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1、大流量预应力渡槽设计和施工技术研究（三）关键技术(1) 大型渡槽温度边界条件及荷载作用机理及对结构的影响研究；高承载、大跨度渡槽结构新型式及优化设计研究；大型渡槽新材料，止水、支座等新结构研究。1) 处于大气对流、日辐射、骤然温降等复杂环境中的渡槽温度边界条件和主要影响因素的确定，沿线水温模型的确定，时变温度应力计算的初始温度场的确定。2) 大型有限元通用软件进行多向预应力混凝土结构设计计算方法，包括有限元分析中施加预应力的方法、预应力损失的模拟、张拉顺序的优化以及预应力渡槽结构设计中的结构力学方法和弹性理论的有限元方法相结合的问题。3) 竖向荷载与水平荷载共同作用下的群桩土承台共同作用机理与
2、设计计算方法，以及桩基的优化设计，群桩土承台三者的工作性状的数值模拟。4) 软岩嵌岩桩荷载传递机理的研究，以及嵌岩桩基承载力的设计计算方法。5) 混凝土开裂敏感性试验与评价方法，如何从材料配比与微结构优化方面提高高性能混凝土的抗渗、抗碳化与抗冻等问题。(2) 渡槽和槽墩支柱的抗震性能研究；减震措施研究。1) 考虑土渡槽结构相互作用的拟动力试验，模拟地震对渡槽结构的作用。2) 渡槽结构动力特性和动力响应原型试验试验条件的实现。3) 桩基土动力相互作用的数值模拟。4) 桩基土动力相互作用的室内模型试验技术和本构模型。(3) 渡槽施工技术及施工工艺研究，研究施工质量控制指标及控制方法。1) 大型渡槽
3、预应力混凝土叠合结构施工技术和施工工艺。2) 渡槽高性能混凝土的防裂施工技术和施工工艺。3) 预应力混凝土结构渡槽的施工质量控制方法及控制指标。(4) 外部裂缝预防及补救措施以及与此相关的新型涂料开发。1) 在模拟实际结构内部条件下养护的混凝土材料的力学、热学及宏观体积变化性能的测定方法。2) 基于混凝土水化硬化速率、结构形式及环境条件的混凝土结构内温度场和湿度场随混凝土浇筑龄期的变化规律。3) 混凝土结构内部与约束、温度、湿度相关联的应力分布随时间的变化模型及三维仿真计算方法。4) 渡槽结构的裂缝控制实验模型的制作和实验技术。5) 渡槽施工和运行期间的实时监测及评估。6) 混凝土结构开裂风险
4、的表征，判据的建立，开裂风险评估分析程序的开发。(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机理的研究。2) 大型渡槽混凝土耐久寿命预测模型的建立。3) 由于基于可靠度理论的渡槽可靠性计算结果的实用性和可靠性依赖于影响渡槽安全的主要参数的准确性，对于渡槽来说模型试验与实际情况有一定差异。因此，如何充分利用类似工程的数据以及如何在小样本情况下确定渡槽安全分析主要参数的概率模型及其统计参数是渡槽可靠度分析中的技术难点。4) 如何建立合理的渡槽结构抗力衰减模型，在此基础上提出可行的渡槽时变可靠度分析方法。 5) 如何确定渡槽下部灌注桩基础中缺陷的统计特性，在此基础上分析含有缺
5、陷桩基础的可靠度。(6) 研究地震、预应力失效、施工及运行中出现的表层裂缝、止水失效、基础失稳等各种可能导致大型预应力渡槽失效的破坏模式、破坏机理及对渡槽造成的危害程度，以及相应的预防及补救措施。多因素作用下大型预应力渡槽失效模式的识别方法是综合研究地震破坏、预应力失效、混凝土结构裂缝、止水失效、基础失稳等导致大型预应力渡槽失效的模式、破坏机理及对渡槽造成危害程度的评价的主要技术难点。（四）技术特点和创新点本课题针对目前南水北调中线大流量预应力渡槽在设计、施工中尚无完全解决的理论和技术问题开展研究，其研究成果将会促进大流量预应力渡槽在设计、施工方面的技术水平，可直接具体指导南水北调大流量预应力
6、渡槽的设计和施工实践，具有较多的创新点，主要创新点如下：(1) 首次提出施工期和运行期各种复杂气候条件下大流量预应力渡槽温度边界条件和温度场的计算方法，并进行温度应力计算，对温度荷载对不同渡槽结构的影响进行较全面的研究。(2) 提出充分利用材料潜力，充分利用结构自身跨越能力，自重小，承载力大的大流量预应力渡槽新结构（多厢矩型和多厢U型预应力渡槽）。(3) 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。(4) 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，高可靠性止水和高承载减震支座。(5) 建立大流量预应力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
7、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。(6) 借鉴桥梁及工民建的先进施工技术，提出可行的大流量预应力渡槽槽身、基础和预应力的施工技术和工艺，并提出相应的施工质量控制指标和控制方法及措施。(7) 在研究各种大流量预应力渡槽失效和破坏模式的基础上，提出相应监测预防与加固补强措施与方法。(8) 大流量预应力渡槽裂缝形成的机理及裂缝控制成套技术。(9) 研制新型大流量预应力渡槽保温防渗防水涂料。(10) 提出大流量预应力渡槽混凝土材料耐久性指标及设计要求研究。(11) 提出基于可靠度理论的渡槽时变可靠性分析方法。(12) 对大流量预应力渡槽开展原型试验,目前国内外尚无前例，试验可为后
8、续工程渡槽的设计和施工提供宝贵的数据。二、课题年度考核指标及主要技术经济指标完成情况（一）课题年度考核指标及主要技术经济指标根据课题工作大纲的进度安排，2007年度（含2006年）课题考核指标及主要技术经济指标如下：（1）2006年研究计划资料收集、制定研究方案和工作大纲，签订子课题研究协议书。（2）2007年研究计划2007年度主要研究内容目标有： 完成温度边界试验，提出大流量预应力渡槽的温度边界及温度场计算方法；完成槽身优化结构型式及计算方法研究； 完成在不等高基岩面上的软岩嵌固桩基础承载力研究； 完成大流量预应力渡槽新材料、止水的研究； 完成大流量预应力渡槽的抗震分析模型和计算方法； 完
9、成大流量预应力渡槽施工质量控制指标及控制方法研究； 完成大流量预应力渡槽裂缝形成机理及裂缝控制成套技术； 完成大流量预应力渡槽保温防渗防水涂料； 完成大流量预应力渡槽耐久性指标及设计要求研究。2007年度考核指标有：提交年度报告；完成35篇论文。（二）完成情况根据课题研究管理办法的要求，课题组织单位及课题负责人对项目的研究进度进行了有效的组织和管理工作，完成了2006年度、2007年度总体研究目标。(1) 2006年考核指标完成情况已完成相关的资料收集，并完成了研究方案和工作大纲的制定，同时课题组织单位与各课题协作研究单位之间已就课题研究任务及合作签订了子课题研究协议书。(2) 2007年考核
10、指标完成情况根据2007年的研究目标，目前完成情况如下：针对目标：已完成槽身温度边界和槽内水温度边界的计算方法，同时给出了渡槽温度场计算方法。给出了适用于南水北调中线大流量渡槽的新型多厢梁式渡槽优化结构，针对该结构提出了特大型渡槽的平面问题和空间问题相结合的分析方法；完成了基于大型有限元平台ANSYS的完全参数化的矩型、U型渡槽的有限元分析建模及分析计算程序。渡槽温度边界试验已经启动，正在进行当中。针对目标：提出了不等高基岩面上软岩嵌岩桩承载力计算方法，以及渡槽下部结构设计优化。针对目标：进行原材料优选与性能测试，完成高性能混凝土主要原材料控制指标研究；完成高性能混凝土配合比优化设计、力学性能
11、、热学性能研究；并比计划提前进行了初步的耐久性试验；完成了渡槽高性能混凝土的配制与耐久性提高技术研究；完成了渡槽高性能混凝土高性能形成机理研究；完成了渡槽高性能混凝土施工暂行技术条件研究。已完成大型渡槽伸缩缝止水失效的原因分析，并确定了止水方案和质量控制措施，完成了伸缩止水结构的研究。针对目标：完成了大流量预应力渡槽的抗震分析有限元模型和计算方法研究，对渡槽自振特性和动力结构响应进行了分析和计算。提出了大型渡槽桩基-土相互作用计算分析方法和减震措施。对拟动力模型试验进行了方案设计，对试验模型方案进行了有限元模拟计算，比较了多个模型方案，正在进行拟动力模型试验的准备工作。针对目标：开展了预应力张
12、拉控制技术研究，已完成了预应力孔道成型、预应力筋制作、预应力筋张拉和锚固等技术研究。开展了渡槽施工期混凝土养护措施与温控研究，制定了具体措施和控制要求。通过相关技术的收集和研究，初步拟定了渡槽施工方案。完成了渡槽设计规范的编制工作。针对目标： 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。完成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。目
13、前该研究已完成大部分理论研究工作，相关试验工作正在开展中。针对目标：已完成渗透结晶型防水材料的开发；同时水泥渗透结晶型防水材料用于本身结构已很致密的C50高性能混凝土槽壁防渗的技术的研制进展顺利。从上述研究可以看出，2007年度课题总体进行情况良好，基本完成了预期的研究工作，完成了5篇论文，为下一年度研究工作打下了良好的技术基础。三、课题进展情况评价（包括目标、任务进展情况、已解决的关键技术、已取得的重大科技成果、已形成标准和专利情况、已获得的各种奖励情况、整体水平及配套性以及已建成的试验基地、中试线、生产线等情况）（一）已解决的关键技术和取得的重大科技成果1. 大流量预应力渡槽温度边界条件及
14、荷载作用机理及对结构的影响研究；高承载、大跨度渡槽结构新型式及优化设计研究；大流量预应力渡槽新材料，止水、支座等新结构研究。(1) 完成了大型渡槽运行期温度边界条件的计算方法 温度边界条件的计算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的影响。通过研究，给出了考虑了气温、槽内水温、太阳辐射、大气对流及自身热辐射等因素的影响渡槽温度边界的计算方法和计算公式。 槽内水温的计算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中线干渠全线的水温，渠内水温的确定考虑了气温、太阳辐射、水面蒸发、上游水温等多种因素的影响，由此来确定不同区域不同季节时的槽内水温。 (
15、2) 完成了温度荷载作用机理及对渡槽结构的影响研究对温度荷载的作用作了深入研究，探讨了在夏季日照和冬季寒流等不利条件下的温度荷载计算方法，对完善渡槽结构在不利温度场条件下计算分析具有重要的参考价值。 分析了运行期及施工期温度荷载对渡槽结构的影响及不同型式的大型预应力渡槽温度荷载的特点，通过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，须采用瞬态的分析方法。 运行期渡槽外壁温度梯度远大于内壁，沿槽壁方向温度梯度具有明显的非线性的特点。由气温、日照、槽内水温和寒流等因素形成的温度拉应力比较可观，在夏天日照工况可达2N/mm2，在秋冬季温降工况可达到3N/mm2，渡槽结构温度应力具有明显的空间特点，由于存在应力集中的现象，矩形渡槽的温度拉应力值相对U形渡槽的要大，但其分布范围有限较U形小。 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；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，可以消除其不利的影响。(3) 渡槽温度场及温度边界试验研究考虑实际工程渡槽的尺寸和人工气候环境模拟实验室的试验空间，基于一定的相似关系，设计了渡槽温度边界的试验模型，改进了相应的试验装置，制定了可考虑日照、降雨、温度、湿度、风速、结
