在役大型石拱渡槽安全性評(píng)價(jià)與病害治理研究

廉前進(jìn) 張艷 尚峰

摘 要：結(jié)合某在役大型石拱渡槽工程實(shí)例，在借鑒橋梁結(jié)構(gòu)及類水工建筑物評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，依據(jù)石拱渡槽結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析、靜力分析、動(dòng)力分析三位一體的分析方法，對(duì)該在役大型石拱渡槽工程安全性及病害機(jī)理進(jìn)行了全面綜合分析，并給出了有針對(duì)性的病害治理方案。指出：結(jié)合石拱渡槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)全面布置檢測(cè)與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的全新檢測(cè)分析評(píng)價(jià)方案，可從整體到局部、外部到內(nèi)部充分分析渡槽病害產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)石拱類渡槽具有普遍適用性。

關(guān)鍵詞：石拱渡槽;工程檢測(cè);數(shù)值模擬;動(dòng)力分析;病害分析

Abstract：Based on the evaluation of bridge structure and similar hydraulic structures and the characteristics of stone arch aqueduct structure， the safety and disease mechanism of a large-scale stone arch aqueduct in service were studied by using the trinity analysis method of field test analysis， static analysis and dynamic analysis. A comprehensive and inclusive analysis was conducted. It is pointed out that the structural analysis and the evaluation plan of the stone arch aqueduct， which combining comprehensive testing with numerical simulation analysis， can fully analyze the aqueduct disease generation mechanism from the whole to the local and from the external to the internal. This method has universal applicability to stone arch aqueducts.

Key words： stone arch aqueduct; engineering inspection; numerical simulation; dynamic analysis; disease analysis

渡槽作為常見(jiàn)的輸水建筑物，不僅可以發(fā)揮城鎮(zhèn)生活用水、工業(yè)用水的跨流域、跨地區(qū)調(diào)配作用，還可以達(dá)到排洪、導(dǎo)流的目的。渡槽在建成投入使用后，隨著時(shí)間的推移，在荷載及惡劣環(huán)境作用下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生病害損傷。根據(jù)相關(guān)資料，對(duì)我國(guó)195處大型灌區(qū)10 213座渡槽調(diào)查分析顯示，其中：2 882座嚴(yán)重病害老化，973座已經(jīng)失效，683座已完全報(bào)廢。隨著時(shí)間的發(fā)展，渡槽工程病害老化問(wèn)題日趨嚴(yán)重。20世紀(jì)50年代初期我國(guó)建設(shè)的渡槽多用木、石結(jié)構(gòu)，其中石拱結(jié)構(gòu)渡槽最為常見(jiàn)，是當(dāng)今渡槽病害最為嚴(yán)重的一種類型。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者針對(duì)渡槽病害采用新技術(shù)和方法進(jìn)行了研究。潘洪科等[1]結(jié)合某大型渡槽工程實(shí)例，對(duì)渡槽進(jìn)行了工程檢測(cè)、評(píng)價(jià)與病害處理并結(jié)合檢測(cè)信息進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，提出了相應(yīng)的治理方案。Suarez等[2]對(duì)阿爾罕布拉渡槽進(jìn)行幾何建模，通過(guò)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)概率幾何定義，研究了渡槽崩潰風(fēng)險(xiǎn)概率，并優(yōu)化了拱截面的厚度。陳國(guó)昕[3]對(duì)西安市黑河輸水渠道渡槽進(jìn)行檢測(cè)、分析，提出了合理的處理方案。李華強(qiáng)[4]針對(duì)引沁灌區(qū)咽喉工程?hào)|方紅渡槽，闡述了丙乳砂漿與碳纖維技術(shù)在渡槽加固中的運(yùn)用。李斌等[5]通過(guò)檢測(cè)渡槽混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層中鐵離子含量推斷鋼筋的銹蝕程度，并對(duì)銹蝕檢測(cè)儀的有效性進(jìn)行了研究。馬斌等[6]針對(duì)南水北調(diào)工程中渡槽混凝土裂縫問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)裂縫的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了論述，并針對(duì)不同形式的裂縫提出了相應(yīng)的處理措施。李小東等[7]針對(duì)大型灌區(qū)，介紹了明渠混凝土襯砌的施工方法，通過(guò)分析長(zhǎng)距離混凝土明渠襯砌施工中存在的問(wèn)題，探討了渠道混凝土襯砌施工方案和質(zhì)量控制措施。雷宇[8]對(duì)水工混凝土建筑物病害檢測(cè)與修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行了分析與探討。練偉東等[9]分析了水工混凝土建筑物的病害成因，對(duì)常見(jiàn)的混凝土病害和滲漏問(wèn)題防治措施進(jìn)行了詳細(xì)分析。洪華[10]對(duì)圬工拱橋病害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行全面、深入剖析，總結(jié)出圬工拱橋可能產(chǎn)生的各種病害，并對(duì)每種病害可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳盡闡述，探討了拱橋加固相關(guān)理論。陸采榮等[11]結(jié)合南水北調(diào)中線工程中三個(gè)主要渡槽，提出了適合于上述工程的高性能混凝土原材料品質(zhì)控制指標(biāo)。以上檢測(cè)分析方案都是針對(duì)混凝土渡槽的，目前尚缺少一種針對(duì)大型石拱類渡槽的完整檢測(cè)分析方案。本文基于引沁灌區(qū)新愚公渡槽，在借鑒橋梁結(jié)構(gòu)及類水工建筑物評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，依據(jù)石拱渡槽結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析、靜力分析、動(dòng)力分析方法，研究確立一套完整的石拱渡槽整體健康評(píng)價(jià)方案，以期從根源上分析石拱渡槽病害機(jī)理，并針對(duì)病害給出相應(yīng)的治理措施。

1 工程概況及檢測(cè)情況

1.1 工程簡(jiǎn)介

新愚公渡槽位于蟒河支流五指河中上游的李八莊村附近，是引沁總干渠上最長(zhǎng)的一座渡槽，全長(zhǎng)648 m，設(shè)計(jì)縱坡1/750，設(shè)計(jì)流量16.2 m3/s，整個(gè)渡槽為石拱結(jié)構(gòu)，渡槽共有42孔，其中：跨度為15 m的有21孔，10 m的有14孔，8.5 m的有1孔，6 m的有6孔。最大跨度為15 m，最大高度為24 m，另在15 m跨兩孔間設(shè)肋孔21孔，41個(gè)中墩寬1.5～6.0 m。新愚公渡槽于1966年11月開工，到1968年10月竣工，經(jīng)過(guò)50 a的運(yùn)行，渡槽多處出現(xiàn)了不同程度的病害（裂縫、漏水、混凝土脫落及鐵柵欄嚴(yán)重銹蝕等）。

1.2 拱圈檢測(cè)

對(duì)渡槽全長(zhǎng)范圍進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)裂縫寬度進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)的病害統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表1和相關(guān)檢測(cè)結(jié)果，渡槽拱圈漏水現(xiàn)象較為嚴(yán)重，拱圈上出現(xiàn)了寬度為1.3～4.2 mm的裂縫，裂縫最大長(zhǎng)度超過(guò)2 m，已影響到渡槽的安全穩(wěn)定運(yùn)行，急需進(jìn)行加固處理。

1.3 槽墩檢測(cè)

渡槽設(shè)1#～43#共43個(gè)槽墩，槽墩寬度為1.5～6.0 m。部分槽墩問(wèn)題較為嚴(yán)重，裂縫較寬而且較長(zhǎng)，亦有個(gè)別砌石被壓裂，存在貫通裂縫。其中12#槽墩全部為濕潤(rùn)狀態(tài)，說(shuō)明12#槽墩以上槽身漏水較為嚴(yán)重;13#槽墩上部設(shè)有肋孔，肋孔上部裂縫一直延伸至槽身位置，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)該已引起槽身開裂，使其出現(xiàn)滲水漏水現(xiàn)象;14#槽墩的角部砌石存在明顯的豎向裂縫，17#槽墩的側(cè)面砌石內(nèi)部存在較為明顯的水平裂縫，如果是單獨(dú)的砂漿裂縫，則可認(rèn)為是渡槽長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的老化以及水流的侵蝕造成的，在后續(xù)處理時(shí)僅對(duì)砂漿進(jìn)行合理的治理即可，但槽墩砌石自身出現(xiàn)豎向裂縫和水平裂縫，說(shuō)明渡槽基礎(chǔ)存在一定的位移，產(chǎn)生了一定的錯(cuò)動(dòng)，應(yīng)提出合理的診治方案。

1.4 砂漿強(qiáng)度檢測(cè)

經(jīng)過(guò)50 a的運(yùn)行，新愚公渡槽的砌石砂漿存在一定的老化，為了研究其當(dāng)前的強(qiáng)度，依據(jù)《貫入法檢測(cè)砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 136—2017），使用SJY-800B貫入式砂漿強(qiáng)度檢測(cè)儀對(duì)渡槽的砂漿強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。貫入儀貫入力為800±8 N;工作沖程為20±0.1 mm;數(shù)字測(cè)量尺量程為0～20.00 mm;測(cè)釘長(zhǎng)度為40 mm，測(cè)釘直徑為3.5 mm;量規(guī)槽長(zhǎng)度為39.5 mm。針對(duì)該渡槽的情況，選取了6個(gè)槽墩（13#、17#、24#、27#、28#和29#）進(jìn)行砂漿強(qiáng)度檢測(cè)，部分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

1.5 槽身檢測(cè)

通過(guò)對(duì)渡槽槽體進(jìn)行查驗(yàn)和檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)槽身內(nèi)側(cè)存在較多的貫通裂縫，而且裂縫寬度較大，漏水、滲水問(wèn)題嚴(yán)重，已影響到渡槽的正常運(yùn)行。

1.6 鋼筋混凝土面層

渡槽已運(yùn)行50 a，鋼筋混凝土面層老化問(wèn)題較為嚴(yán)重，面層混凝土裂紋較多，而且脫落問(wèn)題嚴(yán)重，部分鋼筋已外露，銹蝕嚴(yán)重。

2 整體力學(xué)分析

2.1 渡槽靜力分析

新愚公渡槽工程建設(shè)年代較早，為了更準(zhǔn)確地對(duì)渡槽力學(xué)特性進(jìn)行分析，本文采用大型商用有限元軟件Midas FEA對(duì)其進(jìn)行模擬。整個(gè)模型采用Midas FEA實(shí)體單元建模，模型計(jì)算區(qū)域共剖分了210 259個(gè)單元，942 396個(gè)節(jié)點(diǎn)。靜力分析采用彈性計(jì)算方法，材料力學(xué)參數(shù)如下：Mu30塊石抗壓強(qiáng)度為3.59 MPa，彈性模量為7.3 GPa，泊松比為0.3，重度為24 kN/m3。對(duì)渡槽拱圈進(jìn)行編號(hào)，全橋模型見(jiàn)圖1，部分區(qū)域離散模型見(jiàn)圖2。

計(jì)算荷載為重力及重力與水壓力組合荷載，由于全橋過(guò)長(zhǎng)，因此除整體分析外還選取8個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行了細(xì)部分析，這里僅列出組合荷載工況下部分典型區(qū)域位移云圖及第三主應(yīng)力云圖，如圖3和圖4所示。

計(jì)算結(jié)果表明：組合荷載作用下渡槽位移和應(yīng)力分布規(guī)律與重力單獨(dú)作用下的渡槽彈性計(jì)算結(jié)果相似，但是在量值上有所增大。渡槽在組合荷載作用下與重力荷載單獨(dú)作用下相比，x方向

最大位移由0.21 mm增大到0.30 mm，y方向最大位移由0.14 mm增大到0.20 mm，z方向最大位移由1.15 mm增大到1.66 mm，第一主應(yīng)力最大值由0.46 MPa增大到0.66 MPa，第三主應(yīng)力最大值由1.52 MPa增大到2.19 MPa，這說(shuō)明水壓力的影響較明顯。渡槽10號(hào)區(qū)域左右兩側(cè)拱圈變化較明顯，墩柱基礎(chǔ)部位產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，在組合荷載作用下石拱圈z方向位移在整體分析中最大，且該區(qū)域石砌拱圈下面是道路，應(yīng)適當(dāng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行加固和加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2.2 渡槽動(dòng)力分析

據(jù)規(guī)范《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB35047—2015）中13.1.1條規(guī)定，設(shè)計(jì)烈度為7度及7度以上時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮順橋向、橫橋向和豎向地震作用;13.1.2條規(guī)定，對(duì)于1級(jí)渡槽，應(yīng)建立考慮相鄰結(jié)構(gòu)和邊界條件影響的三維空間模型，采用動(dòng)力法進(jìn)行抗震分析，對(duì)于2級(jí)渡槽，可對(duì)渡槽和其上部槽身結(jié)構(gòu)分別按懸臂梁和簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)單獨(dú)采用動(dòng)力法進(jìn)行抗震分析;13.1.5條規(guī)定，渡槽的動(dòng)力分析一般可采用振型分解反應(yīng)譜法求解，對(duì)于1級(jí)渡槽，應(yīng)用時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算。新愚公渡槽設(shè)計(jì)流量為16.2 m3/s，根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252—2017）中4.7.1條規(guī)定，該渡槽級(jí)別為2級(jí)，但是新愚公渡槽工程建設(shè)年代較早，為了更為全面地分析新愚公渡槽的動(dòng)力特性，確保其在地震動(dòng)作用下的安全性，對(duì)新愚公渡槽按1級(jí)渡槽進(jìn)行了動(dòng)力計(jì)算，即對(duì)新愚公渡槽進(jìn)行了反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法雙重驗(yàn)算。

2.2.1 反應(yīng)譜法

本文所采取的地震影響系數(shù)曲線如圖5所示。

抗震烈度基本參數(shù)：設(shè)防烈度為7度（加速度為0.10g），斜率調(diào)整系數(shù)為0.02，阻尼調(diào)整系數(shù)為1.0，曲線衰減指數(shù)為0.90，地震調(diào)整系數(shù)為2.20，峰值加速度為0.220g;反應(yīng)譜最大值Smax=2.25a=0.50g（其中a為地震影響系數(shù)）。

反應(yīng)譜法分析只考慮結(jié)構(gòu)在加速度反應(yīng)譜激勵(lì)下的應(yīng)力變形情況，重力荷載代表值取恒載。采用多重Ritz向量法分析特征值，分別在地面加速度x、y、z方向各添加30條Ritz向量，計(jì)算渡槽前90階模態(tài)，保證結(jié)構(gòu)振型參與質(zhì)量大于總質(zhì)量的90%，采用CQC法進(jìn)行震型疊加。分別考慮渡槽順槽向x、橫橋向y、垂直橋向z 3種工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)。

結(jié)果顯示：在y向激勵(lì)下渡槽整體響應(yīng)y方向位移最大，達(dá)到5.82 mm，發(fā)生在21號(hào)區(qū)域渡槽側(cè)墻處，這說(shuō)明該區(qū)域渡槽的側(cè)向剛度較小;采用反應(yīng)譜法進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，橫向地震波激勵(lì)下渡槽位移和加速度偏大，加速度峰值和位移最大值均出現(xiàn)在渡槽中部，與水荷載作用下的縱向應(yīng)力疊加非常不利，為確保渡槽結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)對(duì)渡槽中部進(jìn)行加固和加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2.2.2 時(shí)程分析法

時(shí)程分析法在數(shù)學(xué)上稱步步積分法，抗震設(shè)計(jì)中也稱為“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)”。通過(guò)積分運(yùn)算求得在地面加速度隨時(shí)間變化期間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形狀態(tài)變化全過(guò)程，并以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震承載力驗(yàn)算和變形驗(yàn)算。

由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）可知，選擇輸入的地震加速度時(shí)程曲線應(yīng)滿足地震動(dòng)三要素，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間均應(yīng)符合要求。本文采用調(diào)整后的EI-Centro南北向地震波、T1-I-3波及一條人工模擬地震波Sfs_48_w波進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由分析計(jì)算結(jié)果可知：

（1）采用時(shí)程法進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，在3種地震波作用下位移和加速度變化規(guī)律基本一致。在x方向激勵(lì)下，EI-Centro波x向位移最大，最大值達(dá)到-4.15 mm;在y方向激勵(lì)下，Sfs_48_w波y向位移最大，最大值達(dá)到13.77 mm;在z方向激勵(lì)下，Sfs_48_w波z向位移最大，最大值達(dá)到-2.54 mm。可見(jiàn)y方向側(cè)向位移偏大。

（2）采用時(shí)程法進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，在x方向激勵(lì)下，EI-Centro波x向速度和加速度隨時(shí)間變化，峰值發(fā)生在2.62 s時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)編號(hào)189 670，量值分別為-0.18 m/s和8.89 m/s2;在y方向激勵(lì)下，Sfs_48_w波y向速度和加速度隨時(shí)間變化，峰值發(fā)生在3.44 s時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)編號(hào)161 549，量值分別為-0.42 m/s和-14.23 m/s2;在z方向激勵(lì)下，Sfs_48_w波z向速度和加速度隨時(shí)間變化，峰值發(fā)生在4.92 s時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)編號(hào)24 459，量值分別為-0.16 m/s和-14.25 m/s2。

（3）不同工況和不同計(jì)算方案所得的規(guī)律基本一致，整體而言，動(dòng)位移比較大的部位在渡槽的中部、槽體邊墻和立柱，但時(shí)程法計(jì)算的位移結(jié)果偏大?？偟膩?lái)講，在地震烈度為7度條件下應(yīng)力和位移較小，渡槽結(jié)構(gòu)是安全的。

（4）取渡槽首部、中部、尾部三個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行位移與加速度以及速度與加速度隨時(shí)間變化的分析，從結(jié)果可以看出，在EI-Centro波3個(gè)方向激勵(lì)下，9～11號(hào)區(qū)域和20～22號(hào)區(qū)域位移、速度及加速度值圴較大。

3 加固處理方案

通過(guò)對(duì)新愚公渡槽進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，針對(duì)目前渡槽存在的病害，擬采取如下治理措施。

（1）對(duì)于護(hù)欄，采取全部更換的辦法，原新愚公渡槽只在一側(cè)設(shè)置了護(hù)欄，出于對(duì)渡槽維護(hù)管理過(guò)程中安全性的考慮，建議在渡槽兩側(cè)均設(shè)置護(hù)欄。

（2）新愚公渡槽為明渠輸水，渡槽兩側(cè)用鋼筋混凝土面板進(jìn)行連接，但鋼筋混凝土面板老化嚴(yán)重，混凝土大面積脫落，鋼筋裸露而且銹蝕嚴(yán)重。對(duì)于槽身混凝土剝蝕或剝落較嚴(yán)重的部位，可先鋪上一層較薄的水泥砂漿，再以防碳化材料涂刷（如CPC涂料、WSP涂料、TB-混凝土寶涂料等，皆是較好的防碳化涂料）。

（3）根據(jù)原伸縮縫止水結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，結(jié)合以往在役渡槽伸縮縫處理工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)充分研究，采取的處理措施為對(duì)原渡槽止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部清除，將原伸縮縫兩側(cè)混凝土切割成矩形凹槽，縫內(nèi)嵌壓SR塑性止水材料及表面黏貼SR蓋片，并用膨脹螺栓把壓條固定，最后用水泥、砂和903聚合物混合抹平，砂漿設(shè)置誘導(dǎo)縫，用彈性聚氨酯密封膠填充。

（4）采用碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)處理渡槽槽身滲漏。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)是將高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合片材，將片材用專用環(huán)氧樹脂膠黏貼在結(jié)構(gòu)外表面受拉或有裂縫部位，固化后與原結(jié)構(gòu)形成統(tǒng)一整體。這樣碳纖維可與原結(jié)構(gòu)共同受力，分擔(dān)部分荷載，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)得到補(bǔ)強(qiáng)加固。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）針對(duì)在役大型石拱渡槽提出了一套高效且簡(jiǎn)易的運(yùn)營(yíng)檢測(cè)方案，分析石拱渡槽的材料力學(xué)性能。

（2）采用大型商用有限元軟件Midas FEA對(duì)渡槽進(jìn)行了模擬，對(duì)不同荷載工況下渡槽靜力及動(dòng)力反應(yīng)特性進(jìn)行了分析。將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果相結(jié)合，綜合分析了渡槽病害產(chǎn)生的原因，對(duì)渡槽現(xiàn)役狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，并針對(duì)渡槽存在的病害，給出了治理方案。

（3）結(jié)合石拱渡槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)全面進(jìn)行檢測(cè)，并與數(shù)值模擬分析相結(jié)合的分析評(píng)價(jià)方案可從整體到局部、外部到內(nèi)部充分分析渡槽病害產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)石拱類渡槽具有普遍適用性。

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