这条人造“天河”,关系着5000多万人的饮水安全

沙河渡槽对于保障河南、河北、北京、天津四省市多城市的饮用水水质安全,功不可没。

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 立心,工程技术从业者

  提到南水北调工程,相信许多人并不陌生,它是中国目前最大的系统调水工程,截止今年2月,仅其中的中线工程就已累计输水200亿立方米,惠及河南、河北、北京、天津四省市5300多万人口,是北方许多城市的主力水源和社会经济发展的生命线。

  而在南水北调中线一期工程里,有这样一项综合规模世界第一、被誉为“世界第一渡槽”的控制性工程,这就是沙河渡槽。


  (一)渡槽:一条为水专门修建的“高速公路”

  渡槽,很多人也许不会陌生,它是指输送渠道水流跨越河渠、溪谷、洼地和道路的架空水槽。

  和其他水利工程一样,渡槽也是一种古老的工程设施,最早可以追溯到公元前七世纪,我们国家从上世纪五十年代开始,曾修建了大量中小型渡槽,为促进农业发展做出了巨大贡献。

  而随着技术的进步,渡槽的使用范围早已超出了农业范畴,成为解决人水矛盾的一种重要方式。

  沙河渡槽位于河南省平顶山市鲁山县,跨越沙河、将相河、大浪河等7条大小河沟,采用U型梁式渡槽、矩形箱基渡槽、矩形落地槽等多种形式,设计流量320立方米/秒,加大流量380立方米/秒,总长度达到9050米,综合比较长度、流量、尺寸规模以及多种结构形式,它都是南水北调工程中最长的渡槽,综合规模世界第一。


  (二)沙河渡槽,设计和施工难度超乎你想象

  沙河渡槽的结构形式中,设计难度最大的莫过于梁式渡槽。

  这是首次采用适合大流量输水的特大型U型预应力薄壁渡槽结构型式,形体巨大,结构复杂,当时的渡槽结构设计理论和方法对这种超大型渡槽难以完全适用,因此,设计单位联合科研院和和高等院校对槽数、结构、跨度、施工方式等进行反复研究和比选。

  4槽还是2槽?这其中有很大的学问。要知道,整个中线工程干渠长1277公里,而起点和终点落差不到100米,为了实现汉江水全程自流到北京,工程师们对整体线路坡降有着严格的控制。

  当然,具体到每段线路坡降会稍有不同,如沙河渡槽段渠道工程渠底比降为1/26000,在这样严格的坡降要求下,适合梁式渡槽的槽数有2、3、4槽三种方案,而3槽方案由于结构衔接设计和投资经济性方面都不理想,因此被最先放弃,同时,4槽的整体安全性要强于2槽,更加符合调水工程输水保证率高的要求,因此最终选择了4槽。

  渡槽的跨度和桥梁一样,需要进行科学设计,因为跨度太大,渡槽的设计难度和建设成本将直线上升,跨度太小,需要更多的支撑结构和基础部分,同样提升了建设成本。


  而且,太多的支撑结构还会加大渡槽在河流中的阻水面积,加剧工程段附近的冲刷效应,对于河道防洪和保持河势稳定十分不利。因此,在综合考虑工程投资、安全性和施工技术等因素后,工程选择了30米跨度。

  在槽型设计上,主要对矩形槽和U型槽进行比较,两种结构都具有整体性好,刚度大,受力明确的优点,但矩形槽单槽自重可达3200吨以上,在现有的施工技术条件下,只能采用现浇方式,施工方法采用满堂支架或者造槽机,而地质条件和汛期防洪对这两种方案的实施都有较大影响。

  U型槽单槽自重为1200吨左右,可以采用现浇或预制工艺,施工方法可以采用架槽机等多种方式,并且U型槽水流条件更好。通过反复论证计算和比选,梁式渡槽采用了U型槽方案。

  沙河渡槽是世界上首座采用大型成套机械设备和架槽机施工的渡槽,采用了很多新技术,特别是梁式渡槽,单槽跨度30米,内径为8米,净高7.4米,U型槽侧壁厚度为0.35米,这样一个千吨级肚大皮薄的家伙,从制造到运输都是一件不容易的事。

  建设者们大胆采用了地面预制和架槽机架设的施工方案,实现工厂化、标准化、流程化的大规模生产和架设。

  U型梁式渡槽每榀混凝土用量为461立方米,体积大、侧壁厚度薄,结构复杂等因素给混凝土浇筑带来了很大的困难。

  比如在前期预制模板台座里做1:1仿真混凝土浇筑实验时,采用传统的顶部下料和振捣的方式,结果在拆除模板时发现混凝土骨料分离、无法振捣密实、表面存在大量水泡和气泡等问题,试验结果没有达到设计质量要求。

  为了解决上述问题,工人们经过多次试验和摸索,通过在模板上开窗口、增加附着式振动器、调整混凝土配合比、采用内圆弧模板贴透气模板布等方式才终于将试验问题一一解决。

  每榀梁式渡槽的钢筋和钢绞线用量达80吨,整个渡槽预应力筋达到22344孔,这么多的预应力筋,在大规模施工中如何确保质量,是渡槽预制的关键。为此,设计单位在现场修建了环形试验台开展试验,并研发了新型扁锚测力系统,精确测量预应力损失情况,实现了对张拉质量的精准控制,大幅度提高了测力系统的可靠性和稳定性。


  由于U型梁式渡槽属于大型薄壁开口结构,这给运输造成了极大挑战,要把这个大家伙从预制场送到施工地点,通过一般的车辆来运输是不可能的,必须借鉴架桥机的经验。

  而由于沙河渡槽单槽高度达到9.4米,远远超出了普通箱梁的高度,一般的架桥机还不能胜任这项工作,因此,中国工程师专门制作了吊装设备和架槽设备。

  比如为沙河渡槽专门设计的提槽机,跨度为36米,高度达到40米,相当于13层楼高,渡槽预制场在纵横轨道交叉处还设置转向基础,在轮组间设支腿,转向时,通过支腿上的千斤顶将提槽机抬起,待系统完成转向后再放下,解决了提槽机重载转向的难题。运槽时,先行在已经架好的槽片顶部铺设4条轨道,由运槽车驮着槽片送到施工地点,实现了“槽上运槽”的施工奇观,完美地解决了槽片水平运输的难题。


  (提槽机正在吊运渡槽)

  (三)几千米的渡槽如何实现滴水不漏?

  对于水利工程来说,防渗永远是一个重点问题,而沙河渡槽属于一级抗裂结构,水密性要求极高,为了做到滴水不漏,建设者们下了不少功夫。

  1、在制造环节,精确控制混凝土温度

  对于渡槽这种大体积混凝土结构物,在混凝土硬化阶段,水泥放出的大量水化热会导致内部温度不断升高,根据热胀冷缩原理,内部的膨胀会在表面形成拉应力,而后期降温过程中,由于基础或老混凝土的约束,又会在内部产生拉应力,当拉力超过混凝土抗裂能力时,就会产生裂缝,因此,控制温度是预防裂缝的一个重要环节。

  就像我们人一样,在夏天,给它“喂冰块”,在混凝土拌合时,在水中加入部分冰块,通过冰块融化吸收部分热量,确保混凝土达到设计要求。在冬天,则让它“喝热水”,使用热水搅拌,同时还铺上棉布等保温材料,不让混凝土“冻坏”。

  此外,建设者们还在内部埋设各种传感器,持续监测温度和应力变化等数据,进一步确保了渡槽的质量。

  2、多项措施解决通水后槽体的不均匀沉降

  在通水后,渡槽的单宽荷载达到铁路的几十倍,巨大的荷载容易导致不均匀沉降,对于沙河渡槽而言,地质条件复杂、距离过长、槽型多样等都是控制不均匀沉降的“拦路虎”,为了解决这些问题,建设者们针对不同的地质条件采取了针对性的措施。

  首先在梁式渡槽进出口闸基、闸渡连接段等容易发生沉降的位置使用水泥粉煤灰碎石桩或砂卵石换填,对于箱基渡槽段的湿陷性黄土状重粉质壤土,则因地制宜采用河道卵石或者使用强夯加水泥粉煤灰碎石桩方案。对于落地槽,则根据地质条件采用换填级配砂卵石或者混凝土,在冲沟处使用灌注桩处理。

  经过处理后的地基,通水后的槽体最大沉降量为1.5厘米,不均匀沉降在三毫米以内,完全达到了工程的质量要求。

  3、接缝止水也是一个十分重要的步骤

  水利工程中常用的止水方法有埋入式、粘合式和压板式三种,其中埋入式顾名思义就是将止水材料埋置在接缝处,这种方式施工简单但维修不便;粘合式是使用胶粘剂将止水带黏贴在混凝土表面并压紧,这种方式对胶水质量要求较高;压板式则是在接缝处两侧预埋螺栓,将止水带用扁钢压紧并通过螺母固定,这种方式可以很好地适应伸缩缝变形。

  沙河梁式渡槽由于是U型结构,止水难度更大,在大规模施工前进行了多次止水试验,主要对比了压板式GB复合橡胶止水带方案和粘结加压板方案,试验结果表明两种方案都能达到止水要求,但在大规模施工中质量难以把控,因此,从工程可靠性出发,沙河渡槽采用了适合大断面U型槽结构和大面积施工的粘结加压板式新型止水方案。

  通水四年多以来,沙河渡槽没有发生渗水现象,说明各项防渗措施达到预计效果。


  结语

  沙河渡槽的顺利完成,不仅为中线工程提供了重要支撑,也为中国在大型渡槽的设计和施工方面积累了丰富的经验。工程通水以来一直稳定运行,产生了巨大的经济效益和社会效益,根据北京市南水北调工程建设委员会办公室负责人介绍,南水北调输水占到了首都城区70%的水量,大幅提升了北京人均水资源占有量。

  沙河渡槽犹如一条“人造天河”,持续不断地为受水地区输送着清澈的汉江水,在促进受水地区的经济和生态发展方面发挥了难以估量的作用。

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  编辑| 史文慧

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