水資源配置工程中多層襯砌結(jié)構(gòu)形式力學性能對比分析研究

張慶杰

(濟南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟南 250099)

我國較多地區(qū)水資源分布處于不均衡狀態(tài)，建設(shè)輸水隧洞與輸水干渠乃是一種重要解決措施，但在輸水工程建設(shè)過程中其面臨襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等局面，因而針對性解決輸水干渠等長距離輸水工程中襯砌結(jié)構(gòu)運營可靠性具有重要意義[1- 3]。李代茂等[4]、唐少容等[5]、何軍等[6]利用襯砌結(jié)構(gòu)離心試驗等模型試驗，開展室內(nèi)荷載狀態(tài)下襯砌結(jié)構(gòu)荷載變化分析，為襯砌結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計提供重要參考。當然根據(jù)工程實際環(huán)境下安裝相關(guān)監(jiān)測設(shè)備，獲得襯砌結(jié)構(gòu)在工程實際運營中位移、壓力等參數(shù)變化特征，一方面可及時預判襯砌結(jié)構(gòu)失效，另一方面亦可為其他工程襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計提供對比參考[7- 9]。不可忽視室內(nèi)試驗成本以及試驗結(jié)果具有各向異性，而工程實際運營中的監(jiān)測具有長期性，因而錢軍剛[10]、周祁[11]、孜木耐提·爾肯利用[12]數(shù)值仿真手段建立襯砌結(jié)構(gòu)有限元模型，加以不同荷載工況分析，獲得不同類別的襯砌結(jié)構(gòu)、不同工況、不同材料等多種耦合因素下的襯砌結(jié)構(gòu)力學特征分析，為評價最優(yōu)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要參考。本文利用有限元仿真手段分別建立雙層、三層襯砌結(jié)構(gòu)，并就之開展力學特征分析，為水資源配置工程中應(yīng)用設(shè)計提供重要計算依據(jù)。

1 項目概況

山東半島與魯西北地區(qū)水資源時空分配較不均勻，為協(xié)調(diào)山東地區(qū)水資源時空分配，現(xiàn)從大運河至山東半島地區(qū)建設(shè)輸水管道工程，并與南水北調(diào)工程相聯(lián)系，確保沿線水資源安全利用。根據(jù)初步工程踏勘調(diào)查得知，所建設(shè)輸水管道全長超過115km，按照主、次干渠建設(shè)理念，其中主干渠按照一級用水標準建設(shè)，主線段全長92km，利用已有渠道鋪設(shè)有格賓石籠，一方面提升灌區(qū)防滲性，另一方面確保水資源輸送效率；由于沿線半島地區(qū)覆蓋第四系土層較厚，地表水系發(fā)育較豐富，因而為抑制輸水過程中內(nèi)外壓影響下的水資源浪費現(xiàn)象，工程設(shè)計部門考慮采用多層襯砌結(jié)構(gòu)進行防護。利用工程現(xiàn)有資料以及襯砌結(jié)構(gòu)適用性，設(shè)計開展雙層、三層襯砌結(jié)構(gòu)輸水形式下力學特征分析。

為確保分析計算結(jié)構(gòu)可靠性，選取其中巖土層物理性質(zhì)較穩(wěn)定輸水段開展分析，該工程段設(shè)計有圓弧式輸水面，地面高程在52～108m，埋深穩(wěn)定在10～44m，最上覆土層以風化砂土為主，壓縮模量為5.2MPa，下臥土層另包括有坡積含砂粉質(zhì)黏土，土工試驗測定其滲透系數(shù)為3×10-7cm/s，測定黏結(jié)力約為15kPa，所建立的仿真模型外荷載即以上述試驗資料開展計算[13- 14]。

2 雙層襯砌結(jié)構(gòu)形式分析

2.1 模型分析

雙層襯砌結(jié)構(gòu)實質(zhì)上為復合型襯砌材料，襯砌管片采用螺栓固定在鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上，內(nèi)環(huán)直徑為4800mm，混凝土為C30混凝土，管片厚度為300mm，所采用的固定螺栓破壞強度超過450MPa，該類復合襯砌結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)如圖1所示。以三角形單元建立起雙層襯砌結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖2所示，劃分獲得單元體總數(shù)123682個，節(jié)點數(shù)89686個[15- 16]。

圖1 雙層襯砌結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)圖

圖2 雙層襯砌結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 水壓特征

根據(jù)該區(qū)段內(nèi)輸水過程中水壓變化，計算獲得雙層襯砌形式下各特征結(jié)構(gòu)上水壓分布變化，如圖3所示。從圖中管片與鋼筋混凝土的水壓變化曲線可知，在輸水渠道正常運營過程中，雙層襯砌結(jié)構(gòu)水壓歷經(jīng)“雙層共承擔-鋼筋混凝土失穩(wěn)破壞-內(nèi)襯管片失效”3個階段，

圖3 雙層襯砌結(jié)構(gòu)水壓變化特征

在運營期水壓0～0.4MPa區(qū)間，鋼筋混凝土與內(nèi)襯管片互相“配合”，兩個特征襯砌結(jié)構(gòu)分別所承擔水壓約占運營期總水壓50%左右，在運營期0.3MPa水壓時，監(jiān)測內(nèi)襯管片兩個特征截面上水壓分別為0.16MPa和0.15MPa，而與此同時在鋼筋混凝土A、B兩個特征部位上水壓分別為0.15MPa和0.14MPa，實質(zhì)上在運營期0.1～0.4MPa其間，雙層襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土、內(nèi)襯管片上承擔運營水壓占比變化幅度不超過3%，即雙層襯砌形式在該水壓運營段內(nèi)表現(xiàn)較好。當運營水壓超過0.4MPa后，鋼筋混凝土A、B截面上的水壓值顯著降低，所能承擔水壓荷載直至運營水壓達0.7MPa才降低至穩(wěn)定，僅為0.08MPa，約占總水壓10%，該運營區(qū)段內(nèi)鋼筋混凝土上水壓降低幅度超過56%；與之相對應(yīng)的是內(nèi)襯管片上水壓升高，其所承擔的水壓值逐步升高，最大水壓可達0.63MPa；分析認為該運營水壓段內(nèi)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受水壓損傷，逐步出現(xiàn)裂縫，并在運營水壓達到0.7MPa時發(fā)生失穩(wěn)破壞，在破壞的過程中可承擔的運營水壓逐步降低，導致運營水壓很大部分由內(nèi)襯管片承擔，由此導致引起第三個階段水壓變化特征。內(nèi)襯管片在第三階段由于受到過大的水壓影響，其可承擔的極限水壓不超過總水壓的80%，而在鋼筋混凝土破壞后，水壓在內(nèi)襯管片上發(fā)生壓力集中效應(yīng)，導致內(nèi)襯管片亦受到較大水壓影響而破壞。

2.3 位移特征

圖4為雙層襯砌結(jié)構(gòu)在運營期水壓增大過程中內(nèi)部裂紋發(fā)育特征。從圖中可看出，在運營水壓0.1MPa時，管片與鋼筋混凝土截面上均未出現(xiàn)裂紋，當進入水壓0.6MPa后，鋼筋混凝土上出現(xiàn)較多裂紋，且最大應(yīng)變可達1.83%，而在與此同時的管片上并無顯著裂紋發(fā)育，管片工作正常，應(yīng)變值最大僅為0.0233%；在運營水壓1MPa時，不僅鋼筋混凝土上發(fā)育有較多裂紋，且管片上裂紋發(fā)育亦較豐富，最大應(yīng)變增長了兩個兩級，達4.65%。綜上裂紋發(fā)育云圖可知，管片裂紋發(fā)育滯后于鋼筋混凝土，雙層襯砌結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞主要由鋼筋混凝土襯砌失效引起。

圖4 雙層襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋發(fā)育變化特征(從左至右依次為水壓0.1、0.6、1MPa)

為分析雙層襯砌結(jié)構(gòu)管片上位移特征，給出管片拼接處內(nèi)外位移變化量(如圖5所示)，從圖5中可看出，在運營水壓影響下，內(nèi)位移變化量持續(xù)上升，最大位移可達0.24mm，平均運營水壓增大0.1MPa，內(nèi)位移量增大了24.6%；與內(nèi)位移量增大態(tài)勢不同的是，拼接處外位移變化幅度較小，從管片拼裝完成至運營水壓1MPa其間，外位移變化了0.015mm，表明在運營水壓影響下，管片上的裂紋主要由內(nèi)位移引起，且逐步擴展延伸至雙層襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

圖5 管片拼接處內(nèi)外位移變化量

3 三層襯砌結(jié)構(gòu)形式分析

3.1 模型分析

三層襯砌結(jié)構(gòu)形式其幾何模型如圖6所示。采用差縫拼接，每個管片厚度為360mm，按照1- 2- 1型安裝至渠道斷面，內(nèi)襯鋼管與管片剛性耦合連接的方式，內(nèi)襯鋼管直徑為4800mm，設(shè)置有加勁環(huán)保護套筒與管片的粘結(jié)性，每個加勁環(huán)橫向間距為400mm，栓釘間隔200mm布設(shè)，管片與內(nèi)襯鋼管間澆筑有C30素混凝土，兩者間厚度為30mm，作為兩者間的荷載傳遞載體，因而此三層襯砌結(jié)構(gòu)形式總體可分為管片-混凝土間隔-內(nèi)襯鋼管結(jié)構(gòu)。

圖6 三層襯砌結(jié)構(gòu)幾何示意圖

3.2 水壓特征

與雙層襯砌結(jié)構(gòu)水壓變化特征分析類似，給出三層襯砌結(jié)構(gòu)水壓變化曲線，如圖7所示。從圖中襯砌結(jié)構(gòu)部位水壓變化特征可知，在水壓運營期內(nèi)，三層襯砌結(jié)構(gòu)水壓呈“線彈性-微裂紋-局部失穩(wěn)-整體失穩(wěn)”4個階段，在水壓運營期0.2MPa內(nèi)，管片、混凝土、內(nèi)襯鋼管均處于線彈性變形狀態(tài)，且以混凝土所承擔水壓力最大，在水壓運營0.1MPa時，混凝土結(jié)構(gòu)承擔了0.04MPa水壓。隨著運營期水壓增大，混凝土結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯鋼管上承擔的水壓占比減少，而管片上水壓力承擔占比遞增，該階段內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的水壓占比占比由38%降低至26%，且運營水壓平均每增長0.1MPa，混凝土結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯鋼管上水壓占比分別降低3.7%、4.3%，從該階段內(nèi)水壓變化可知，微裂紋在混凝土與鋼管上逐步產(chǎn)生，而管片上所需承擔的水壓穩(wěn)步增長。當運營水壓超過0.6MPa后，混凝土結(jié)構(gòu)上水壓陡降，其內(nèi)部裂紋快速貫通發(fā)育導致可承擔水壓降低，而由于混凝土結(jié)構(gòu)上微裂紋的貫通，內(nèi)襯鋼管上微裂紋受到較大壓密作用，進而承擔水壓增多，在運營水壓0.7MPa時，其承擔水壓可達0.29MPa，分析認為在混凝土結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)破壞過程中，內(nèi)襯鋼管起著良好的水壓承擔補充輔助作用，此一定程度上約束了管片上較大水壓的發(fā)展，運營期1MPa時管片上承擔水壓最大為0.5MPa。當運營水壓超過0.7MPa后，由于混凝土結(jié)構(gòu)已失穩(wěn)破壞，三層襯砌結(jié)構(gòu)實質(zhì)上僅剩下管片與內(nèi)襯鋼管兩個結(jié)構(gòu)，在較大的水壓影響下管片承擔了接近50%的水壓，且內(nèi)襯鋼管上水壓還在持續(xù)遞增發(fā)展，水壓對其破壞影響在運營水壓1MPa后。筆者認為，相比雙層襯砌結(jié)構(gòu)，三層襯砌結(jié)構(gòu)在混凝土結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)破壞狀態(tài)下，水壓仍在良好襯砌狀態(tài)下運營，其失穩(wěn)破壞局面要出現(xiàn)在運營期1MPa區(qū)間外，因而此優(yōu)點可確保灌渠長期處于較好的輸水狀態(tài)，襯砌效果保證了水壓穩(wěn)定。

圖7 三層襯砌結(jié)構(gòu)水壓變化特征

3.3 位移特征

圖8為三層襯砌結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)與管片在運營期水壓作用下裂紋發(fā)育狀態(tài)。從圖中可看出，在運營期水壓0.6MPa時，混凝土結(jié)構(gòu)上應(yīng)變值達0.55%，局部裂紋已發(fā)育較多，特別是在運營期水壓1MPa時，混凝土斷面頂、底部均已出現(xiàn)顯著張拉破壞，裂紋發(fā)育較多，且張拉變形所產(chǎn)生的裂紋占總裂紋接近90%；相比之下，在0.6MPa運營期水壓前，管片上并無顯著裂紋分布，表明管片在運營期水壓作用下，裂紋的發(fā)育進展較慢，管片處于較安全襯砌狀態(tài)，此亦印證了前述表明三層襯砌結(jié)構(gòu)的安全襯砌有效期較長的觀點。

圖8 三層襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋發(fā)育變化特征(從左至右依次為水壓0.1、0.6、1MPa)

根據(jù)拼接處位移量特征，獲得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)、外位移量變化曲線，如圖9所示。從圖中混凝土內(nèi)、外位移變化可知，混凝土外位移的快速增長發(fā)生在運營期水壓0.7MPa后，而內(nèi)位移全過程均較穩(wěn)定，僅在運營期水壓1MPa后位移上升至最大，達0.08mm。分析混凝土的位移量特征可知，混凝土外位移的擴展，而導致鋼管與管片上承擔的水壓增大，且其在運營水壓1MPa下仍具有位移增長能力，表明三層襯砌結(jié)構(gòu)形式中混凝土的破壞并不是一蹴而就，而是處于長期緩慢破壞的過程。從工程安全應(yīng)用角度考慮，山東半島地區(qū)輸水工程襯砌結(jié)構(gòu)選擇三層襯砌形式更具安全使用價值。

圖9 混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)、外位移量變化

4 結(jié)語

(1)雙層襯砌結(jié)構(gòu)水壓變化呈“雙層共承擔-鋼筋混凝土失穩(wěn)破壞-內(nèi)襯管片失效”三階段特征，鋼筋混凝土在水壓0.7MPa發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(2)雙層襯砌結(jié)構(gòu)中管片上最大應(yīng)變相比拼裝完成時增大了3個量級，且管片裂紋發(fā)育滯后于鋼筋混凝土；水壓增大0.1MPa，管片拼接處內(nèi)位移量平均增大24.6%。

(3)三層襯砌結(jié)構(gòu)水壓呈“線彈性-微裂紋-局部失穩(wěn)-整體失穩(wěn)”四個階段，混凝土局部失穩(wěn)狀態(tài)下，襯砌結(jié)構(gòu)仍具有良好襯砌效果。

(4)三層襯砌結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)育有較多張拉裂紋，占比總裂紋超過90%，管片上裂紋發(fā)育進展較緩慢；其破壞處于長期緩慢過程。