南水北调大型渡槽设计施工关键技术

11000 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 渡槽跨度（m）
渡槽跨度与临界应力关系
二（3） 渡槽温度应力研究
运行期复杂温度边界条件
1 NODAL SOLUTION
STEP=1
南水北调中线全长1432km，工程南起河南省淅川县 陶岔，途径河南、河北，北至北京、天津，渠首设 计流量350m3/s，加大流量420m3/s。沿线有几十座 大型输水渡槽，输水流量一般＞150m3/s。
沙河渡槽（鲁山县境内）设计流量320m3/s，加大 输水流量380m3/s，全长9050m，包括2166m的U形预 应力30m跨梁式渡槽、5354m矩形钢筋混凝土箱基渡 槽、1530m矩形落地槽。
SMX =.206E+08
Y X
Z
多种结构计算方法分析表明，槽身内 壁全部处于受压状态，外壁拉应力小于 混凝土轴心抗拉强度设计值的0.9倍。
MX MN
-.200E+07
-.111E+07
-222222
-.156E+07
-666667
222222
Stress of Aqueduct
666667
.156E+07
双洎河渡槽（新郑市境内）设计流量305m3/s，加大 输水流量365m3/s，全长810m，槽身为矩形三向预应 力混凝土简支结构，双线4槽、单跨30m。
湍河渡槽（邓州市境内）设计流量350m3/s，加大 输水流量420m3/s，总长1030m，槽身为U形双向预 应力混凝土简支结构，3线3槽，单跨40m。
大型渡槽 建设面临 的技术挑战
机械化施工、装备、质量控制
一、大型渡槽结构选型选跨
输水渡槽功能及性能要求
大流量且水头小
输水大断面
影响因素及解决途径
水荷载、自重荷载巨大
采用横向、竖向预应力提高 断面承载能力
运行期温度应力大
U形、矩形相对于箱形封闭结构 利于减小温度应力
采用预应力结构抵抗温度应力
大跨度
SUB =1
TIME=1
S1
(AVG)
DMX =.002044
SMN =-.292E+08
SMX =.201
1 NODAL SOLUTION
STEP=1
SUB =1
TIME=1
SZ
(AVG)
RSYS=0
DMX =.009121
SMN =-.252E+07
SMX =.190E+07
-62083
429253
920590
.141E+07 .190E+07
夏季温度应力
-.200E+07
-.111E+07
-222222
-.156E+07
-666667
222222
Stress of Aqueduct
666667
.156E+07
.111E+07
.200E+07
冬季温度应力
温度边界条件及温度应力
优化设计的目标函数，造价 F X CCVC CsW CpWp s
以渡槽的几何尺寸、结构形状、钢筋、预应力钢 束作为变量， 以工程造价为目标函数，以结构强度、应力、挠度为约束条件， 优化结构尺寸和配筋。沙河U形渡槽断面优化后壁厚采用35cm。
二（2） 结构受压稳定性分析研究
U形薄壳渡槽稳定性
局部稳定性 整体稳定性
南水北调沙河渡槽
南水北调沙河渡槽
南水北调双洎河渡槽
六、创新应用
中央电视台1套与英国BBC联合
摄制的纪录片 《改变地球的一代人》
中央电视台13套报道
中央电视台10套《走近 科学栏目》—中国跨度
沙河渡槽
人民日报专栏“世界第 一渡槽”首考过关
新华网报道
中央电视台1套与美国 探索频道联合报道
六、创新应用
中小型渡槽设计中， 一般不考虑运行期温差， 对大型渡槽研究表明运 行期温度应力是不可忽 视的因素。研究提出大 型渡槽采用稳态温度场 计算的同时，宜采用瞬 态温度场计算进行复核 分析。
1 NODAL SOLUTION
SUB =1
TIME=1
S1
(AVG)
DMX =.002685
SMN =-.292E+08
创建超大型渡槽机械化现浇施工工法，研制世界上首台套1600吨U形造槽机、世界上首台 套2500吨矩形断面双槽造槽机。
1600吨U形造槽机
2500吨双孔矩形造槽机
造槽机
U形 双槽矩形
施工跨度
40 30
施工适应 纵坡
±5‰ ±5‰
渡槽 自重（t）
1600 2500
关键技术研究
大型渡槽施工工法研究结论
直径8m
原型止水试验
试验方案
1 压板式止水 2 粘结+压板式止水
关键技术研究
压板式止水
螺栓密集
粘接加压板止水结 构
采用角钢压板以增加压板刚度
四 大型渡槽 预制架设施工技术
发明预制渡槽、架槽机施工的提、运、架施工国家级工法
研发了世界上首台套1200吨U形大型渡槽提槽、运槽、架槽成套装 备，突破预制架设关键技术难题。
沙河U形渡槽 单跨单槽
1200 吨 并排4槽，单槽8m×7.8m
单跨30m
湍河U形渡槽 单跨单槽
1600吨
并排3槽，单槽9m×7.23m 单跨40m
双洎河矩形渡槽 单跨双槽
2500吨
矩形4槽，单槽尺寸7m×7.9m 单跨30m
构建了复杂空间预应力体系
纵向直线形、环向U形 预应力筋的空间预应力体系
纵向曲线形+直线形、横向曲线形、 竖向直线形预应力筋的空间预应力体系
.111E+07
.200E+07
夏季温升+静力荷载+预应力
-.300E+07
-.167E+07
-333333
-.233E+07
-.100E+07
Stress of Aqueduct
333333
.100E+07
.233E+07
.167E+07
.300E+07
冬季温降+静力荷载+预应力
三 大断面预制渡槽止水新技术
高抗裂性 能及应力 控制标准
采用单槽、或多槽型式
U形采用并行分离多槽 矩形采用连体或分离多槽
充分利用输水断面几何特性， 加大断面深宽比，提高纵向刚度
纵向采用预应力结构
采用预应力结构 对梁式、拱式等型式分析不同纵向承载结构型式的优缺点、适应性
提出了大跨度大断面薄壁预应力结构
经济跨度宜为30~40m，预应力结构简支梁式结构，槽数2~4槽，U形或矩形断面，单槽尺寸6~9m
沙河U形渡槽高厚比约25，壁厚仅35cm。 整体失稳是由于在横向荷载作用下发生侧弯和扭转而失去平衡； 局部失稳是指槽身压应力过大，局部结构失稳而丧失承载力。
提出渡槽薄壁受压稳定性计算方法。
局部稳定性分析—柱壳有限元法
薄壁受力平衡方程：
(KE
K *) P
G
整体稳定性分析—变形能量理论
渡槽侧扭屈曲的总势能：
1、对于大型渡槽长度较短(300～500m及其以下)、净空不大、地基条件较好时可选择支架法施工； 2 对渡槽较长、净空较大、地基条件较差的渡槽，可考虑造槽机方案；
架槽机方案设备投入较大，只有渡槽较长(一般800m以上)时才具有综合优势。 3、造槽机、架槽机机械化施工：施工不受地形地质条件、河道水流制约，效率高；标准化、流程化 作业，模板为整体模板，利于质量控制。 4、三种施工方法各有其优缺点及其适应性，在施工方案选择时还应结合具体渡槽的建设环境条件以 及主体工程的方案比选，从结构造型、地形、地质条件、行洪条件、投资分析、工期控制等方面综合 分析确定。
1 2
l 0
[
EI
y
u
2
EI
2
(G I t
2M x
)
y
2
2M u x
qa 2 ]dz
平衡方程 失稳应力 临界弯矩
EI (4) (G I t 2M x y )
M
y 1
cr
Icrx
M cr
1.15
2 EI l2
y
[
0.466a
0.534
y
2M x y
M u qa x
0
( 0.466a 0.534 y )2
湖北省孟楼矩形渡槽 预制架设
陕西省漆水河U形渡槽 造槽机现浇
湖北省普溪河矩形渡槽 造槽机现浇
河南小浪底北岸灌区矩形渡槽 造槽机现浇
谢 谢！
提槽机吊运槽
运槽车槽上运槽
架槽机架槽
构建超大型预应力混凝土渡槽整体预制新工艺。
整体外模
整体内模
整体钢筋笼吊装
内模开窗振捣 槽身蒸养温控仿真 整跨温控蒸养 预应力筋张拉
五 大型渡槽 原位现浇造槽机施工技术
创建预应力混凝土U形渡槽墩顶机械化现浇施工工法。
创建预应力混凝土矩形渡槽墩顶机械化现浇施工工法。
I (1 Iy
GIt EI
l
2 2
)
]
关键技术研究
影响渡槽局部稳定的主要因素有渡槽 上缘宽度、壁厚、高宽比和高厚比等， 影响最大的因素是渡槽高厚比。
700
600
500
运营工况 施工工况
400
300
200
100
0 10 20 30 40 50
渡槽高厚比
渡槽壁厚、高厚比与临界应力关系曲线
影响渡槽整体稳定主要因素有渡槽上缘 宽度、壁厚、跨度、高宽比和跨高比等， 其中影响最大的因素是渡槽跨度。
原有的5孔扁锚测力计
改进后的扁锚测力计
二、大型渡槽结构分析理论与方法研究
结构优化设计
渡槽结构断面优化采用混合遗 传算法，综合了遗传算优化法全 局搜索最优解和混合离散变量优 化法局部搜索最优解的优点。
开始
产生初始种群
计算适应度
满足优化准则？ N
执行小生境？ N
选择
结束 Y
最佳个体 Y
小生境
交叉
变异
渡槽水面总宽20m~30m左右，水深7m左右， 每延米水荷载多达200吨， 是铁路桥荷载的十几倍
东深供水U型渡槽 跨度24m 湖北排子河渡槽 跨度20m 350t造槽机施工
现有的中小型渡槽规模不大、承受荷载 小，结构以梁式或拱式为主，多采用单槽 及普通钢混结构，梁式渡槽跨度一般不超 过20m。施工多以满堂架原位现浇与小吨 位的直接吊装为主。东深供水渡槽采用造 槽机施工，但造槽吨位仅350吨。
Y ZX
1
JAN 14 2015 09:57:21
NODAL SOLUTION SUB =1
TIME=1
SY
(AVG)
MN
RSYS=0
DMX =.001237
SMN =-.553E+07
SMX =.189E+07
MX
Y
MN
X
Z
MX
-.252E+07
-.154E+07
-553419
-.203E+07
-.104E+07