高填方渠段沉降变形对衬砌结构影响的分析
冷星火，王磊 陈烈奔
（长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010）
作者简介：冷星火 （1971-），江西修水人，高级工程师，主要从事水利水电工程建筑、水力学方面的研究工作。
摘要：南水北调中线工程由于施工现状条件、工程总体进度要求等各种原因，部分渠段难以保证填方渠道不少于6个月的预沉降时间要求，本文结合南水北调中线工程高填方典型渠段的实际情况，对填方渠段工后沉降变形对衬砌面板的受力分布、挠曲变形等进行了详细的分析研究，并根据计算研究成果提出高填方渠道工后沉降变形控制建议措施，为渠道安全运行提供技术参考。
关键词：南水北调 高填方 衬砌面板 沉降变形 控制措施
1 前言
南水北调中线工程是缓解北方地区水资源危机的特大型跨流域调水工程，该工程线路长1432km，其中填方高度不小于6m的渠段共长约137.1km，最大填高达到22m。中线工程总干渠渠道过水断面采用混凝土进行衬砌，在高填方渠段，如产生过大的沉降变形，易导致衬砌面板出现较大的挠度、结构内力及周边缝错动，甚至局部脱空后的整体滑动，造成面板结构的破坏，影响渠道工程的运营安全。为减小衬砌面板变形和开裂等不良现象，对填方渠段在渠道衬砌施工前需要一定的预沉降期，根据《南水北调中线干线工程渠道混凝土衬砌施工操作指南（试行）》规定，对于高填筑渠段，其沉降期应满足设计要求，设计无规定时一般不少于6个月。按照南水北调中线总干渠施工总体进度要求和渠道工程施工现状条件，部分渠段难以保证填方渠道不少于6个月的预沉降时间要求。
为了在不降低工程质量的前提下完成工程建设总体目标，本文结合典型高填方渠段分析研究高填方渠道的工后沉降对面板变形及结构内力的影响因素，根据研究成果提出工后变形控制建议措施，为渠道安全运行提供技术参考。
2 典型渠段
在总干渠南阳段选择一典型填方渠段，此渠段填高11，地基分层土物理力学性质统计表见表1。堤身采用黏土分层填筑，分层厚度0.25～0.3m，压实度不小于0.98，堤身填土的物理力学性质见表2。堤身分析模型示意图如图1所示。
表1 地基分层土物理力学性质统计表
表2 堤身填土层物理力学性质统计表
图1 分析模型示意图
3 衬砌面板的变形及结构应力分布特征
3.1 面板的挠曲变形特征
（1）挠度和转角。衬砌面板的受力变形直接受制于高填方渠道坡面的变形，在工后沉降过程中，面板会发生挠曲变形，面板的挠曲变形主要体现为挠度和转角的变化，如图2所示。
图2 挠度和转角的示意图（挠度：mm，角度：rad）
（2）蓄水前、后面板的挠度转角。经过对典型渠段采用有限元方法进行计算，蓄水前后面板发生的挠度、转角对比见表3、表4。
表3 蓄水前后面板的挠度对比表
表4 蓄水前后面板的转角对比表
图3 蓄水前面板的挠曲变形分布图
由表3、表4可知，蓄水后面板的挠度、转角比蓄水前要小很多，且蓄水后的挠曲变形分布比蓄水前更加均匀，这是因为水荷载使高填方渠道坡面发生顺着面板向上的移动，面板与坡面的相对滑动在蓄水后逐渐地减小，这使得面板与坡面接触紧密，受力分布均匀，整个面板在蓄水后的挠曲变形分布均匀，因此在实际工程待高填方沉降变形稳定后应尽早蓄水，减少长时间不蓄水下的过大的工后沉降对面板产生的不利影响。
3.2 面板的结构内力分布
由于混凝土面板和高填方渠道填料存在较大的刚度差异，渠道填筑坡体的工后沉降除引起面板的挠曲变形外，还会引起面板和坡面之间出现相对位移，从而会导致在界面产生拉应力、剪应力和挤压应力，经过对典型渠段采用有限元方法进行计算，面板不同高度的拉、压及剪应力分布如图4、图5所示。
图4 面板不同高度截面上的拉、压应力图
图5 面板不同高度截面上的剪应力图
由图3可知，1/2和1/3坡高点间的面板向上挠曲变形，截面上部应产生拉应力，但由于摩擦力带来的较大压应力作用，使得截面的上部也表现为受压状态；由于1/2坡面高至坡面顶点间的面板产生向下的挠曲变形，所以这部分面板截面下端产生了拉应力，截面上端产生压应力。
由图3、图4可知，截面上端产生压应力最大拉应力点至1/2坡高点间截面下端的应力状态，从拉应力转为了压应力，反映出该区域面板中的应力分布受切向摩擦力的影响在逐渐增大，受挠曲变形的影响在逐渐减小，说明了面板中应力主要受挠曲变形与切向摩擦力的交替控制，而该区域正是面板挠曲方向发生转变的部位，因此截面上所承受的剪应力最大，一般普通混凝土面板材料的抗压强度和抗剪切强度设计值都比较大，而相应的抗拉强度设计值较小；且面板上部产生了较大挠曲变形，这将导致该部分面板中产生较大拉应力，很有可能率先发生受拉破坏；因此可在此部位加设分缝或在混凝土材料中掺入纤维增加抗拉强度。
4 底板的变形与结构内力分布
高填方渠道铺设底板以后，随着渠道工后沉降的增加，由于受到下方土体的抵抗，底板的沉降比面板小；整个底板上，脚点处的沉降将比底板中心处大，两点之间的沉降差虽然在增加，但量级较小，如图6、表5所示；从图6可见，整个底板呈上部受拉，下部受压；当面板发生破坏时，底板中心截面的拉压应力图如7所示。
图6 底板与面板的沉降变形图
表5 不同工后沉降下底板中心点与脚点的沉降差
图7 底板中心截面上的拉压应力图
综上可知，整个底板中心处的沉降最小，脚点处最大，而两点间沉降差亦较小。整个底板表现上部受拉，下部受压，但拉、压应力远小于混凝土面板的抗拉（1.1MPa）、抗压（1.76MPa）强度设计值。因此沉降对底板的变形和结构内力影响较小。
5 工后沉降与面板变形的关系
以典型渠段为例，对高填方渠道顶部和底部中心点的工后沉降与面板挠曲变形的关系采用有限元方法进行分析，结果见表6、表7、图8、图9。
表6 不同工后沉降下面板的挠度统计表
从表6中可以看出，相同工后沉降下，面板上点的位置越高，挠度越大；随着两个关键控制点工后沉降的逐渐增加，面板上的各点的挠度在逐渐增大，且面板位置越高，挠度增加得越多。所以取面板上最大的挠度代表整个面板，研究其与关键点的工后沉降的关系，见图8。
图8 工后沉降与挠度的关系图
表7 不同工后沉降下面板的转角统计表
从表7中可以看出，相同工后沉降下，随着面板上点的位置升高，转角是先增大后减小的规律；随着两个关键控制点工后沉降的逐渐增加，面板上各点的转角也在逐渐增大，但各点的转角增加的幅度相差不大。所以取面板上最大的转角代表整个面板，研究其与关键点的工后沉降的关系，见图9。
图9 工后沉降与转角的关系图
从表6、表7、图8、图9可知，高填方渠道顶部中心点、底部中心点的工后沉降均与面板上的最大挠度、最大转角成良好的线性关系。可以根据顶部和底部中心点的工后沉降控制面板的挠曲变形程度，从而也就控制了面板上的结构内力分布。
6 高填方渠道工后变形控制措施
根据前面分析的结果可知，面板在蓄水前的挠曲变形分布和结构内力均处于不利的情况，而蓄水后面板变形和内力分布却得到了很大程度的改善；由于可以通过工后沉降控制坡面的变形情况，而面板的变形和受力是受坡面变形控制的；实际工程中面板的变形是很难监测到的，而现场监测主要是以高填方渠道顶部和底部中心点的工后沉降作为重点控制指标的；所以弄清蓄水前这两个关键点的工后沉降与面板挠曲变形的关系，便可以将较难计算的面板变形转化为这两个控制点工后沉降进行分析评价，通过一些措施控制工后变形，就可以达到控制面板变形的目的，控制措施建议如下。
（1）就渠堤沉降变形对工程影响而言，主要取决于渠道防渗、排水、衬砌面板施工完成后，堤身及地基的剩余沉降变形量；由于防渗土工膜、衬砌土工膜下排水系统均为柔性结构，适应能力较强，不起控制作用；而渠道衬砌面板能否适应剩余沉降变形是其重要考核指标，因此渠堤填筑完成后剩余变形控制标准主要考虑衬砌板适应变形能力需要，采用堤顶剩余沉降量作为判别指标相对简便。
（2）对于渠堤与建筑物接头部位，土工膜敷设时应留有一定的折叠长度。
（3）考虑到到其他方面要求，无论剩余变形计算结果如何，对填高较高渠段（一般指填高大于6m），渠道填筑施工完成与衬砌板施工期间的时间间隔不应小于20d。
（4）穿过永久缝的排水管道及其他防渗排水设施应进行柔性化处理。
（5）对于与建筑物衔接部位，当根据实际监测成果估算的衬砌施工后剩余沉降变形较大时，在接头处永久缝下敷设土工布，在土工布与衬砌板之间埋设灌浆管，进行低压灌浆，防止衬砌下方出现脱空现象，影响后期运行。
（6）对于交通缺口部位，当根据实际监测成果估算的衬砌施工后剩余沉降变形过大时，应设法提高衬砌板抗裂性能，重点防止衬砌板及分缝发生错缝变形。
参考文献
［1］ 长江勘测规划设计研究有限公司，中国水科院武汉岩士力学研究院.南水北调中线一期工程高填方渠道沉降变形特征及其对衬砌结构影响研究报告［R］.长江勘测规划设计研究有限责任公司，2013.