宋建良
南水北调中线干线工程建设管理局河北分局邢台管理处 河北邢台市054000
摘要：渠道防渗新技术已经在水利工程建设中得到了广泛的应用，渠道施工是南水北调中线工程建设过程中的重点和难点，是工程建设质量控制的关键点。文章对南水北调中线工程渠道施工技术控制进行了总结，以期对类似的引调水工程渠道防渗工作提供借鉴。
关键词：膨胀土渠道;超大型渡槽;关键技术;渠道工程;南水北调中线工程
1膨胀土渠道设计与施工
1.1膨胀土大气影响分带、裂隙连通性下的抗剪强度取值研究
通过大量现场和室内试验研究工作，根据膨胀土分带特性、裂隙连通性构建了膨胀土的抗剪强度取值模型，考虑分带、裂隙长度、密度及其联通性的膨胀土综合抗剪强度取值公式为
式中，Cqs，Cqc，Cql分别为滑动面、不同分带区域土块黏结强度、裂隙面的黏结强度；?qs，?qc，?ql分别为滑动面、不同分带区域土块内摩擦角、裂隙面的摩擦角；A、B分别为膨胀土土块、裂隙面的权重系数，A=U/（1+U)，B=1/（1+U)，U由下式确定：
式中，N1为每平方米土体中长大裂隙（裂隙长度大于2m，按2～7m考虑）条数统计值；Ns为每平方米土体中大裂隙（裂隙长度0.5～2m）条数统计值；Nn为每平方米土体中小裂隙（裂隙长度0.05～0.5m）条数统计值。
1.2随机分布长大裂隙渠道边坡稳定计算与评价方法
针对膨胀土地层中长度大于7m的原生裂隙面分布、裂隙面的产状等难以查明的特性，构建了最不利滑动面网格搜索模型，提出了随机分布原生裂隙控制的渠道边坡稳定计算方法与评价方法，为渠道边坡稳定性评价和加固工程措施设计提供了依据。具体计算时，根据现场施工地质勘察确认的原生裂隙分组产状划分网格，按网格节点控制的组合滑动面进行最不利组合搜索；在分析组合滑动面控制的坡体稳定时，可以加入部分裂隙因膨胀变形或卸荷作用而张开后在大气降水或渗水时裂隙充水形成的静水压力。当构成滑动面的裂隙为N组时，构成组合滑动面为N-1个。通常膨胀土原生裂隙构成的滑动面控制节点为1～2个。
1.3膨胀土保护层的厚度和范围研究
依据大气作用对水泥改性土、低膨胀性土影响特征研究成果，基于坡体膨胀土的有荷膨胀率及膨胀土在保护层作用下含水量变化控制要求，首次提出了保护层下方膨胀土压应力与有荷膨胀率关系：
式中，σ为与换填层厚度对应的上覆荷载，kPa；δep为膨胀土有荷膨胀率，%；a，b为试验参数。
1.4渠道边坡M型支护新结构
针对深挖方渠段长大裂隙控制边坡加固问题，结合渠道断面特征，提出了M型膨胀土边坡加固新型结构，系统提出了结构计算基本模型、计算公式、安全控制标准等设计理论与方法。计算假定为：抗滑桩外侧荷载由Pca确定，其中，Pc为由边坡稳定计算确定的下滑力，a为桩纵向中心间距；坡面梁、抗滑桩滑动面以上桩体内侧和滑动面以下桩体两侧与土体间相互作用力根据位移量按基床系数法确定。采用结构有限元计算M型支护体系的变形和桩土之间的相互作用力。其中，滑动面以上桩前土抗力为：
滑动面以上桩前土抗力还应满足坡面梁下方土体刚体极限平衡条件：
计算步骤如下：（1)取δp初值为0;（2)由式（6）计算Pk2，假定Pk初始为三角形分布，作用于抗滑桩内侧；（3)采用结构有限元进行M支护体系结构计算，求得δp和δl;（4)分别按式（6）、式（5）求得Pk2和Pk1，若Pk2≈Pk1则按结构内力进行截面和配筋设计，否则回到步骤（2)。
1.5填方渠道剩余沉降控制标准和动态预测方法
针对高填方渠道工期紧、沉降期不足的难题，开展了堤身断面附加荷载分布特征研究，提出了填方渠堤预沉降期动态预测方法及步骤和剩余沉降控制标准。应用该成果可避免高填方渠道工后过大沉降导致衬砌板开裂，复合土工膜脱开以及排水设施错位等问题，保障了渠道运行安全。
2超大型渡槽设计与施工
2.1U型渡槽温度荷载加载方式研究
在湍河渡槽1∶1仿真模型试验槽上布设大量温度测点进行多工况多时段测试，结合理论分析，首次提出了适用于U型渡槽的“分区折线形”温度荷载模式，该温度荷载模式下，渡槽内外壁间的温度沿壁厚方向呈折线分布，分区综合反映了渡槽槽顶、向阳面、阴面、水上和水下等不同部位，不同条件下的温度荷载，使得温度荷载模拟更接近实际情况。
2.2U型渡槽环向筋预应力损失计算及测试方法
针对U型渡槽环向预应力钢筋提出了“单参数预应力损失”计算理论及其参数测试方法。
传统的预应力摩擦损失计算及测试公式为：
式中，σcon为预应力钢筋张拉控制应力；μ为预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数；θ为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角；κ为孔道每米长度局部偏差的摩擦系数；x为张拉端至计算截面的距离。
对于曲线预应力钢筋影响预应力损失的参数有摩擦系数μ和局部偏差的摩擦系数κ。在重要的大型工程中应根据现场实测值调整以上两个参数，现场测试一般根据多束预应力钢筋的张拉端及被拉端的钢筋拉力，进行二元线性回归进行反演推算，该方法比较繁琐，受制约因素多，测试结果不精确，甚至失真。为解决以上问题，将传统的曲线预应力钢筋摩擦损失计算公式变形调整如下：
式中，γ为曲线预应力钢筋曲率半径。
令μ+κr=μ′，则：
该理论将曲线预应力钢筋的预应力损失计算参数由传统的双参数简化为单参数，简化了预应力损失的计算，便于曲线预应力钢筋的摩阻系数现场原位测试，使得曲线预应力损失的测试和计算更具可操作性。
2.3U型渡槽预应力配筋设计及优化研究
通过精细数值仿真研究和分析比较，提出U型渡槽槽身纵向预应力钢筋以“碗底”布置为主，腰部和顶部布置为辅，“碗底”与腰部逐渐过渡的“纵向分区”布置模式；环向预应力钢筋圆心略低于槽身内壁圆心，形成槽身上部直段环向预应力筋靠近外壁，槽身下部圆弧段预应力钢筋与内壁面距离由腰部向底部渐变加大的“环向非同心”布置模式。在该布置模式下，可通过调整纵向分区锚索数量和环向非同心度，达到槽身结构应力条件最优的目的。
2.4超大型梁板一体箱型渡槽经济槽跨优化研究
超大型梁板一体箱型渡槽的经济槽跨与断面和下部结构有着密切关系，在多座超大型梁板一体宽浅箱型渡槽原型设计的基础上，基于充分发挥材料性能，并考虑渡槽结构构造要求，引入各组成部分价格参数，建立了主体工程费用与渡槽断面、跨度、材料性能、材料价格等多参数方程：
式中，G为渡槽段工程费用；G0为与跨度无关的费用；A、S分别为渡槽的截面面积和跨度；q为自重及水荷载；Rg为钢绞线的价格参数；fg为钢绞线的强度。通过极值求解快速获得渡槽经济跨度，为超大型梁板一体宽浅箱型渡槽经济槽跨优选提供了一种新的便捷设计方法。
2.5分体式扶壁梯形渡槽结构设计研究
该型式渡槽预应力承重构件（平板支撑结构）和钢筋混凝土挡水构件（扶壁式挡水结构）既相互独立又协同承载，结构受力合理，分别满足预应力结构设计控制标准和普通钢筋混凝土结构设计控制标准，可充分发挥材料性能。
建立了预应力承重构件与钢筋混凝土挡水构件“既相互独立又协同承载”的计算模型，即承重构件（平板支撑结构）主要承担自重、挡水构件重量及水重，按预应力结构要求计算，挡水构件（扶壁式挡水结构）主要承担水平水压力，按钢筋混凝土结构要求计算，承重构件与挡水构件通过接触传力。
在挡水构件上设置渗控体系，降低扬压力，按建在混凝土基面上的挡墙进行稳定应力分析。同时，考虑承重构件和挡水构件的接触关系，建立三维有限元模型进行仿真分析并优化调整，最终确定渡槽结构及其布置。
对于斜交渡槽，通过理论研究求得渡槽在平面上的不平衡力偶大小为：
式中，M为不平衡力偶；d为渡槽底宽；L为渡槽长度；h为渡槽内水深；α为渡槽轴线与水平线夹角；β为扶壁式挡水结构坡面角。
针对平面上存在水平不平衡力偶的斜交渡槽开展技术攻关，提出合理选用支座、设置抗扭转挡块和整体考虑下部结构等综合处理技术。
2.6超大型渡槽设计施工技术规定
（1）正截面抗裂验算按不出现裂缝的构件进行控制，要求任何工况槽身内壁不允许出现拉应力，槽身结构外壁表面拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度设计值的0.9倍。（2）斜截面抗裂验算按不出现裂缝的构件进行控制，混凝土主拉应力和主压应力应符合规定。（3）槽身挠度要求：f≤L/600，L为槽身跨度。分体式扶壁梯形渡槽槽身结构设计需满足稳定、承载力（强度）、正常使用（变形，裂缝控制）等要求，渡槽槽身挡水结构为普通钢筋混凝土结构，按照抗裂要求进行设计；槽身平板支撑结构按照全预应力结构设计。另外，槽身挡水结构稳定计算控制标准参考SL265《水闸设计规范》进行，稳定控制标准参照岩基上的结构取值。
3结语
南水北调中线渠道工程关键技术的研发，解决了渠道工程设计技术难题，缩短了关键工期，保证了工程顺利建设和按期通水，取得了显著的经济、社会和生态效益。
参考文献
[1]何新，张晓东，牛朝锋.南水北调中线工程渠道防渗工程质量控制[J].河南水利与南水北调，2016，（06)：19-20.
[2]刘颖倩.南水北调工程渠道防渗施工工艺探究[J].北京农业，2014，（30)：286.