考慮砂漿凍融劣化效應(yīng)的漿砌石渠道抗震安全分析

姚皓錚沈振中馬福恒胡 江

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京210098；2.南京水利科學(xué)研究院,南京210029)

渠道是最為常用的開(kāi)敞式輸水建筑物,具有供水、灌溉、發(fā)電、過(guò)魚(yú)等多種功能.漿砌石材料由于其來(lái)源方便,施工容易,在渠道建設(shè)中被廣泛采用.根據(jù)統(tǒng)計(jì),在浙江省小水電工程中,漿砌石結(jié)構(gòu)的渠道約占71.71%,高于其他結(jié)構(gòu)形式的渠道.此類渠道大部分建于20 世紀(jì)六、七十年代,普遍存在工程質(zhì)量差、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低等問(wèn)題,再加上運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期受到各種環(huán)境因素的侵蝕,呈現(xiàn)出劣化和局部破損等病害,其正常使用功能受到影響,抗震安全性存在隱患.針對(duì)漿砌石渠道的劣化、局部破損等病害問(wèn)題及其安全評(píng)價(jià),已有不少研究成果.徐志丹等[1-3]總結(jié)了漿砌石渠道常見(jiàn)的破損類型,分析了破損形成的原因,并提出了相應(yīng)的改造處理措施.徐存東,王燕[4]提出了一種新的套砌方法改造漿砌石渠底及坡腳的防凍脹加固方案.上述研究主要是對(duì)漿砌石渠道的破損原因及改造處理方法進(jìn)行分析總結(jié),而關(guān)于漿砌石渠道的抗震安全性,尤其是考慮水泥砂漿劣化影響漿砌石渠道抗震性能的分析尚未見(jiàn)報(bào)道.在地震高烈度區(qū)如何設(shè)計(jì)漿砌石渠道、評(píng)價(jià)其抗震安全性缺乏理論依據(jù).

在建筑工程中,水泥砂漿呈薄層狀態(tài),主要起粘結(jié)作用,傳遞應(yīng)力.因長(zhǎng)期遭受外界環(huán)境的侵蝕作用,會(huì)導(dǎo)致砂漿力學(xué)性能降低而提前發(fā)生老化、開(kāi)裂等現(xiàn)象,其劣化速率遠(yuǎn)大于塊石,嚴(yán)重時(shí)可造成建筑物破壞.本文結(jié)合紅旗渠工程,建立了考慮水泥砂漿劣化的渠段三維有限元模型,精細(xì)模擬砂漿和塊石,計(jì)算分析渠道在設(shè)計(jì)地震作用下的應(yīng)力和變形特性,并進(jìn)一步研究水泥砂漿劣化效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,提出有效的除險(xiǎn)加固措施,這對(duì)類似渠道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和除險(xiǎn)加固具有指導(dǎo)和借鑒意義.

1 水泥砂漿的劣化模型

紅旗渠工程地處華北平原,冬季晝夜溫差很大,凍融是引起水泥砂漿劣化的主要因素.許多學(xué)者對(duì)凍融作用下水泥砂漿的物理力學(xué)性能開(kāi)展了深入研究[5-9].其中葛文杰,桂常清,王必元[5]采用快凍法對(duì)摻入不同類型纖維、不同纖維摻量的試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),研究其力學(xué)性能.王振軍,吳佳育,白敏,等[6]在配制砂漿試件過(guò)程中摻入適量溫敏聚合物,然后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),并與未摻溫敏凝膠的試件進(jìn)行對(duì)比分析,測(cè)得水泥砂漿在不同凍融次數(shù)下的一些力學(xué)參數(shù).張菊,劉曙光,閆長(zhǎng)旺,等[7]將PVA-ECC 分別置于氯鹽環(huán)境和淡水環(huán)境中進(jìn)行快速凍融試驗(yàn),研究表明氯鹽環(huán)境中試件的抗凍性相對(duì)于淡水環(huán)境顯著下降.李建新,王起才,李盛,等[8]測(cè)試了水泥砂漿在不同含氣量情況下的孔結(jié)構(gòu)及抗凍耐久性變化規(guī)律.陳松,李偉龍,王起才,等[9]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了不同含氣量下水泥砂漿的結(jié)構(gòu)特征及抗凍性,得到了一些有益的規(guī)律.選取上述文獻(xiàn)中的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線,如圖1所示.可見(jiàn),各文獻(xiàn)成果中,砂漿的動(dòng)彈性模量均隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸減小.

圖1凍融作用下水泥砂漿的相對(duì)動(dòng)彈性模量

實(shí)際上,渠道在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中,凍融次數(shù)遠(yuǎn)大于200次.利用Origin軟件對(duì)圖1的5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,采用指數(shù)擬合,模型為Exp2PMod2,回歸后的曲線如圖2所示.建立的凍融作用下砂漿動(dòng)彈性模量與凍融次數(shù)的關(guān)系如下:

式中:E0為未凍融時(shí)砂漿試塊的動(dòng)彈性模量(GPa)；En為凍融n 次后的砂漿試塊的動(dòng)彈性模量(GPa)；n為砂漿試塊凍融次數(shù),n≥0；a、b 為試驗(yàn)參數(shù).

圖2砂漿相對(duì)動(dòng)彈模隨凍融次數(shù)變化的回歸曲線

經(jīng)回歸分析可得a≈1.01172,b≈0.00314.利用圖1的凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了水泥砂漿凍融損傷的動(dòng)彈性模量劣化模型.本文采用該模型研究水泥砂漿劣化對(duì)漿砌石渠道抗震性能的影響.

2 統(tǒng)計(jì)凍融循環(huán)次數(shù)與當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)

2.1 林州市歷史氣象資料的統(tǒng)計(jì)

本研究采用中國(guó)氣象局網(wǎng)站資料,對(duì)紅旗渠工程所在地林州市的歷年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由于只能查詢到2011～2018年間的氣象資料,其中2012年為較冷年份,故按2012年的氣象情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì).參考快凍法試驗(yàn)要求,這里規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計(jì)方法:當(dāng)日最低氣溫低于0℃、-5℃、-10℃,并在當(dāng)日氣溫升高至0℃～5℃計(jì)為一次凍融循環(huán).按此方法計(jì)算出了林州市在-5～+5℃、-10～+5℃、-15～+5℃三檔的統(tǒng)計(jì)與當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù),具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1[10].

表1林州市的統(tǒng)計(jì)凍融循環(huán)次數(shù)

2.2 當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)

迄今為止,國(guó)內(nèi)外對(duì)凍融循環(huán)次數(shù)的定義并無(wú)規(guī)范可循.人們約定溫度由正變負(fù)即為一次循環(huán).本文采用“當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)”概念[10],將這一工程環(huán)境特征參數(shù)用于漿砌石結(jié)構(gòu)抗凍耐久性分析.定義如下:

式中:[N]為當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)(次/a)；N-15～+5℃為-15～+5℃的凍融循環(huán)次數(shù)(次/a)；N-10～+5℃為-10～+5℃的凍融循環(huán)次數(shù)(次/a)；N-5～+5℃為-5～+5℃的凍融循環(huán)次數(shù)(次/a).

3 渠道三維精細(xì)有限元模型

3.1 總干渠工程概況

紅旗渠總干渠起點(diǎn)是山西省平順縣石城鎮(zhèn),經(jīng)林縣河口流入分水嶺,全長(zhǎng)70.6 km.總干渠渠底寬7.0 m,渠墻高4.3 m,多為矩形砌石斷面.設(shè)計(jì)正常流量20 m3/s(水深3.5 m)；加大流量23 m3/s(水深4.0 m).總干渠分水閘于1965年3月修建,位于東南公路分水嶺.分水閘上游是長(zhǎng)102 m,高10 m的矩形防洪明渠.總干渠及第一、二分干渠為4級(jí)水工建筑物.本文取靠近閘室的一段矩形明渠作為研究對(duì)象.

經(jīng)過(guò)54a的運(yùn)行,紅旗渠的當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)為216次,受侵蝕較嚴(yán)重,影響了渠道的安全運(yùn)行,抗震安全性下降.砂漿作為其主要材料,在環(huán)境侵蝕下易發(fā)生劣化,因此需要考慮砂漿劣化效應(yīng)對(duì)渠道抗震性能及安全的影響.

3.2 渠道三維有限元模型

漿砌石渠道由水泥砂漿和塊石組成,水泥砂漿厚度約2～3 cm,砌體塊石長(zhǎng)約50 cm,寬約25 cm,厚約25 cm.為節(jié)省計(jì)算時(shí)間,在順?biāo)鞣较蚪厝? m,建立三維有限元模型,對(duì)水泥砂漿和塊石加密細(xì)分后形成三維有限元網(wǎng)格.規(guī)定:垂直水流方向?yàn)閤軸方向,指向右岸為正；順?biāo)鞣较驗(yàn)閥軸方向,指向下游為正；垂直向?yàn)閦 軸方向,指向上方為正.三維有限元模型與渠段結(jié)構(gòu)圖如圖3、圖4所示.

圖3三維有限元模型

圖4渠段結(jié)構(gòu)圖

3.3 渠道結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

紅旗渠結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù),取水泥砂漿劣化前的初始靜彈性模量E0=1.0 GPa,標(biāo)號(hào)強(qiáng)度為10.0 MPa.參考《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[12],地震工況下,混凝土的動(dòng)彈性模量在靜態(tài)的基礎(chǔ)上提高50%.水泥砂漿與混凝土類似,這里取水泥砂漿的動(dòng)彈性模量為靜彈性模量的1.5倍.本工程采用花崗巖塊石砌筑,參考《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25—2006)[13],砌體結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度允許值為10.0 MPa,抗拉強(qiáng)度允許值為300 k Pa.

4 漿砌石渠道抗震性能研究

采用動(dòng)力時(shí)程分析法對(duì)漿砌石渠道抗震性能進(jìn)行研究.由于砂漿凍融劣化主要發(fā)生在渠道正常運(yùn)行情況下,所以計(jì)算工況考慮正常運(yùn)行加設(shè)計(jì)地震作用,荷載組合為自重、水壓力、水重、揚(yáng)壓力、土壓力及地震荷載.其中,地震動(dòng)水壓力折算為與單位地震加速度相應(yīng)的附加質(zhì)量.

4.1 地震波的選取

紅旗渠所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g.根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果,選擇兩條實(shí)測(cè)地震波和一條人工波進(jìn)行渠道地震響應(yīng)分析,即Taft波、EL波、人工波.這里給出EL 波作用下的成果,由于前20s的地震動(dòng)加速度較大,因此截取0～20s時(shí)間段的加速度曲線,對(duì)EL 波按水平地震動(dòng)加速度峰值0.1g調(diào)幅,以進(jìn)行設(shè)防地震作用下的非線性動(dòng)力時(shí)程分析,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取為0.02 s.調(diào)幅后的EL波水平向加速度時(shí)程如圖5所示.這里僅考慮最危險(xiǎn)工況,即垂直水流向地震作用.動(dòng)力分析時(shí)考慮地基質(zhì)量,采用彈簧單元和阻尼單元實(shí)現(xiàn)黏彈性動(dòng)力人工邊界.

圖5 EL-Centro地震波水平向加速度曲線

4.2 不考慮砂漿劣化效應(yīng)的渠道地震響應(yīng)特性分析

不考慮水泥砂漿劣化效應(yīng)時(shí),對(duì)漿砌石渠道進(jìn)行動(dòng)力分析.通過(guò)對(duì)渠道特征點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程曲線分析,渠道的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力隨時(shí)間的變化與地震波加速度時(shí)程曲線近似呈正相關(guān),應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在地震峰值時(shí)刻.因塊石的強(qiáng)度很高,一般漿砌石破壞均出現(xiàn)在砂漿位置,所以這里只單獨(dú)拿出砂漿的云圖進(jìn)行分析.圖6與圖7分別為地震峰值時(shí)刻渠道的最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力圖.可見(jiàn),在地震作用下,渠道底板處拉應(yīng)力較大,并在底板與邊墻交接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象.其中最大壓應(yīng)力為948.4 kPa,小于允許值10.0 MPa；最大拉應(yīng)力為332.7 k Pa,最大拉應(yīng)力大于允許值300 k Pa,不滿足承載力要求.從渠道的應(yīng)力圖來(lái)看,在設(shè)計(jì)地震作用下,渠道底板與邊墻交接處部分位置會(huì)發(fā)生抗拉破壞,但結(jié)構(gòu)整體性未遭到破壞.渠道頂部水平向的相對(duì)位移時(shí)程曲線如圖8所示.可以看出,渠頂相對(duì)位移隨時(shí)間的變化與地震波加速度時(shí)程曲線近似呈正相關(guān),水平向最大相對(duì)位移為-0.342 mm,很小,滿足安全要求.

4.3 考慮砂漿劣化效應(yīng)的渠道地震響應(yīng)特性分析

依據(jù)推出的砂漿凍融損傷劣化模型,計(jì)算紅旗渠目前劣化程度下的應(yīng)力情況(即凍融次數(shù)為216次,劣化程度為49%).考慮砂漿劣化效應(yīng)情況下,地震峰值時(shí)刻渠道的最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力及渠道頂部水平向的相對(duì)位移時(shí)程曲線,如圖9～11所示.從圖中可以明顯看出渠道底板處拉應(yīng)力較大,并在底板與邊墻交接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力主要發(fā)生在交接處.考慮砂漿劣化效應(yīng)后,渠道最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力均變?。黄渲?最大壓應(yīng)力為730.0 kPa,最大拉應(yīng)力為204.0 k Pa.渠頂水平向最大相對(duì)位移變大,為-0.397 mm.

圖9考慮砂漿劣化效應(yīng)的渠道最大壓應(yīng)力圖

圖10考慮砂漿劣化效應(yīng)的渠道最大拉應(yīng)力圖

圖11考慮砂漿劣化時(shí)渠頂相對(duì)位移時(shí)程曲線

經(jīng)分析,出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要原因是砂漿的動(dòng)彈性模量越來(lái)越小,但這并不代表砌石體安全性隨砂漿劣化而提高.根據(jù)參考文獻(xiàn)[6],隨著凍融次數(shù)增加,水泥砂漿動(dòng)彈性模量與強(qiáng)度的變化基本成正相關(guān).計(jì)算得出當(dāng)凍融次數(shù)為216次時(shí),砂漿動(dòng)彈性模量為0.765 GPa,相應(yīng)的水泥砂漿強(qiáng)度為3.37 MPa.參考《漿砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL25—2006)[13],砌體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與水泥砂漿強(qiáng)度基本成正相關(guān),見(jiàn)表3.

表3砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范

因此隨著凍融次數(shù)增加,砌體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也逐漸降低.根據(jù)換算,近似估計(jì)出紅旗渠目前劣化程度下砌體結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度,具體見(jiàn)表4.可以看出,兩種情況下渠道在地震峰值時(shí)刻的最大壓應(yīng)力均小于允許值,滿足承載力要求；但最大拉應(yīng)力均大于允許值,不滿足承載力要求.砂漿劣化程度為49%時(shí),最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力相對(duì)未劣化情況均減小,但這并不代表砌石體安全性提高.由承載力安全系數(shù)可知,由于砂漿劣化,渠道安全性降低,在設(shè)計(jì)地震作用下渠道將會(huì)發(fā)生抗拉破壞.隨著局部砂漿老化缺失,可能會(huì)造成渠道塊石的脫落,對(duì)結(jié)構(gòu)造成破壞.

表4兩種情況下渠道的主要參數(shù)結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對(duì)水泥砂漿劣化對(duì)漿砌石渠道抗震性能的影響,結(jié)合實(shí)際工程,建立了總干渠渠段三維精細(xì)有限元模型,詳細(xì)模擬了漿砌石結(jié)構(gòu),采用當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)的概念,計(jì)算得出運(yùn)行54年的紅旗渠的劣化程度,并分析研究了在此劣化程度下漿砌石渠道的動(dòng)力響應(yīng),確定了渠道的薄弱部位,得出了相應(yīng)的研究結(jié)論:

1)紅旗渠經(jīng)過(guò)54 a的運(yùn)行,當(dāng)量?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)為216次,砂漿劣化程度為49%.不考慮砂漿劣化和考慮砂漿劣化兩種情況下,渠道的最大壓應(yīng)力均在允許范圍內(nèi),但最大拉應(yīng)力均超過(guò)允許值,渠道將會(huì)發(fā)生抗拉破壞.

2)考慮砂漿劣化后,渠道在設(shè)計(jì)地震作用下的渠頂相對(duì)位移變大,最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力均減小,但相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度也隨之降低.同時(shí),渠道承載力安全系數(shù)降低,結(jié)構(gòu)整體性將會(huì)受到破壞,動(dòng)力響應(yīng)明顯變大,抗震能力顯著下降.

3)底板與邊墻交接處是漿砌石渠道的薄弱部位,需對(duì)薄弱部位進(jìn)行加固處理,以減少可能發(fā)生的局部破壞；采用壓力注入水泥砂漿的方法對(duì)劣化部位進(jìn)行填充修補(bǔ),同時(shí)在類似的漿砌石渠道設(shè)計(jì)過(guò)程中建議采用抗凍性能較好的水泥砂漿；在平時(shí)的運(yùn)行檢測(cè)中,對(duì)這些薄弱部位應(yīng)予以足夠重視.