大流量預應力渡槽設計和施工技術研究

1、大流量預應力渡槽設計和施工技術研究 （三）關鍵技術(1) 大型渡槽溫度邊界條件及荷載作用機理及對結構的影響研究；高承載、大跨度渡槽結構新型式及優(yōu)化設計研究；大型渡槽新材料，止水、支座等新結構研究。1) 處于大氣對流、日輻射、驟然溫降等復雜環(huán)境中的渡槽溫度邊界條件和主要影響因素的確定，沿線水溫模型的確定，時變溫度應力計算的初始溫度場的確定。2) 大型有限元通用軟件進行多向預應力混凝土結構設計計算方法，包括有限元分析中施加預應力的方法、預應力損失的模擬、張拉順序的優(yōu)化以及預應力渡槽結構設計中的結構力學方法和彈性理論的有限元方法相結合的問題。3) 豎向荷載與水平荷載共同作用下的群樁土承臺共

2、同作用機理與設計計算方法，以及樁基的優(yōu)化設計，群樁土承臺三者的工作性狀的數(shù)值模擬。4) 軟巖嵌巖樁荷載傳遞機理的研究，以及嵌巖樁基承載力的設計計算方法。5) 混凝土開裂敏感性試驗與評價方法，如何從材料配比與微結構優(yōu)化方面提高高性能混凝土的抗?jié)B、抗碳化與抗凍等問題。(2) 渡槽和槽墩支柱的抗震性能研究；減震措施研究。1) 考慮土渡槽結構相互作用的擬動力試驗，模擬地震對渡槽結構的作用。2) 渡槽結構動力特性和動力響應原型試驗試驗條件的實現(xiàn)。3) 樁基土動力相互作用的數(shù)值模擬。4) 樁基土動力相互作用的室內模型試驗技術和本構模型。(3) 渡槽施工技術及施工工藝研究，研究施工質量控制指標及控制方法。1

3、) 大型渡槽預應力混凝土疊合結構施工技術和施工工藝。2) 渡槽高性能混凝土的防裂施工技術和施工工藝。3) 預應力混凝土結構渡槽的施工質量控制方法及控制指標。(4) 外部裂縫預防及補救措施以及與此相關的新型涂料開發(fā)。1) 在模擬實際結構內部條件下養(yǎng)護的混凝土材料的力學、熱學及宏觀體積變化性能的測定方法。2) 基于混凝土水化硬化速率、結構形式及環(huán)境條件的混凝土結構內溫度場和濕度場隨混凝土澆筑齡期的變化規(guī)律。3) 混凝土結構內部與約束、溫度、濕度相關聯(lián)的應力分布隨時間的變化模型及三維仿真計算方法。4) 渡槽結構的裂縫控制實驗模型的制作和實驗技術。5) 渡槽施工和運行期間的實時監(jiān)測及評估。6) 混凝土

4、結構開裂風險的表征，判據(jù)的建立，開裂風險評估分析程序的開發(fā)。(5) 大型渡槽的耐久性及可靠性研究。1) 大型渡槽混凝土耐久性作用機理的研究。2) 大型渡槽混凝土耐久壽命預測模型的建立。3) 由于基于可靠度理論的渡槽可靠性計算結果的實用性和可靠性依賴于影響渡槽安全的主要參數(shù)的準確性，對于渡槽來說模型試驗與實際情況有一定差異。因此，如何充分利用類似工程的數(shù)據(jù)以及如何在小樣本情況下確定渡槽安全分析主要參數(shù)的概率模型及其統(tǒng)計參數(shù)是渡槽可靠度分析中的技術難點。4) 如何建立合理的渡槽結構抗力衰減模型，在此基礎上提出可行的渡槽時變可靠度分析方法。 5) 如何確定渡槽下部灌注樁基礎中缺陷的統(tǒng)計特性，在此基礎

5、上分析含有缺陷樁基礎的可靠度。(6) 研究地震、預應力失效、施工及運行中出現(xiàn)的表層裂縫、止水失效、基礎失穩(wěn)等各種可能導致大型預應力渡槽失效的破壞模式、破壞機理及對渡槽造成的危害程度，以及相應的預防及補救措施。多因素作用下大型預應力渡槽失效模式的識別方法是綜合研究地震破壞、預應力失效、混凝土結構裂縫、止水失效、基礎失穩(wěn)等導致大型預應力渡槽失效的模式、破壞機理及對渡槽造成危害程度的評價的主要技術難點。（四）技術特點和創(chuàng)新點本課題針對目前南水北調中線大流量預應力渡槽在設計、施工中尚無完全解決的理論和技術問題開展研究，其研究成果將會促進大流量預應力渡槽在設計、施工方面的技術水平，可直接具體指導南水北調

6、大流量預應力渡槽的設計和施工實踐，具有較多的創(chuàng)新點，主要創(chuàng)新點如下：(1) 首次提出施工期和運行期各種復雜氣候條件下大流量預應力渡槽溫度邊界條件和溫度場的計算方法，并進行溫度應力計算，對溫度荷載對不同渡槽結構的影響進行較全面的研究。(2) 提出充分利用材料潛力，充分利用結構自身跨越能力，自重小，承載力大的大流量預應力渡槽新結構（多廂矩型和多廂U型預應力渡槽）。(3) 提高軟巖嵌固樁基礎承載力的工程措施及不等高基巖面長短樁設計方法。(4) 研制出適合大流量預應力渡槽的高強度、高抗裂混凝土材料，高可靠性止水和高承載減震支座。(5) 建立大流量預應力渡槽抗震的分析計算方法，包括渡槽擬動力分析、渡槽內

7、水體和結構的液固耦合計算、樁土動力相互作用及相應的結構避震措施研究。(6) 借鑒橋梁及工民建的先進施工技術，提出可行的大流量預應力渡槽槽身、基礎和預應力的施工技術和工藝，并提出相應的施工質量控制指標和控制方法及措施。(7) 在研究各種大流量預應力渡槽失效和破壞模式的基礎上，提出相應監(jiān)測預防與加固補強措施與方法。(8) 大流量預應力渡槽裂縫形成的機理及裂縫控制成套技術。(9) 研制新型大流量預應力渡槽保溫防滲防水涂料。(10) 提出大流量預應力渡槽混凝土材料耐久性指標及設計要求研究。(11) 提出基于可靠度理論的渡槽時變可靠性分析方法。(12) 對大流量預應力渡槽開展原型試驗,目前國內外尚無前例

8、，試驗可為后續(xù)工程渡槽的設計和施工提供寶貴的數(shù)據(jù)。 二、課題年度考核指標及主要技術經濟指標完成情況（一）課題年度考核指標及主要技術經濟指標根據(jù)課題工作大綱的進度安排，2007年度（含2006年）課題考核指標及主要技術經濟指標如下：（1）2006年研究計劃資料收集、制定研究方案和工作大綱，簽訂子課題研究協(xié)議書。（2）2007年研究計劃2007年度主要研究內容目標有： 完成溫度邊界試驗，提出大流量預應力渡槽的溫度邊界及溫度場計算方法；完成槽身優(yōu)化結構型式及計算方法研究； 完成在不等高基巖面上的軟巖嵌固樁基礎承載力研究； 完成大流量預應力渡槽新材料、止水的研究； 完成大流量預應力渡槽的抗震

9、分析模型和計算方法； 完成大流量預應力渡槽施工質量控制指標及控制方法研究； 完成大流量預應力渡槽裂縫形成機理及裂縫控制成套技術； 完成大流量預應力渡槽保溫防滲防水涂料； 完成大流量預應力渡槽耐久性指標及設計要求研究。2007年度考核指標有：提交年度報告；完成35篇論文。（二）完成情況根據(jù)課題研究管理辦法的要求，課題組織單位及課題負責人對項目的研究進度進行了有效的組織和管理工作，完成了2006年度、2007年度總體研究目標。(1) 2006年考核指標完成情況已完成相關的資料收集，并完成了研究方案和工作大綱的制定，同時課題組織單位與各課題協(xié)作研究單位之間已就課題研究任務及合作簽訂了子課題研究協(xié)議書

10、。(2) 2007年考核指標完成情況根據(jù)2007年的研究目標，目前完成情況如下：針對目標：已完成槽身溫度邊界和槽內水溫度邊界的計算方法，同時給出了渡槽溫度場計算方法。給出了適用于南水北調中線大流量渡槽的新型多廂梁式渡槽優(yōu)化結構，針對該結構提出了特大型渡槽的平面問題和空間問題相結合的分析方法；完成了基于大型有限元平臺ANSYS的完全參數(shù)化的矩型、U型渡槽的有限元分析建模及分析計算程序。渡槽溫度邊界試驗已經啟動，正在進行當中。針對目標：提出了不等高基巖面上軟巖嵌巖樁承載力計算方法，以及渡槽下部結構設計優(yōu)化。針對目標：進行原材料優(yōu)選與性能測試，完成高性能混凝土主要原材料控制指標研究；完成高性能混凝土

11、配合比優(yōu)化設計、力學性能、熱學性能研究；并比計劃提前進行了初步的耐久性試驗；完成了渡槽高性能混凝土的配制與耐久性提高技術研究；完成了渡槽高性能混凝土高性能形成機理研究；完成了渡槽高性能混凝土施工暫行技術條件研究。已完成大型渡槽伸縮縫止水失效的原因分析，并確定了止水方案和質量控制措施，完成了伸縮止水結構的研究。針對目標：完成了大流量預應力渡槽的抗震分析有限元模型和計算方法研究，對渡槽自振特性和動力結構響應進行了分析和計算。提出了大型渡槽樁基-土相互作用計算分析方法和減震措施。對擬動力模型試驗進行了方案設計，對試驗模型方案進行了有限元模擬計算，比較了多個模型方案，正在進行擬動力模型試驗的準備工作。

12、針對目標：開展了預應力張拉控制技術研究，已完成了預應力孔道成型、預應力筋制作、預應力筋張拉和錨固等技術研究。開展了渡槽施工期混凝土養(yǎng)護措施與溫控研究，制定了具體措施和控制要求。通過相關技術的收集和研究，初步擬定了渡槽施工方案。完成了渡槽設計規(guī)范的編制工作。針對目標： 開展了高性能混凝土防裂技術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標研究，提出了初步的數(shù)據(jù)。完成了渡槽高性能混凝土抗裂性提高技術研究。通過對多個典型大型渡槽開展結構靜應力和動應力計算，分析了自重荷載、水荷載、溫度荷載和地震荷載對結構裂縫形成的影響，并提出了相應的處理方案和措施。通過對施工措施及養(yǎng)護的研究，給出了大型渡槽

13、施工期裂縫的預防措施。目前該研究已完成大部分理論研究工作，相關試驗工作正在開展中。針對目標：已完成滲透結晶型防水材料的開發(fā)；同時水泥滲透結晶型防水材料用于本身結構已很致密的C50高性能混凝土槽壁防滲的技術的研制進展順利。從上述研究可以看出，2007年度課題總體進行情況良好，基本完成了預期的研究工作，完成了5篇論文，為下一年度研究工作打下了良好的技術基礎。三、課題進展情況評價（包括目標、任務進展情況、已解決的關鍵技術、已取得的重大科技成果、已形成標準和專利情況、已獲得的各種獎勵情況、整體水平及配套性以及已建成的試驗基地、中試線、生產線等情況） （一）已解決的關鍵技術和取得的重大科技成果

14、1. 大流量預應力渡槽溫度邊界條件及荷載作用機理及對結構的影響研究；高承載、大跨度渡槽結構新型式及優(yōu)化設計研究；大流量預應力渡槽新材料，止水、支座等新結構研究。(1) 完成了大型渡槽運行期溫度邊界條件的計算方法 溫度邊界條件的計算置于自然環(huán)境中的渡槽結構，其結構溫度主要受持續(xù)變化的氣溫、太陽輻射及槽內水溫的影響。通過研究，給出了考慮了氣溫、槽內水溫、太陽輻射、大氣對流及自身熱輻射等因素的影響渡槽溫度邊界的計算方法和計算公式。 槽內水溫的計算通過建立采用含相變的一維非恒定水冰混合流動擴散模型來計算中線干渠全線的水溫，渠內水溫的確定考慮了氣溫、太陽輻射、水面蒸發(fā)、上游水溫等多種因素的影響，由此來確

15、定不同區(qū)域不同季節(jié)時的槽內水溫。  (2) 完成了溫度荷載作用機理及對渡槽結構的影響研究對溫度荷載的作用作了深入研究，探討了在夏季日照和冬季寒流等不利條件下的溫度荷載計算方法，對完善渡槽結構在不利溫度場條件下計算分析具有重要的參考價值。 分析了運行期及施工期溫度荷載對渡槽結構的影響及不同型式的大型預應力渡槽溫度荷載的特點，通過研究認為溫度荷載是影響大型渡槽結構安全的重要荷載，具有非線性特點，須采用瞬態(tài)的分析方法。 運行期渡槽外壁溫度梯度遠大于內壁，沿槽壁方向溫度梯度具有明顯的非線性的特點。由氣溫、日照、槽內水溫和寒流等因素形成的溫度拉應力比較可觀，在夏天日照工況可達2N/mm2，在秋

16、冬季溫降工況可達到3N/mm2，渡槽結構溫度應力具有明顯的空間特點，由于存在應力集中的現(xiàn)象，矩形渡槽的溫度拉應力值相對U形渡槽的要大，但其分布范圍有限較U形小。 施工期的溫度應力可以通過合理的溫度控制措施減少其不利影響；運行期的溫度應力可以通過合理的預應力鋼筋的布置及表面保溫措施，可以消除其不利的影響。(3) 渡槽溫度場及溫度邊界試驗研究考慮實際工程渡槽的尺寸和人工氣候環(huán)境模擬實驗室的試驗空間，基于一定的相似關系，設計了渡槽溫度邊界的試驗模型，改進了相應的試驗裝置，制定了可考慮日照、降雨、溫度、濕度、風速、結冰和氣溫驟降等氣候環(huán)境的試驗工況，安置了近千只溫度、濕度、應變、應力和風速等傳感器，并

17、進行了相應的預試驗。(4) 高承載、大跨度渡槽結構新型式及優(yōu)化設計研究 提出了適用于南水北調中線大流量渡槽的新型多廂梁式渡槽結構及其優(yōu)化思路和方法。根據(jù)大型渡槽的特點，綜合考慮渡槽結構的可靠性、經濟性和施工的便利性，按照渡槽結構的優(yōu)化思路和方法確定渡槽的結構型式（包括縱向支承結構型式和槽身橫斷面型式），在此基礎上選擇多種結構尺寸方案進行結構計算分析及設計，以控制截面拉應力及經濟配筋率作為控制指標優(yōu)選槽身跨度及槽壁厚度等主要尺寸。 提出了特大型渡槽的平面問題和空間問題相結合的分析方法。應用傳統(tǒng)的平面結構力學方法和三維有限元分析分析方法設計大型渡槽可遵循以下方法和步驟：按照渡槽結構的優(yōu)化思路和方法

18、確定渡槽的結構型，擬定槽身跨度及槽壁厚度等主要尺寸。多廂聯(lián)合布置的渡槽寬跨比比較大，空間作用比較明顯，由于邊墻和中墻的荷載/剛度比值不同，在垂直荷載作用下的位移不同，在渡槽的橫向計算中應考慮兩者相對位移的影響。采用Ansys有限元分析軟件，計算渡槽在外荷載作用下的截面應力狀態(tài)和邊墻、中墻的相對位移。用平面結構力學方法，將渡槽劃分成縱向、橫向平面結構進行內力分析和結構設計，初步確定預應力鋼筋數(shù)量。在對平面結構進行內力分析時，應考慮邊墻和中墻相對位移的影響（也可以根據(jù)有限元計算的截面應力狀態(tài)，然后根據(jù)應力圖形配置鋼筋）。對初步選定的預應力鋼筋品種、數(shù)量和布置方案，計算張拉控制應力、預應力損失。對鋼

19、筋按照等效原理進行簡化布置。用三維空間有限元程序對結構進行反分析，計算渡槽各部分的應力。 結合具體工程，利用大型通用有限元平臺ANSYS，編制了適應性強、多參數(shù)控制的參數(shù)化預應力三維有限元分析的相關建模、計算程序。使用該程序，可以極大地提高具有較復雜體型的三維U型和矩型渡槽結構的分析效率和分析精度。 取得了一些對渡槽工程設計有意義的結論：對于矩形截面方案，橫向拉應力最大值一般出現(xiàn)在跨中附近的橫梁，且在中間槽橫梁跨中下表面。板上的最大橫向拉應力值也出現(xiàn)在跨中附近的板上，且在板靠近支座附近的上表面。縱向應力的分布規(guī)律與端部的約束方式關系很大：當端部為簡支時，縱向最大拉應力值一般出現(xiàn)在縱梁的跨中下表

20、面；當端部連續(xù)時，縱梁的跨中下表面的縱向拉應力也是一個較大值，但最大縱向拉應力出現(xiàn)在上翼板靠近支座處。對于U形截面方案，橫向應力的最大值出現(xiàn)在靠近支座附近槽底的上表面?？v向應力的最大值仍位于跨中的最底部。但當支座處連續(xù)時，應力分布特征更為復雜，支座附近的上部拉桿會出現(xiàn)很大的橫向拉應力。支座附近的槽底上表面會出現(xiàn)很大的縱向拉應力。對于矩形截面方案，當跨度在40m左右時，跨度的改變不會明顯改變橫梁以及板的最大橫向拉應力，但會顯著地改變縱向最大拉應力。對于矩形截面端部簡支方案，當跨度在30m左右時，整體結構的三維效應增強，跨中橫梁上的最大橫向拉應力有了明顯減小，但板上的最大拉應力跟跨度為40m相比較

21、時，變化很小。矩形截面端部連續(xù)方案會改善跨中橫梁的橫向應力，但對跨中板的橫向應力影響甚微。也會顯著改善縱梁上的縱向應力，但會使上部翼板上產生很大的縱向拉應力。矩形加肋方案會明顯改善跨中橫梁的橫向應力，但對跨中板的橫向應力基本無改善，甚至使板上的橫向應力變得更大。當然，加肋后可以顯著減小邊墻厚度，對其它部分影響不大。U型渡槽端部改為連續(xù)后，槽底的橫向應力值有了很大改善，但靠近支座的上部拉桿會出現(xiàn)較大的橫向拉應力，而且應力的分布規(guī)律變得更為復雜。(5) 不等高基巖面上的軟巖嵌固樁基礎承載力研究 大型渡槽下部結構型式及優(yōu)化設計研究提出了針對不同水文地質條件情況下、渡槽與挖方明渠之間的過渡段的組合基礎

22、和特殊基礎型的合理型式、渡槽基礎的合理樁基礎類型和進行優(yōu)化設計；總結出軟巖地基樁基礎的承載力特性和計算方法。 超大承載力樁及樁群承載力計算方法及優(yōu)化設計研究提出了嵌巖樁承載力的計算方法，進行嵌巖樁承載力理論計算結果與試樁成果對比分析，成果在實際工程設計中的應用。實際工程渡槽樁基承載力與沉降的驗算，以及樁基承載力的數(shù)值模擬。通過研究，可得出以下結論：根據(jù)東江深圳供水工程金湖渡槽抽芯檢測樁底沉渣情況，鉆孔灌注樁樁底的沉渣厚度為410cm，1號、57號承臺的累計沉降為3mm，95%的嵌巖樁從開始觀測到至今沒有沉降發(fā)生。根據(jù)金湖渡槽5根試樁靜載資料，試樁的極限荷載與樁身混凝土的強度確定的數(shù)值相近，而規(guī)

23、范確定的極限承載力僅為試樁的極限荷載的1/3。表明嵌巖樁的承載力遠未發(fā)揮，按規(guī)范設計的嵌巖樁的安全度過大，值得設計單位借鑒。本項目組提出的應力路徑擴孔法確定嵌巖樁的承載力方法，在嵌固段巖層能形成擴徑效果時，計算結果與實測結果接近(不同長度的6根試樁，嵌入弱風化巖層2m，計算值與實測值相差不超過±5%) ，可供設計單位參考。對于不等高基巖面上的軟巖嵌固樁，采用長短樁組合方案，保證每個樁進入微風化層一定深度，由此引起的不均勻沉降和短樁對長樁的影響等均不大，在條件合適的情況下，長短樁應該考慮交錯布置，減少短樁對長樁的影響。采用后灌漿方案，可將樁設置成等長，樁端嵌入中風化巖層即可。其承載力的

24、計算，可用應力路徑擴孔法來確定，后壓力灌漿提高承載力部分作為安全儲備考慮。為了克服樁底沉渣的影響，建議對每根樁都進行樁端灌漿。樁端灌漿技術與壁后灌漿結合，效果更佳。該方案同樣可以節(jié)約工程量。兩者并不相互矛盾，相反，兩者可以同時使用，優(yōu)勢互補，相得益彰。一方面，長短樁組合方案的應用，保證樁尖均嵌入弱風化基巖，在滿足承載力和穩(wěn)定要求的前提下，可以適當降低后灌漿的要求；另一方面，灌漿后的樁周土各種力學性質都有所提高，有助于減小長短樁的相互影響，正常發(fā)揮嵌巖樁的承載能力。在能夠滿足承載力要求的情況下，可以在進一步的設計中適當減小樁徑，增大樁間距。由于工程規(guī)模很大，而且重要，現(xiàn)場試樁是必不可少的，最好是

25、能結合本報告設計試樁，然后進一步研究優(yōu)化方案。從時間、經濟的角度出發(fā)，試樁不宜完全采用真型樁，可考慮采用縮尺真型試樁的方案。軟巖的蠕變以及軟化是值得注意的問題，后灌漿技術一定程度上可以緩解或消除這方面的不利影響，但具體的情況還有賴于對試樁結果的研究；斷層需進行必要處理，如果結合樁的后灌漿技術施工，尚需現(xiàn)場試驗等手段進行評估，或運用地質物探的先進技術予以檢驗。按公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范(JTJ 024-85) 及建筑樁基規(guī)范(JGJ 9494) 等規(guī)范進行設計時，還需與試樁情況進行對照分析，設計值與實測值相差較多的例子并不鮮見。如果參數(shù)選取得當，計算方法合適，三維有限元分析方法得到的計算結果往

26、往比較準確。現(xiàn)行的諸多規(guī)范中只給出了嵌巖樁單樁承載力的求法，設計準則應向變形和強度控制的雙準則方向變化，沉降和承載力雙準則控制的嵌巖樁的設計方法可供設計單位借鑒。從嵌巖樁承載機理出發(fā)，適當增大允許沉降量可極大地提高樁側巖土層的阻力，并使樁端阻力也能更大地發(fā)揮作用，只要樁基礎滿足運行階段沉降和承載力的要求，就不必因為是嵌入巖石中的樁就對其沉降要求更為苛刻。對于連續(xù)梁式的渡槽結構而言，其運行階段的沉降控制要求極為嚴格，但是如果能夠采取措施減小運行階段沉降，同時增加總沉降，充分發(fā)揮嵌巖段的側阻和端阻，則必定能產生良好的經濟效益，同時對于嵌巖樁的研究和應用也是一大促進。大型渡槽嵌巖樁承載力與沉降可靠度

27、研究可以處理設計中的不確定因素(如荷載，側阻和端組，土性參數(shù)，不同地質條件和施工工藝的變異性) ，并定量地反映在參數(shù)和計算模式中，使下部結構和上部結構能達到較為一致的可靠度水準，使渡槽的整體設計更加符合安全可靠、經濟合理的原則。(6) 大流量預應力渡槽新材料通過膠凝材料體系、水膠比、摻合料摻量的優(yōu)化，配制了工作性、強度滿足設計要求，抗裂、抗?jié)B性能較好，水化熱較小、收縮徐變低的渡槽C50高性能混凝土，提供了兩個混凝土配制方案。成功地應用溫度應力試驗機法、大板法開展了混凝土抗裂性能研究。主要研究內容有： 混凝土主要原材料試驗分析包括水泥與摻合料、碎石、河砂、外加劑、纖維的性能要求研究。 高性能混凝

28、土主要原材料控制指標研究完成了對水泥、礦物摻和料、細集料、粗集料、化學外加劑和水的主要控制指標進行了研究。 高性能混凝土配合比設計優(yōu)化與主要物理力學性能試驗從混凝土強度、工作性、體積穩(wěn)定性和耐久性為一體的設計要求出發(fā)，結合原材料性能，對渡槽高性能混凝土進行了方案優(yōu)選和配合比優(yōu)化，目前確定的高性能混凝土配合比見表1。表1 C50高性能混凝土配合比   方案 配合比(kg/m3) 配合比設計參數(shù)水泥粉煤灰礦粉河砂碎石水水膠比膠材用量(kg/m3( ) 砂率外加劑其它摻量13849672410861540.3248040%1.0粉煤灰20%

29、2360724872410861540.3248040%1.0粉煤灰15%+礦粉10%表2 C50高性能混凝土主要性能指標方案抗壓劈拉強度(MPa)彈性模量(104MPa)抗凍等級氯離子擴散系數(shù)(RCM法)(×10-12m2/s)電通量(C)7d28d7d28d28d28d56d28d56d154.9/3.5270.0/4.514.114.72目前F1003.041.58408261.0/3.6575.6/4.573.984.533.241.80504工作性：高性能混凝土坍落度和坍擴度為210220mm、 530590mm，2h經時后分別為170mm190、420450mm

30、，初凝18h，終凝20h，含氣量2.4%。   熱學性能：高性能混凝土中摻入20%粉煤灰或15%粉煤灰+10%礦粉，可降低混凝土水化熱14%和17%，降低絕熱溫升值11%（接近7）、14%（接近10），有利于溫控防裂?；炷两^熱溫升在1.5天內上升迅速，之后趨于平緩，1.5天絕熱溫升值即達到最終絕熱溫升值的95%以上   圖1 粉煤灰摻量對水化放熱量的影響  圖2 不同膠凝材料組成對水化放熱量影響  圖3 渡槽高性能混凝土絕熱溫升曲線   （A1

31、普通C50高強混凝土；A2摻20%粉煤灰C50高性能混凝土；A3復摻15%粉煤灰、10%礦粉的C50高性能混凝土；力學性能：所配制的高性能混凝土均能達到配制強度60MPa和抗壓彈性模量4.0×104MPa的要求。粉煤灰或粉煤灰與礦粉復合摻合料的摻入，不同程度的影響了高性能混凝土早期強度的發(fā)展，但卻具有良好的后期強度發(fā)展的潛力，其力學性能與普通強度等級C50混凝土均相當或超出。因有鋼筋張拉時間控制問題，為保證按時施加預應力，故粉煤灰摻量控制20%為宜。20%粉煤灰略降低混凝土劈拉強度和彈性模量，但無明顯影響，因混凝土的彈性模量更大程度上取決于混凝土的抗壓強度，同時集料的品種、集料本身抵

32、抗變形的能力也對混凝土彈性模量產生顯著影響。 混凝土抗裂性能初步試驗收縮、徐變變形性能    高性能混凝土摻入20%粉煤灰或25%粉煤灰與礦粉復合摻合料后，干縮值和徐變值明顯下降，180d干縮分別下降19%和28%，90d徐變（28d加載齡期）降低了42%和44%，即高性能混凝土摻入適量摻合料，抵抗變形的能力有明顯提高?？沽研阅?#160;  大板法開裂試驗表明，高性能混凝土摻加適量礦物摻和料可以提高混凝土的抗裂性能，摻20%的粉煤灰單位面積上的總開裂面積降低了42%，摻25%粉煤灰與礦粉的復合摻合料，單位面積上的總開裂面積降低了47%；每m3混凝土摻入

33、0.75kg的聚丙烯纖維，單位面積上的總開裂面積降低了83%，抗裂性能提高更為明顯。混凝土耐久性能初步試驗摻加適量礦物摻和料可以提高混凝土的抗?jié)B性能和抗凍性能。摻20%粉煤灰、摻25%粉煤灰與礦粉的復合摻合料，混凝土28d氯離子擴散系數(shù)為3.04、3.24×10-12m2/s，分別較同強度等級普通混凝土降低35%、30.8%，56d氯離子擴散系數(shù)為1.58、1.80×10-12m2/s，分別較同強度等級普通混凝土降低51.5%、44.8%，28d電通量408、504C，分別較同強度等級普通混凝土降低46%、33.3%。摻入0.75kg·m3的聚丙烯纖維對混凝土抗?jié)B

34、性能幾乎沒有影響。摻20%粉煤灰，摻25%粉煤灰與礦粉的復合摻合料，混凝土經過100次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量都在95%以上，質量損失率幾乎為0%，而同強度等級的普通混凝土經過100次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量為55%，低于60%，混凝土已凍融破壞。綜合來看，根據(jù)優(yōu)選配合比制備的混凝土，不僅工作性、凝結時間、7d抗壓強度、彈性模量滿足設計要求，28d抗壓強度滿足配制強度要求，而且主要技術性能尤其是耐久性和變形性能明顯改善。（7）止水、支座等新結構研究從止水結構、材料及施工方面分析研究了渡槽伸縮縫止水失效原因，確定采用嵌縫止水方式作為渡槽伸縮縫止水型式、有機高分子復合材料作為渡槽伸縮縫止水材料

35、、選用冷施工作為止水方式首選的止水方案。針對大流量預應力渡槽伸縮縫對止水材料性能的要求，為適應大型渡槽伸縮變形三向變位的特點，結合東深供水渡槽U形GB復合橡膠止水結構型式和漕河渡槽連體式止水伸縮裝置，提出了改進型的內貼U型復合式伸縮止水裝置，避免了丙乳砂漿填槽，方便了后期檢修更換通過有限元模擬計算，渡槽結構減震支座，如鉛芯橡膠支座和球型抗震阻尼支座，能有效地減少大型渡槽地震反應，設計中應采用。2. 渡槽和槽墩支柱的抗震性能研究；減震措施研究。（1）渡槽結構自振特性的計算成果對于渡槽結構的自振特性進行了分析，分析時采用不同支座型式和不同的水體模擬方法，并且考慮了樁土結構水體相互作用的影響，計算結

36、果表明渡槽結構前三階模態(tài)分別為橫槽向一階、順槽向一階和扭轉一階。渡槽結構（考慮槽體內有水、無水及樁土相互作用條件）的前三階自振頻率在1.022.40Hz之間。槽內水體越多，結構自振頻率下降得越多。采用減震支座時渡槽結構的自振頻率也有一定的降低。（2）渡槽結構動力響應的計算成果渡槽動拉應力較大部位為：渡槽支座附近的縱梁；渡槽接近支座的底橫梁；接近支座的拉桿桿端；承臺底面靠近角部區(qū)。渡槽結構的動應力和位移：折減后地震動應力最大值在7度地震時為1.36MPa，8度地震時為2.7MPa，均發(fā)生在承臺底部靠角部位；位移最大值在7度地震時為8.45mm，8度地震時17.0mm，發(fā)生在渡槽中段邊墻和中墻的中

37、部。（3）樁基土動力相互作用的數(shù)值模擬完成了實際工程的渡槽樁基的模態(tài)分析和渡槽樁基地震時程分析報告；地震作用下渡槽樁基的設計計算和設計優(yōu)化研究報告由于沒有找到合適的工點，課題尚未完成超大承載力樁靜載試驗方法的研究工作（試樁的縮尺真型現(xiàn)場試樁的方案和現(xiàn)場原型試樁方案設計），該項工作將推遲至2008年度上半年完成。（4）減震支座研究對不同的減震支座進行了有限元計算分析，渡槽結構減震支座，如鉛芯橡膠支座和球型抗震阻尼支座，能有效地減少大型渡槽地震反應，設計中應采用。完成了支座選型。借鑒橋梁工程設計經驗，研究了大噸位盆式橡膠支座（GPZ）和彈性減震球型鋼支座（JQGZ）性能，從耐久性和抗震性考慮，推薦

38、采用減震球形鋼支座。該支座中的受力部件均采用鋼材，可保證100年以上無老化問題；減震支座可萬向承載，即可承受壓力、上拔力、任意方向的剪力，承載力的大小可根據(jù)要求設計，一般系列化產品噸位為100050000KN；地震時，減震支座可使地震力峰值大大減?。?0以下），特別適合于地震高裂度區(qū)；該支座已在大跨度空間結構、大跨度橋梁、大型水工結構等方面中成功應用。（5）擬動力模型試驗已經對試驗模型方案進行了有限元模擬計算，比較了多個模型方案，正在進行擬動力模型試驗的準備工作。3. 渡槽施工技術及施工工藝研究，研究施工質量控制指標及控制方法。（1）預應力張拉控制技術研究南水北調大型梁式渡槽為后張法預應力混凝

39、土結構，多采用三向預應力結構，預應力鋼束為高強度低松弛鋼絞線。混凝土的強度和齡期應嚴格按設計要求進行，對大型渡槽工程要求混凝土達到設計強度后張拉。張拉采取應力、伸長值雙控制，以應力控制為主，伸長值校核。對鋼絞線下料及安裝、錨具安裝、鋼絞線張拉、預應力孔道灌漿、多余鋼絞線切割、封錨、防腐等進行了分析研究，已完成了預應力孔道成型、預應力筋制作和預應力筋張拉順序與控制要求和鋼絞線夾片錨固體系及技術的研究。（2）渡槽施工期混凝土溫控研究與養(yǎng)護控制渡槽槽身段非汛期施工，混凝土澆筑將夏季高溫與冬季低溫，為了防止混凝土裂縫，提高澆筑質量，必須從原材料選擇、配合比設計、施工安排、施工質量、混凝土溫度控制、養(yǎng)護

40、等方面采取綜合措施，做好溫控與養(yǎng)護也是關鍵的環(huán)節(jié)。混凝土養(yǎng)護混凝土澆筑完畢后，應及時曬水養(yǎng)護，保持混凝土表面濕潤。養(yǎng)護前宜避免太陽光曝曬?；炷翍跐仓戤吅?18h內開始灑水養(yǎng)護，混凝土應連續(xù)養(yǎng)護，養(yǎng)護期內始終使混凝土表面保持濕潤?；炷琉B(yǎng)護時間，不宜少于28d?；炷翜囟瓤刂?制定了混凝土降溫措施、混凝土低溫季節(jié)施工要求、溫度測量控制、混凝土表面保護措施。目前施工質量控制指標及控制方法研究工作還在進行中，成果需要結合試驗進一步檢驗并補充完善。施工方案與施工工藝的研究也在開展。（3）大型渡槽施工技術在總結前期研究工作的基礎上，通過進一步收集國內外大型架橋和造橋設備及其施工能力信息資料，對渡槽

41、施工方案進行了初步擬定。根據(jù)渡槽規(guī)模和槽體重量，矩形渡槽建議采用下承式移動模架現(xiàn)澆方案，U形渡槽建議采用整孔預制架設方案或移動模架現(xiàn)澆方案。此外，還就滿足施工設備運行所需的槽體間最小距離和下部結構布置及運梁臺車進行了研究和咨詢。4. 研究地震、預應力失效、施工及運行中出現(xiàn)的表層裂縫、止水失效、基礎失穩(wěn)等各種可能導致大型預應力渡槽失效的破壞模式、破壞機理及對渡槽造成的危害程度，以及相應的預防及補救措施。（1）混凝土結構早期裂縫調查分析對國內1078個水利工程、橋梁工程和工業(yè)與民用建筑工程所使用的混凝土材料配合比等情況進行了統(tǒng)計分析，歸納出混凝土配合比明確的發(fā)展規(guī)律，總結出現(xiàn)代混凝土的基本特征，建

42、立了現(xiàn)代混凝土裂縫控制數(shù)據(jù)庫，為渡槽混凝土的選擇和裂縫控制及耐久性控制和設計提供統(tǒng)計數(shù)據(jù)。（2）高性能混凝土早期開裂機理及預防措施的研究(離心泵)提高混凝土耐久性并保證其使用壽命的主要措施可分為兩方面：一方面保證混凝土強度的同時，使混凝土足夠密實，從而降低各種侵蝕性介質的滲透，避免或延緩鋼筋的銹蝕；另一方面是減少或避免混凝土各種裂縫，尤其是早期裂縫。隨著高性能混凝土在橋梁等混凝土工程上的推廣應用，高性能混凝土發(fā)揮了其獨特的優(yōu)勢。但同時也逐漸暴露出其存在的一些缺陷，很突出的一個問題就是高性能混凝土的開裂問題。同普通混凝土相比，高性能混凝土的組成與結構有以下特點：水泥強度等級偏高，摻入了大量的高細

43、度礦物摻合料；水膠比小，水泥漿體體積的相對含量高；水泥水化快，水化結束得早；水泥石結構密實，總孔隙率降低，毛細孔細化，且界面過渡區(qū)消失。高性能混凝土的上述特點，使得其體積穩(wěn)定性與普通混凝土有著顯著差別，即:自收縮大、并且主要發(fā)生在早期；溫度收縮大，并且溫度收縮出現(xiàn)的時間提前；水分向周圍環(huán)境散失而引起的干燥收縮相對來說較小，但其實測值（其中包括自收縮值）并不一定小，而且干燥開始的時間愈早，混凝土的這一實測值越大。當混凝土發(fā)生收縮并受到外部約束或內部約束時產生的拉應力超過混凝土抗拉強度時，就會開裂。高性能混凝土早期強度發(fā)展迅速，彈性模量隨之上升，因此早期少量的收縮變形受約束后會產生很大的彈性拉應力

44、而又得不到徐變松弛緩解，因此即使抗拉強度伴隨抗壓強度提高，但混凝土的延伸性卻往往隨著抗壓強度的提高而減小，開裂時間反而提前或開裂程度反而更嚴重。大量研究資料表明，高性能混凝土是對早期開裂非常敏感的材料，這不僅是水化溫升和溫降造成的溫度收縮問題，由于硬化前新拌混凝土表面水份蒸發(fā)而引起的塑性收縮和硬化過程自干燥作用產生的自收縮，也是重要原因。5. 外部裂縫預防及補救措施以及與此相關的新型涂料開發(fā)。（1）合成制備了滲透結晶型防水涂料，研究了滲透結晶型防水涂料對混凝土抗?jié)B、抗凍性和防鋼筋銹蝕性的影響，結果表明所研制的滲透結晶型防水涂料顯著提高了混凝土的抗?jié)B性，并對混凝土的抗凍性、抗鋼筋銹蝕性均有很好的

45、改善作用。（2）針對大流量渡槽的特點，完成了大流量預應力渡槽保溫防滲涂料的原材料選擇，正在開展配方設計研究。6. 大流量預應力渡槽的耐久性及可靠性研究。本研究安排在2008年開展。 （二）已形成標準、專利、論文情況已完成了渡槽設計規(guī)范的編制工作。已完成的論文情況：(1) 馮曉波，夏富洲，王長德等，南水北調中線大型渡槽運行期溫度場的計算，武漢大學學報（工學版），2007（2）.(2) 危鼎， 吳勝興， 李雪淋. 水泥凈漿早期熱膨脹系數(shù)試驗研究J. 水泥，2007，(9)：8-12.(3) 危鼎， 吳勝興， 李雪淋. 混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)試驗研究J. 江西科學，2007，25(3)：258-263.(4) 謝麗， 吳勝興. 混凝土早期自收縮與極限拉伸應變的相關性試驗J. 工業(yè)建筑，2007，37(2)：74-76.(5) 謝麗， 吳勝興. 水灰比對混凝土早期收縮影響的研究J. 建筑科學，2007，23(01)：54-57. （三）已建成的試驗基地、中試線、生產線等情況    國家科技支撐計劃課題試驗基地、中試