或集線箱。

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