大流量预应力渡槽设计和施工技术研究

∗基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”资助（2006BAB04A05）。※☆※4CCD751476374D158877727B10A54874※☆※

夏富洲

武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072

王长德

武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072

曹为民

南水北调中线干线工程建设管理局,北京 100038

姚雄

南水北调中线干线工程建设管理局,北京 100038

1 引言

南水北调中线总干渠自流输水，沿线规划有几十座大型渡槽，设计流量都在200m³/s以上，由于中线水头紧张，槽底比降很小，因此，渡槽体形巨大，渡槽规模之大在世界上也是少有的［1］。由于渡槽槽身荷载及尺寸巨大，在设计和施工中遇到了前所未有的困难，需要在新型结构型式及设计理论、建筑材料、动力分析、施工技术与质量控制，以及安全保障等方面开展深入的研究，为设计、施工提供理论技术方法，保证设计、施工质量和工程技术经济合理。

以南水北调中线干线大型渡槽工程为背景，根据目前大型渡槽设计和施工中急需解决的问题，开展理论和试验研究工作，并结合典型工程示范研究分析，对当前设计、施工中提出的理论及技术问题给出科学、经济、合理的解决方法。

1.1 研究内容

（1）大流量预应力渡槽温度边界条件、温度荷载作用机理及其对结构的影响研究。

（2）高承载、大跨度渡槽上部结构新型式及优化设计研究。

（3）大流量预应力渡槽下部结构型式及优化设计研究。

（4）大流量预应力渡槽新材料，止水、支座等新结构研究。

（5）渡槽抗震性能及减震措施研究。

（6）渡槽施工技术及施工工艺，施工质量控制指标及控制方法研究。

（7）裂缝预防及补救措施，以及与此相关的新型涂料开发。

（8）大流量预应力渡槽的耐久性及可靠性研究。

1.2 研究总目标

（1）提出渡槽温度边界条件及温度应力的计算方法、渡槽施工期的有效温控措施；提出能比较充分利用材料潜力，充分利用结构自身跨越能力，自重小、承载能力大的新型渡槽结构型式及设计计算方法。配制出高抗裂低渗透的高性能混凝土；设计研究一种新型渡槽伸缩缝止水结构与材料；提出具高承载力减震支座的结构型式。

（2）获得渡槽结构的动力特性，渡槽结构——槽内水体流固耦合作用下结构的动力特性和规律，渡槽桩基础土动力相互作用下结构的动力特性和规律；确定最佳的渡槽上部结构减振方案，提出渡槽桩基的有效抗震措施；提出软岩地基条件下大型渡槽基础的合理型式及计算方法。

（3）针对可能出现的不同施工条件，开展现场浇筑施工工艺和装配式施工工艺研究，提出合理的施工技术方案及渡槽混凝土结构施工方法的“标准化”或“导则”性研究成果；在建筑材料强度、施工及温度控制、混凝土养护、预应力钢筋的张拉等方面提出合理的质量控制指标及控制方法。

（4）分析裂缝的类型、产生原因及形成机理，对混凝土结构的开裂风险进行评估，建立简单直观的开裂风险评估体系。基于风险评估，从材料、施工、设计、管理等方面系统地提出综合治理混凝土结构温度和收缩裂缝的控制成套技术，并对混凝土材料组成和结构形式进行优化，制定渡槽混凝土结构裂缝控制成套技术方案。

（5）通过对预应力混凝土渡槽结构耐久性的理论和试验研究，提出不同环境条件下渡槽结构设计的耐久性指标，研制出耐久性好的高性能混凝土，提出提高渡槽结构耐久性的工程措施和施工工艺。提出基于可靠度理论的渡槽时变可靠性分析方法，提出灌注桩无损检测可靠性分析方法，建立含有缺陷的灌注桩可靠度分析模型。

（6）研究大型预应力渡槽可能的破坏模式及破坏机理，并针对不同的可能破坏模式提出合理有效的预防及补救措施。

2 研究工作及研究成果

2.1 大流量预应力渡槽温度边界条件、温度荷载作用机理及其对结构的影响研究［2-3］

置于自然环境中的渡槽结构，其结构温度主要受持续变化的气温、太阳辐射及槽内水温等多种因素的影响。运用热力学理论，分析并给出了渡槽温度场有限元计算中温度边界的确定及计算方法，包括气温、槽内水温、太阳辐射、大气对流及自身热辐射等主要影响因素。槽内水温对渡槽的温度场影响较大，由于槽内是流动的水，因此其水温的确定较为困难。通过建立采用含相变的一维非恒定水-冰混合流动扩散模型来计算总干渠全线的水温，由此确定不同区域不同季节时的槽内水温。计算中考虑了总干渠沿线气温、太阳辐射、水面蒸发、总干渠进水口水温及引水流量等多种因素的影响。

采用三维瞬态温度场有限元计算方法对大流量预应力渡槽温度场进行了分析计算，并进行了室内、室外渡槽温度模型试验研究，对理论分析计算进行了验证。

分析了不同型式的大型预应力渡槽运行期温度荷载的特点，研究认为温度荷载是影响大型渡槽结构安全的重要荷载，具有非线性特点，采用瞬态的分析计算方法进行了渡槽三维温度应力有限元的计算。

通过温度场的计算可知，初始温度场对运行后期的温度场影响较小，运行期与施工期的温度应力可分开研究，施工期的温度应力可以通过合理的温度控制措施减少其不利影响。根据温度应力的计算，运行期的温度应力可以通过合理的预应力钢筋的布置及表面保温措施，减少其对结构的不利影响。

2.2 高承载、大跨度渡槽上部结构新型式及优化设计研究［4］

南水北调中线渡槽输水流量大，槽身体形大，所承受的荷载也很大，尤其在使用阶段应保证结构不漏水。因此，要求结构变形小，水密性要求好。若采用普通钢筋混凝土渡槽很难满足上述使用要求。因此，有必要在渡槽设计中应用预应力结构方案。

针对南水北调中线渡槽的基本特点，经过多种结构型式的分析比较，根据可靠、经济、适用等原则，选定渡槽为纵向支承结构与横向挡水结构相结合的预应力结构体系。比较不同类型的预应力混凝土性能特点，建议南水北调中线大型渡槽采用混合配筋（即配置一定比例的非预应力钢筋）的有黏结部分预应力混凝土结构。对渡槽的相对次要部分，如U型渡槽的横向预应力和矩形渡槽的底板预应力，可有条件地采用无黏结预应力混凝土。为了改善无黏结预应力混凝土构件的受力性能，应在构件中适当配置非预应力钢筋，从而形成混合配筋构件（即无黏结部分预应力混凝土构件）。

槽身横断面形式可采用带拉杆的U型和矩形。在优选渡槽槽宽的基础上，进行矩形断面和U型断面型式比较，结合水力优化进行多槽并联或多厢梁式结构研究。U型槽身结构以采用多槽并联为宜，矩形槽身结构以采用多厢梁式为宜，槽（厢）数2～4个较合适。U型槽身采用变圆心、变半径的变厚度结构形式可改善槽身结构应力。通过对典型工程湍河渡槽和沙河渡槽实例有限元分析结果的比较，就矩形和U型两种方案比较而言，矩形方案应力分布较复杂，即使施加预应力，也难以避免地在个别地方出现拉应力。U型方案相对来说，应力分布均匀，在施加预应力后，可以很好地控制使其主体部分受水面完全不出现拉应力。选择槽身结构形式应综合考虑结构、施工及场地条件等因素确定。

渡槽纵向支承结构型式主要进行梁式和拱式（肋拱）两种型式的比选，渡槽规模是影响纵向支承结构型式选择的主要因素。当渡槽流量为100m³/s及以上时，若采用拱式支承结构型式将大大增加下部结构、基础以及地基处理的工程量，因此以采用梁式支承结构型式为好。当渡槽流量在100m³/s以下时，可根据地基的地质条件比选纵向支承结构型式：当地基的地质条件一般或较差时，采用梁式支承结构型式，以减小地基承受的荷载；当地基的地质条件较好，具备承受拱式渡槽支座的作用荷载时，可考虑采用拱式支承结构型式。南水北调工程渡槽荷载很大，应采用梁式支承结构型式。

梁式简支渡槽结构型式及预应力束布置简单，能适应较大的地基不均匀沉陷，因此南水北调中线渡槽纵向可采用结构简单、受力明确的简支形式。渡槽荷载很大，受地基承载力和槽身跨越能力的限制，槽身跨度不宜太大，但也不宜太小。跨度太小，河道中墩架林立、下部结构造价增大，河道的断面减少过多，河床冲刷加剧，上、下游河势变化及影响范围增大，导致工程的费用亦随之增加；跨度过大，槽身及支承结构强度、刚度、抗裂、变形等要求难以满足、或造价过高，亦不经济。通过对典型渡槽工程的计算比较，在配筋合理的情况下，简支渡槽具有50m的跨越能力，从地基基础方面考虑渡槽跨度不宜太大。因此，渡槽跨度取30～50m较为合适。

对中小型工程中的单槽单跨结构，一般是近似地将它简化为纵向与横向两个平面问题来进行分析。对于南水北调工程大型渡槽，结构的三维受力效应明显，用这种简化处理方式来分析，必将带来较大的误差。在设计研究中，宜采用按平面问题与空间问题相结合的分析方法，以便做到相互补充与验证，为正确判断结构的实际受力状态提供合理依据。

和所有工程结构一样，大型预应力混凝土渡槽的可能破坏模式来自于荷载方面和结构自身。当作用在渡槽上的荷载超过结构设计所考虑的最不利荷载时，梁式渡槽的控制截面可能会发生正截面破坏和斜截面破坏。

作用在渡槽上的荷载主要是槽内水体重量，当设计时将满槽水深作为一个特殊工况加以考虑后，由荷载引起的破坏基本可以避免。与设计水深相比，满槽水深作用的时间较短，该工况的安全系数（或荷载分项系数）可适当降低。

温度变化也会在渡槽中产生一定的内（应）力，结构设计时采用合理温度工况和正确的计算参数，也是避免荷载引起破坏的措施之一。

对大型预应力混凝土渡槽，结构失效主要来自预应力体系，包括锚具失效、预应力束断裂、预应力损失、孔道灌浆失效等。

2.3 大流量预应力渡槽下部结构型式及优化设计研究［5-6］

在软岩嵌岩桩承载力的设计计算方法方面，通过软岩嵌岩桩荷载传递机理研究，在全面分析现行桩基设计规范基础上，推荐了大型渡槽桩基承载力的设计计算方法；提出按扩孔理论确定软岩嵌岩桩承载力的方法，进行了计算结果与实测结果的对比分析，计算了洺河渡槽嵌岩桩竖向承载力；提出了确定大型渡槽软岩嵌岩桩超大承载力的静载试验方法，推荐采用缩尺真型试桩方案，进行实际工程的试桩方案设计。

在不等高基岩面软岩嵌岩桩群承载力的计算方法及优化方面，提出了不等高基岩面上长短桩方案、等长桩方案+后灌浆两种方案及桩基优化方案；结合工程实例，进行了超大承载力群桩-土-承台三者的工作性状有限元计算，提出了桩基承载力不足及不均匀沉降的对策，进行了长短组合桩方案中短桩对相邻较长桩的影响、群桩效应与桩间距等研究；研究后灌浆提高软岩桩承载力的机理，提出了后压浆的施工工艺与要求、灌浆压力、灌浆量和浆液配比等关键技术与参数，推荐了后灌浆钻孔桩极限承载力的计算方法。

分析了大型渡槽槽墩及基础的破坏机理和破坏形式，以及典型震害，进行了防止破坏的对策研究，针对不同的破坏形式提出了预防和补救措施。

2.4 大流量预应力渡槽新材料,止水、支座等新结构研究［7-9］

针对渡槽结构对混凝土材料的要求开展高强度、抗渗、抗冻、抗裂和耐久性等高性能的混凝土配比试验研究，提出满足施工要求、具有高耐久性的高性能混凝土配比。

南水北调工程跨越南、北方广大地区，环境条件变异性大，对混凝土结构将产生不同的影响。为保证混凝土对不同的环境条件有较好的适应性，特采用不同地区原材料进行混凝土配合比设计和混合料制备试验，并开展了特殊性能试验，包括大流量渡槽混凝土配合比设计、混凝土混合料性能试验、混凝土结构表面温度相容性试验研究三个部分，并对高性能混凝土的高性能形成亚、微机理进行了研究。

结合对大型渡槽伸缩缝止水失效原因分析和市场上止水材料的种类和性能的调查，指出止水材料耐候性、耐久性差是造成渡槽伸缩缝止水失效的一个重要原因。针对大型渡槽伸缩缝的特点，选用耐候、耐老化性优良的硅橡胶作为大型渡槽伸缩缝止水材料。从原材料、制备工艺、材料配方进行了优选，制备出了能满足大型渡槽伸缩缝止水基本性能要求的硅橡胶止水材料。对所制备的渡槽伸缩缝止水硅橡胶的自身材料性能进行了常规物理性能测试（密度、硬度、表干时间、抗渗性、高低温稳定性），并着重对力学性能（拉伸强度、断裂伸长率等）进行表征，得出各因素对硅橡胶性能的影响规律。对硅橡胶自身进行拉伸疲劳性能测试，并通过微观表征方法表征其拉伸后的疲劳破坏情况。

通过制备硅橡胶黏结水泥块试样，对所制备硅橡胶进行应用情况研究。对所制备的黏结试样进行耐化学腐蚀性（酸性、碱性、Ca²⁺溶液）测试和耐久性（冻融循环、高低温稳定性）研究来表征其稳定性；通过模拟渡槽伸缩缝温缩导致的伸缩变形，对硅橡胶黏结水泥混凝土试样进行拉伸-压缩黏结疲劳及热压冷拉测试，从而进一步来表征其性能；通过对黏结界面的研究，表征硅橡胶与水泥块的相互作用情况。

从材料性能、施工工艺、环保性等角度考虑，所制备的渡槽伸缩缝止水用硅橡胶为具有一定自流平性、触变性和自黏结性的止水材料，它属于一种柔性嵌缝密封材料。另外，通过与渡槽常用止水材料聚硫密封胶的签黏结疲劳性能对比，得出：硅橡胶比聚硫密封胶具有更好的黏结疲劳特性和耐候、耐老化性，能很好地取代聚硫密封胶的密封止水作用。大型渡槽伸缩缝的主要止水结构型式可选用压板式新型复合止水结构型式。

通过试验研究，得出了安装减震支座后渡槽隔震体系的结构动力特性，并对大流量预应力渡槽支座的选型进行了研究，推荐采用减震球形钢支座。该支座中的受力部件均采用钢材，可保证100年以上无老化问题，减震支座可万向承载，即可承受压力、上拔力、任意方向的剪力，承载力的大小可根据要求设计，地震时，减震支座可使地震力峰值大大减小，特别适合于地震高裂度区。该支座已在大跨度空间结构、大跨度桥梁、大型水工结构等方面成功应用。

2.5 渡槽抗震性能及减震措施研究［10-11］

大型渡槽结构的地震响应是非常复杂的问题，采用拟静力方法计算可能低估了结构的地震响应，在进行大型渡槽结构抗震分析计算时应该采用振型分解反应谱方法和时程分析方法，不宜采用拟静力法进行渡槽结构抗震计算分析。

在进行渡槽结构抗震分析时宜考虑水体与槽体的耦合作用，可采用Housner附加质量法，该法相对简单，结果也较为可靠。在采用该方法分析时应该对于槽体内无水、中槽有水、两边槽有水、三槽有水并且取设计水位等工况进行计算分析，一般情况下三槽有水工况的结构动力响应最大。

采用不同减震支座和各种不同水体模拟方法计算得出的渡槽结构前三阶模态分别为顺槽向一阶、横槽向一阶和扭转一阶。水体与槽壁的相互作用对渡槽结构自振频率的影响比较明显，水体越多，结构频率下降得越多。

采用Housner附加质量法和静流体单元模拟水体时，结构纵向一阶频率和横向一阶频率非常接近。考虑水体与槽身的耦合作用进行渡槽动力特性分析时，可采用Housner附加质量和静流体单元模拟水体。渡槽槽身-水体的耦合作用对减震的影响不是十分明显。

渡槽结构地震动力计算结果与静力计算结果叠加后，整个模型系统应力较大部位为：横槽向，边槽横梁中部底部（拉），支座处中间纵梁底部（压）；竖向，边墙中段下部（拉），支座处中间纵梁底部（压）；顺槽向，中间纵梁中段底部（拉），中墙中段上部（压）。拉应力过大可以通过采用施加预应力的方法来解决。

安装减震支座后渡槽结构的最大动应力和加速度得到了不同程度的抑制，减震支座的减震效果同输入地震波的频率相关。横槽向和顺槽向滞回曲线有明显的滞回环，减震支座具有较明显耗能效果。支座刚度随着竖向力的增大而增大、滞回曲线包围的面积也随之增大；摩擦力大于支座橡胶片所能提供的恢复力，支座所能提供的恢复力实际是很小的。在设置减震支座时应进行考虑减震支座非线性响应的时程分析计算，以获得比较准确的减震支座设计参数。

考虑不同桩土作用模型的三维模型，采用M法和Mindlin方法考虑桩土作用差别不大，特别是槽身影响不大，前三阶频率均为槽身的运动频率，保持不变，槽身的位移也不变。说明对此大型渡槽结构，桩土作用的影响对上部结构影响较小。桩的加载位移、卸载残余位移、桩端转角、土压力与水平力基本上呈线性关系，经拟合后可得到桩土综合刚度、最大弯矩截面、弯矩零点截面等结果。

采用M法和Mindlin方法分别计算桩-土水平作用弹簧刚度的两种二维简化模型，其对应的动力分析结果相差不大，但M法比Mindlin方法要简单。与时程分析法相比，Pushover方法概念清晰，实施相对简单，同样能使设计人员在一定程度上了解结构在强震作用下的反应，迅速找到结构的薄弱环节。

采用有限元方法对拟动力试验进行了数值模拟分析，表明渡槽结构拟动力试验结果能较好地模拟及反映渡槽结构在地震波作用下的响应特性。

2.6 渡槽施工技术及施工工艺,施工质量控制指标及控制方法研究

南水北调中线工程渡槽与特大型桥梁除和一般输水渡槽有共同特点外，更有自己独有的特点，渡槽设计流量大，荷载/恒载比例大。根据现有国内外桥梁和渡槽施工经验，现有施工方法、施工机械及施工工艺能够满足南水北调中线一期工期全线渡槽施工的要求。对于规模较小渡槽采用支架施工方法，大型渡槽可根据实际情况分别采用移动模架造桥机施工和节段拼装箱梁移动支架造桥机施工，对于多线U型渡槽可采用架桥机法施工。

对矩形横截面渡槽，在河床要求不断流、或墩身较高，满堂支模现场浇筑困难的条件下，可考虑采用叠合式施工工艺。利用部分预制构件作为底模，再在其上筑剩余混凝土的“二次受力叠合结构”是解决现场浇筑困难的有效途径。这种结构具有整体刚度好、抗震性能优越（与装配式结构比较）、节省材料、施工简便且能缩短工期（与现浇结构比较）等优点。支架法作为常用施工方法，通常作为施工方案首先方案。随着大型、特大型工程机械的设计、制造及应用，整体预制吊装、造桥机施工技术在许多工程中显示其在质量控制、施工安全、施工可靠性、施工可行性、施工造价、环境保护等方面优于支架施工方法。在渡槽设计中综合考虑，加强渡槽施工方法研究，结合渡槽施工要求和施工方法综合设计，避免设计与施工脱节。在施工图设计工作的同时开展施工机械的设计研发工作，以利于渡槽的顺利开工建设。

开展了预应力张拉控制技术研究，包括预应力孔道成型、预应力筋制作、预应力筋张拉和锚固等技术研究，进行了施工张拉顺序研究的有限元分析。对布置多向多束预应力钢筋的矩形渡槽，为了保证渡槽的空间整体作用，预应力钢筋应分批分向张拉。其顺序为：先张拉40%～50%的纵向预应力钢筋，使槽身具有承受其自重的承载能力，然后拆除模板和支撑，分别将竖向预应力钢筋、横向预应力钢筋张拉完毕，最后张拉剩余的纵向预应力钢筋。

当预应力钢筋采用分批张拉时，应考虑后批张拉钢筋所产生的混凝土弹性压缩（或伸长）对先批张拉钢筋的影响，将先批张拉钢筋的张拉控制应力值σ_con增加（或减小）α_Eσ_pci（σ_pci为后批张拉钢筋在先批张拉钢筋重心处产生的混凝土法向应力，α_E为预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值）。

在分析影响渡槽施工期温度应力大小和造成结构早期裂缝因素的基础上，结合渡槽的结构型式及施工特点，开展了渡槽施工期温控指标和可应用于渡槽混凝土施工的温控措施研究，提出了能够指导工程现场施工和控制施工质量的具体温控控制方法和控制指标。

2.7 裂缝预防和补救措施以及与此相关的新型涂料开发［12-13］

开展了高性能混凝土防裂技术研究和基于抗裂耐久的渡槽高性能混凝土主要原材料控制指标研究，提出了初步的数据，进行了渡槽高性能混凝土抗裂性提高技术研究。

通过对多个典型大型渡槽开展结构静应力和动应力计算，分析了自重荷载、水荷载、温度荷载和地震荷载对结构裂缝形成的影响，并提出了相应的处理方案和措施。

通过对施工措施及养护的研究，给出了大型渡槽施工期裂缝的预防措施。针对典型工程的情况，通过计算初步确定了施工防裂方案。

对混凝土凝结时间及早期热膨胀系数、混凝土早期导温和导热系数、混凝土早期强度及弹性模量及混凝土早期开裂、声发射特性进行了试验研究；建立了现代混凝土裂缝控制数据库；对非杆系混凝土结构空间三维非线性分析、非杆系混凝土结构施工期温度场和温度徐变应力仿真计算与混凝土徐变温度应力场计算进行了研究，提出了相应的计算方法；建立了混凝土早期裂缝控制仿真分析系统；并提出了混凝土相应早期裂缝控制方法。

以渡槽的结构和环境特点为前提，渡槽保温结构从内侧到外侧拟由防渗层、保温层和防水抗裂层组成。针对大流量渡槽的特点，进行了大流量预应力渡槽水泥基渗透结晶防渗涂料的研制，研究了渗透结晶型防水涂料对混凝土抗渗、抗冻性和防钢筋锈蚀性的影响。

进行了大流量预应力渡槽保温材料的基础配方设计研究，研制了新型单组分无机复合保温涂料，开展了保温防水抗裂层的研究。优选保温隔热性能好的玻化微珠为基本原料，水泥及有机材料为胶结料，制备出了具有优良隔热保温性能的渡槽混凝土保温材料；研制出了保温材料表面防水抗裂材料，以降低保温材料的吸湿率，从而提高该材料的保温性能；采用研制的混凝土液态防渗抗裂剂，研究了该材料对混凝土表面裂缝的自修复功能。

2.8 大流量预应力渡槽的耐久性及可靠性研究［14-16］

渡槽的破坏主要表现在混凝土的劣化及钢筋锈蚀，耐久性不良主要由碳化及冻融两大因素所引起，影响耐久性的因素错综复杂，往往为多因素共同作用导致钢筋混凝土结构的老化破坏。在单因素作用下钢筋混凝土强度衰减模型的基础上，建立多因素作用钢筋混凝土的强度衰减模型，进而建立构件抗力衰减模型。

对于提高钢筋混凝土耐久性，应综合多种方法，提高混凝土的抗渗性，从而减少环境对混凝土的侵蚀，其次掺入阻锈剂，可以消除氯离子的侵蚀，保护钢筋；再次就是避免混凝土的开裂。这要求从选材-混凝土设计-施工-管理等各方面的协调。

针对基于可靠度理论的渡槽结构分析方法，提出了基于可靠度理论的渡槽时变可靠性分析方法和灌注桩无损检测可靠性分析方法，建立了含有缺陷的灌注桩可靠度分析模型。

灌注桩广泛应用于水利工程基础处理中，然而由于施工质量等各种不确定性因素的影响，灌注桩中经常出现各种缺陷，这些缺陷将会影响桩的完整性和承载能力。因此，为了确保基桩的安全性，在施工完毕后通常要进行基桩完整性检测。由于检测不确定性、检测人员的素质等因素的影响，灌注桩中的缺陷不一定能够被声波透射法检测到。为此，提出了评估基桩完整性检测最常用的声波透射法可靠性的方法，从而从理论上对现有的试验结果给出了证明。声波透射法的检测可靠性采用遇到缺陷的概率和检测到缺陷的概率的乘积表示，分别提出了计算遇到缺陷的概率和检测到缺陷的概率的方法。算例结果表明声波透射法的可靠性取决于遇到缺陷的概率和检测到缺陷的概率。声波透射法检测存在最小可测缺陷尺寸，当基桩中缺陷尺寸小于一定值时，声波透射法不能检测到缺陷。当声测管数目一定时，最小可测缺陷尺寸随桩直径的增大而减小。最优的声测管数目可以通过遇到缺陷的概率来确定，当给定遇到缺陷的目标概率为095时，3或4个声测管就能够遇到大于15%或5%桩截面积的缺陷。

基桩的完整性检测不一定都能够检测到基桩中的缺陷，这些缺陷将会影响到基桩的安全性。为此，提出了考虑基桩可能出现缺陷时的基桩可靠度分析方法。以单桩桩底可能出现的沉渣缺陷为例，采用全概率理论将完整桩的失效概率和桩底含有沉渣的桩的失效概率有机地结合起来得到了单桩的失效概率。采用基桩承载力折减系数来定量地考虑沉渣对基桩承载力的影响，并进一步推导了桩底含沉渣的基桩承载力偏差系数和变异系数的计算公式。算例分析表明，报告中所提方法能够定量地反映基桩中可能出现的沉渣对基桩可靠度的影响。桩底沉渣对桩的可靠指标具有明显的不利影响。随着沉渣厚度和桩的直径的增加，桩底含有沉渣的桩的可靠指标逐渐减小；桩的可靠指标随着桩长的增加逐渐增大。如果不考虑桩可能出现沉渣的质量问题，基桩的安全性将明显地被高估。基桩的完整性检测可以有效地提高基桩的安全性。

由于施工技术水平、岩土工程条件等不确定性因素的影响，基桩中经常出现各种缺陷。为此，提出了基于贝叶斯理论的灌注桩多个缺陷统计特性的分析方法。在考虑钻芯法检测不确定性的基础上，采用泊松分布模型模拟基桩中多个缺陷的出现概率，并推导了缺陷平均出现率后验分布的计算公式。提出了估计缺陷尺寸的修正的贝叶斯抽样方法。然后给出了评价钻芯法检测概率的方法。算例分析表明，钻芯法的检测概率对准确地估计缺陷平均出现率有明显的影响，如果不考虑检测不确定性因素的影响，缺陷平均出现率将被低估。随着检测到缺陷数目的增加，更新的缺陷平均出现率的均值逐渐增加，更新的变异系数逐渐减小。此外，先验的信息能够有效地减小缺陷平均出现率和缺陷尺寸估计的不确定性。

3 成果应用情况

本研究成果对南水北调大型渡槽工程的设计和施工起着一定的指导性的作用，可优化渡槽结构型式及尺寸，节省工程投资；提高渡槽的设计和施工质量，增加渡槽结构的可靠性。部分成果已应用到当前的设计中，如多厢梁式渡槽新型结构及设计计算方法在南水北调中线大型渡槽工程设计中广泛应用；U型槽身结构在湍河渡槽和沙河渡槽设计中应用；大型渡槽温度边界条件及温度应力计算方法、大型渡槽桩基优化方案及承载力计算方法已在南水北调中线大型渡槽示范工程湍河、沙河及洺河等渡槽设计计算中应用；混凝土裂缝控制技术在南水北调漕河渡槽工程施工中应用。本研究成果为大型渡槽工程的设计和施工提供了新的结构型式、新的设计理论和新的施工技术、方法。

4 结语

大流量预应力渡槽是南水北调中线工程的重要组成部分，工程的建设势必带来巨大的社会效益和经济效益，实现中国南北水资源的可持续利用，支撑华北地区及黄淮海平原社会、经济的可持续发展。

本研究经过高等学校、建设管理及设计单位联合组成的课题组的攻关，在大型渡槽设计和施工技术研究上取得了如下的理论技术创新。

（1）提出了施工期和运行期各种复杂气候条件下渡槽温度边界条件和温度场的计算方法，较全面地研究了温度荷载对不同结构型式的渡槽所产生的影响。

（2）提出充分利用材料潜力、结构自身跨越能力、自重小、承载力大的大流量预应力渡槽新结构（多厢矩形和多槽U型预应力渡槽）。

（3）提出了大型渡槽的平面二维和空间三维相结合的优化设计计算方法。

（4）提出了提高软岩嵌固桩基础承载力的工程措施及不等高基岩面长短桩设计方法。

（5）研制出适合大流量预应力渡槽的高强度、高抗裂混凝土材料，高可靠性止水材料和高承载减震支座。

（6）建立了大型渡槽抗震的分析计算方法，包括渡槽拟动力分析、渡槽内水体和结构的液固耦合计算、桩-土动力相互作用及相应的结构避震措施研究。

（7）提出了可行的大型渡槽槽身、基础和预应力的施工技术和工艺，以及相应的施工质量控制指标和控制方法及措施。

（8）在研究各种大流量预应力渡槽失效和破坏模式的基础上，提出了相应监测预防与加固补强措施与方法。

（9）揭示了大流量预应力渡槽裂缝形成的机理，形成了裂缝控制成套技术。

（10）研制出新型渡槽保温、防渗涂料。

（11）提出了大流量预应力渡槽混凝土材料耐久性指标及设计要求。

参考文献

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[1] ∗基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”资助（2006BAB04A05）。