南水北调中线渠道混凝土衬砌板优化设计.pdf

第 3 3卷第 1 0期 2 0 1 1年 1 0月 人民黄河 Y EL L 0 W RI VER Vo 1 ． 3 3． N o． 1 0 0e t ．． 2 01 1 【 水利水 电工程 】 南水北调中线渠道混凝土衬砌板优化设计 邵 岩 ， 左 丽 ， 张强林 ( 1 ． 黄河勘测规划设计有限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 0 3 ； 2 ． 南水北调 中线干线工程建设管理局， 北京 1 0 0 0 3 8 ； 3 ． 福建省电力勘测设计院， 福建 福州 3 5 0 0 0 3 ) 摘要： 针对南水北调中线穿黄工程 已建渠道坡脚上部易出现裂缝的情况， 采用M i d a s 有限元软件对混凝土衬砌板结构 体型、 分缝位置和深度进行了研究， 推荐采用外坡为 1 ： 0 ． 5的齿墙形式， 在坡脚上部 0 ． 5 n l 处设第一条分缝， 半缝深度为 衬砌厚度 5 0 ％的优化方案。试验段施工结果表明， 原来易出现裂缝的渠道坡脚上部未出现裂缝， 该优化方案是合理的。 关键词：渠道；混凝土衬砌 ；齿墙；裂缝；南水北调 ． 中图分类 号 ：T V 6 7 2 文献标识码 ： A d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 - 1 3 7 9 ． 2 0 1 1 ． 1 0 ． 0 2 9 Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Cha n ne l Co nc r e t e Li n i n g Pl a t e i n So u t h t o - No r t h Wa t e r D i v e r s i o n Mi d d l e R o u t e P r o j e c t S H A O Y a n ． Z U O L i ． Z H A N G Q i a n g ． 1 i n ( 1 ． Y e l lo w Riv e r En g i n e e r i n g C o n s u l t i n g C o ．L t d ． ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 3 ，C h i n a； 2 ． C o nst r u c t i o n a n d A d m i n i s t r a t i o n B u r e a u o f S o u t h - t o - Ⅳ 0 W a t e r D i v e r s i o n Mi d d l e R o u t e P r o j e c t ， B e ij i n g 1 0 0 0 3 8， C h i n a； 3 ．F u j i a n E l e c t ri c P o w e r S u ~ e y＆De s i g n I n s t i t u t e ， F u z h o u 3 5 0 0 0 3 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e s i t u a t i o n t h a t u p p e r p a r t o f s l o p e t o e o f a l r e a d y b u i l t c h a n n e l o f Ye l l o w R i v e r c r o s s i n g p r o j e c t i n s o u t h t o - n o r t h w a t e r d i v e r - s i o n mi d d l e r o u t e p r o j e c t c r a c k s e a s i l y ， t h e p a p e r s t u d i e d o n t h e t y p e ， p a r t i n g l o c a t i o n a n d d e p t h o f c o n c r e t e t o o t h - w a l l b y Mi d a s fi n i t e e l e m e n t s o ft — wa r e ．I t s u g g e s t s t h a t a d o p t i n g t h e o p t i mi z a t i o n me t h o d t h a t t o o t h — wa l l t y p e wi t h o u t e r s l o p e o f 1 ： 0． 5，s e t t i n g t h e f i r s t p a rti n g a t t h e u p p e r 0． 5 m o f t h e s l o p e t o e，a n d ma k i n g t h e d e p t h o f h a l f c r a c k t o b e h a l f o f t h e l i n i n g t h i c k n e s s ．Th e J ：e s t s e c t i o n c o n s t r u c t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e o p t i mi z a t i o n s c h e me i s c o r r e c t ，a n d c r a c k s a r e n o t f o u n d a t t h e u p p e r s l o p e t o e ． Ke y wo r d s：c h a n n e l ；c o n c r e t e l i n i n g；t o o t h — wall ；c r a c k；s o u t h — t o — n o r t h wa t e r d i v e r s i o n 南水北调中线穿黄工程位于郑州市以西约 3 0 k m的孤柏 山湾处。穿黄工程总体布置自南向北依次为南岸连接明渠 、 进 口建筑物、 穿黄隧洞、 出口建筑物、 北岸连接渠道等。南岸连接 明渠长约 5 k m， 位于邙山黄土丘陵区， 为挖方渠道。北岸连接 渠道长约 9 ． 9 7 k m， 具有全填方、 半挖半填和全挖方渠道 3种型 式 。渠道过水断面边坡高约9 m， 采用 C 2 0聚丙烯合成纤维混 凝土板衬砌， 衬砌板厚 1 0 c m， 坡度为 1 ： 2 ． 2 5 ， 混凝土板下铺设 土工膜和保温板， 坡脚设置混凝土齿墙。渠道混凝土板顺渠道 轴线向每4 m设一条横缝， 横向每 4 i n设一条纵缝 ， 纵横缝采 用通缝和半缝交替布置， 为避免切缝刺破土工膜， 逋缝采用 9 0 ％板厚 ， 半缝采用 7 5 ％板厚。施工图阶段， 已完建的南水北 调中线某些区段出现了裂缝， 裂缝分布在坡脚以上 0 ． 3—1 ． 5 m 范围。针对裂缝的位置分布， 开展了优化衬砌结构体型的研究。 _ 1 优化设计思路及手段 1 ． 1 原衬砌型式存在的问题 经初步分析 ， 原设计衬砌型式可能存在以下问题 ： ①在已 完工的工程中， 有在齿墙上部开裂的情况， 原因是齿墙为矩形 断面， 与边坡混凝土板之间的连接为非平滑过渡， 可能存在极 大拉应力 ； ②原设计分缝 比较复杂， 通缝、 半缝无论横 向( 垂直 渠道轴线方向) 还是纵向( 沿渠道轴线方 向) ， 均交错布置， 半 缝采用 7 5 ％板厚 ， 施工质量控制难度较大。 1 ． 2 优化设计思路及计算参数 对齿墙结构型式及混凝土板分缝进行计算分析， 以达到最 优设计效果。在计算分析时， 尽可能简化模型受力情况， 实现 对模型进行量化对比分析。主要考虑以下情况： ①分析不同型 式的齿墙对应力分布的影响， 以选择更合理的齿墙型式。仅考 虑施工期衬砌 自重作用， 不考虑缝的影响， 认为衬砌板是连续 体。②研究不同分缝位置及型式下衬砌应力分布情况， 选择合 理的分缝形式， 包括分缝位置和深度。 嗷 稿 日期 ： 2 0 1 0 —1 0 - 2 5 作者简介： 邵岩( 1 9 8 O ～) ， 男， 河南郑州人， 工程师， 硕士， 主要从事水利水电工 程设计 工作 E— ma i l ： s h a o y a n 5 5 @ 1 6 3 ． C O D 3 81 人 民 黄 河2 0 1 1年第 l 0期 施工期对顺坡向衬砌进行温升2 0℃和温降 2 O℃计算， 以 确定合适的分缝形式。运行期考虑荷载为混凝土板自重 +水 重， 复核分缝形式的影响。采用 Mi d a s有限元软件， 边坡混凝 土衬砌板及下部土体整体建模 ， 进行二维模型计算 ， 单元均采 用平面应变单元。 为水平向， z 为竖直向。 该工程计算参数采用 已有的试验值， 或其他工程类 比结 果 ， 见表 1 。 表 1 计算 参数 ( c ) 齿 墙型式3 ( 1 ： 1 ) ( d ) 齿墙型 式4 ( 1 ：2 2 5 ) 图 1 不同齿墙型式典型横 剖面 计算结果表明， 齿墙型式 2和齿墙型式 3对坡脚的应力改 善情况较好 ， 在齿墙坡脚上部和下部均不存在较大拉应力。从 减少工程量考虑 ， 推荐外坡 为 1 ： 0 ． 5的齿墙型式 2 作为优化 方 案 3 分缝形式优化 3 ． 1 通缝半缝方案选择 对两种分缝形式进行温度作用下的分析， 一种采用原设计 分缝的布置形式 条纵缝距离齿墙4 m， 每4 n 一缝， 全缝 、 8 2 半缝交替布置 ； 另一种分缝距离不变， 全部采用半缝布置。 分析通缝和半缝交替布置升温2 O℃ 、 降温 2 0℃条件下衬 砌板应力分布状况。结果表 明， 温升 2 0℃时， 无论是通缝、 半 缝交替布置， 还是全部为半缝布置， 其齿墙处应力分布完全一 致， 较为均匀， 基本为拉应力， 其值为 8 0 0～1 4 0 0 k P a 。在分缝 处衬砌板鼓起 ， 分缝处上部为压应力， 下部为拉应力， 应力分布 基本一致 ， 其值略有变化。通缝、 半缝交替布置， 半缝处上部最 大压应力为 3 8 6 2 k P a ， 下部最大拉应力为3 6 9 9 k P a ； 全部为半 缝布置情况下， 半缝处上部最大压应力为 3 9 6 8 k P a ， 下部最大 拉应力为 3 6 5 1 k P a 。无论通缝、 半缝交替布置， 还是全半缝布 置， 分缝处拉应力均较大， 因此会造成开裂。 在温降 2 0℃情况下， 无论是通缝、 半缝交替布置， 还是全 部为半缝布置， 齿墙处应力分布完全一致， 较为均匀， 基本为压 应力 ， 其值为 8 0 0～1 4 0 0 k P a 。在分缝处衬砌板下陷， 分缝处上 部为拉应力 ， 下部为压应力， 应力分布基本一致， 其值略有变 化。通缝 、 半缝交替布置， 半缝处上部最大拉应力为 3 8 6 2 k P a ， 下部最大压应力为3 6 9 9 k P a ； 全部为半缝布置情况下， 半缝处 上部最大拉应力为 3 7 0 2 k P a ， 下部最大压应力为 3 4 7 4 k P a 。 无论通缝 、 半缝交替布置， 还是全半缝布置， 分缝处拉应力均较 大， 因此可能造成开裂。 无论温升2 0℃， 还是温降 2 0℃， 由于分半缝处其衬砌板 连接面积较大， 因此半缝处应力状况 比通缝处更好。整体来 看， 全半缝布置形式与通缝、 半缝交替布置形式相比， 相应位置 拉应力较小， 而压应力相差也不大 ， 因此全半缝受力吏好。 综上所述， 对于衬砌纵缝而言， 半缝布置形式在受力上要 好于通缝布置形式， 故推荐全部采取半缝布置形式。 3 ． 2 分缝位置的选择 推荐齿墙型式下 ， 对全半缝( 缝深 7 5 ％) 的纵缝形式进行 不同分缝位置的合理性分析。第一条纵缝距离齿墙分别取 4 、 1 、 0 ． 5 m， 其余分缝仍采用每 4 m一缝。计算结果表明， 温升 2 0 ℃情况下， 半缝距离齿墙的位置对齿墙以及分缝处的应力分布 影响不大， 第一条纵缝距离齿墙 1 m和 0 ． 5 m时， 最大拉应力 分别为3 6 2 2 k P a 和 3 6 2 9 k P a ， 相差很小； 降温 2 0℃时， 计算结 果与升温2 0℃时类似， 即在其他分缝布置一致的前提下， 坡脚 处设置分缝为0 ． 5～ 1 ． 0 I n时对坡脚齿墙和衬砌板的应力变化 无较大影响。但是考虑到施工期衬砌在 自重情况下易在靠近 齿墙处产生反弯拱起现象， 因此第一条缝宜尽量靠近反弯处。 根据南水北调已建工程其他段在0 ． 3～1 ． 5 m处出现裂缝的实 际情况， 在坡脚上部 0 ． 5 m处设第一条分缝 比较合适。 3 ． 3 分缝深度的选择 为了确定半缝的合理深度， 对施工期和运行期的衬砌厚度 5 0 ％缝深和 7 5 ％缝深进行计算分析。施工期计算结果表明， 5 0 ％缝深和 7 5 ％缝深在分缝处的应力分布类似， 最大压应力和 最大拉应力相差不大 ， 且都不会造成混凝土开裂。在渠道内有 水的运行工况下 ， 5 0 ％缝深和7 5 ％缝深在半缝处都有极大的拉 应力 ， 拉应力大小与缝深有关 ， 但两种缝深在运行期分缝处都 会拉断。因此 ， 应尽可能减小分缝处及周边的应力， 且拉断后 仍应保证上下两端衬砌互相抵触， 不发生相对滑移。比较 而 言， 5 0 ％缝深时， 分缝处应力较小 ， ( 下转第 8 5页) 人 民 黄 河2 0 1 1 年第 1 0期 独立坐标系， 且没有任何参数说明， 因此不能通过常规平差来 求解控制点坐标 ， 只能采用点校正的方式进行平差， 即通过七 参数求解过程解算各控制点地方坐标。 把 N G 0 7、 N G 0 8 、 N G 0 9 、 N G 1 0四点作为约束点的点校正数 据与第一次设计数据比较见表 1 。由表 1可知 ， 参与计算的点 转换后的值与原值仍有一定的差值 ， 但差值 比较小， 这说 明七 参数坐标转换效果较好， 能够用于校正计算。但 N G 5 B、 N G 6 B 的计算坐标值与原坐标值差值较大 ， 这与七参数转换模型冲 突， 因此 N G 5 B、 N C ,6 B坐标的准确性较低。点校正数据与第二 次设计数据比较见表 2 。由表 2可知， 各点的坐标差值很小， 这 表明此次坐标数据的准确性很高 ， 同时也表明双频 R 8 G N S S在 静态定位中取得了良好的效果。 但需要说明的是 ， 双频静态虽然能够很好地定位平面坐 标， 但却只能从一定层面上反映高程值范围， 而不能精确计算。 因此， 高程值必须通过传统的精度较高的水准测量获取。 表 1 点校正数据与第一次设计数据 比较 4 结语 通过实例验证可知 ， 采用七参数转换方法可以很好地完成 不同坐标系之间的转换， 随着双频逐步取代单频， 接收机接收 数据的稳定性、 可靠性越来越好， 二者的有机结合， 使静态定位 的精度越来越高。同时， 坐标转换的精度除取决于坐标转换数 学模型和为求解转换参数而用到的公共点坐标精度外 ， 还与公 共点的几何图形结构有关 因此 ， 在具体应用时除保证有足够 的、 高精度的已知点外， 还要考虑 已知控制点所构成的几何 图 形 ， 同时还应注意起算点的匹配问题。可以从以下三方面进行 优化 ： ①与更高级的控制点联测， 以保证约束点的精度 ； ②选择 效果好的观测段观测 ， 降低干扰； ③依据实际情况， 进行网形优 ( 上接第8 2页) 若混凝土板在该处拉断， 则其接触面也较大 ， 因 此将半缝深度确定为5 0 ％是合适的。 4 结语 不同齿墙断面形式对局部应力分布有较大影响， 采用外坡 为 1 ： 0 ． 5的齿墙型式能显著改善坡脚应力集中现象； 推荐在距 离齿墙O ． 5 m处设置第一条纵缝 ， 以降低齿墙处的反弯拱起现 化设计。 参考文献 ： [ 1 ] 邱健状， 潘鹏． G P S经典相对静态定位已知数据利用研究[ J ] ． 山东农业大 学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 ) ： 7 0 — 7 4 ． [ 2 ] 唐玉娟， 史珂． WG S一 8 4坐标与地方坐标独立坐标的转换[ J ] ． 城市勘测， 2 01 0( 1 )： 1— 2． [ 3 ] 徐绍铨， 张华海， 杨志强， 等． G P S测量原理及应用[ M] ． 武汉： 武汉测绘科 学大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 刘基余， 李征航， 王跃虎， 等． 全球定位系统原理及其应用[ M] ， 北京： 测绘 出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 责任编辑张华岩】 象； 半缝切割程度显著影响半缝及周边的应力分布， 半缝深度 为衬砌厚度的5 0 ％时， 既能显著减小切口处的应力， 又能在分 缝开裂时保持上下衬砌段接触紧密。 目前， 现场已完成了试验 段的施工 ， 从现场施工效果看 ， 原来容易出现裂缝的渠道坡脚 上部 0 ． 5—1 ． 5 m未出现裂缝 ， 分析结果的正确性在施工期得 到 了验证 。 【 责任编辑吕艳梅】 8 5