新疆克拉瑪依風克干渠4#渡槽反演地基沉降三維有限元計算分析

何 帥，吳俊杰

(1.新疆水利電力建設總公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.水利部新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆克拉瑪依地區(qū)地處新疆西北的準噶爾盆地的西北緣，是一座現(xiàn)代化的石油工業(yè)城市。由于地處沙漠邊緣，該地區(qū)干旱、少雨、風沙大，氣候條件十分惡劣[1- 3]。新疆引水工程的建設運行解決了克拉瑪依的工農業(yè)生產和城鎮(zhèn)人民生活的用水問題。但在運行管理過程中，部分構筑物存在材料劣化、結構變形等與結構耐久性、安全性相關的缺陷[4- 8]。由于本工程4#渡槽在解決輸水任務中起到了關鍵作用，同時運行時間超過20年渡槽各個段結構縫部位出現(xiàn)了較大的不均勻沉降變形，導致長時間漏水，因此，本次任務是對風克干渠4#渡槽結構、基礎安全進行評價。

本工程基礎正是位于侏羅系紫紅色泥巖、砂巖地層內，該處存在季節(jié)性洪水及渡槽常年漏水下滲，對于軟巖而言，面臨最大的問題是遇水軟化，導致基礎出現(xiàn)不均勻沉降。由于軟化后試件的室內壓縮試驗的條件與現(xiàn)場實際條件相差較大，導致室內試驗得到的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)一般比實際值偏小，而壓縮模量則偏大，這樣就造成了采用室內壓縮指數(shù)和壓縮模量計算的最終沉降量比實測沉降量要小。目前，還沒有很好的方法從理論上對室內試驗得到的壓縮指標進行合理的修正，而現(xiàn)場實測沉降數(shù)據(jù)則較真實地反映了地基土層的變形特征[9- 12]。本文將利用實測的沉降數(shù)據(jù)來反算地基軟化后巖層的各項指標參數(shù)，為評價一些老的水利工程結構安全性提供依據(jù)。

1 工程概況

本工程位于福?？h至克拉瑪依市中間段。需要利用三維有限元方法計算的風克干渠4#渡槽距克拉瑪依市以東約30km，長約300m，鋼筋混凝土結構，出露巖性為侏羅系紫紅色泥巖、砂巖，為Ⅳ圍巖，混凝土設計強度為C25。根據(jù)風克干渠4#渡槽根據(jù)監(jiān)測資料及現(xiàn)場情況，以及渡槽基礎所處的巖性及環(huán)境位于沖溝段，該段渡槽為混凝土條形基礎，由于侏羅系軟巖具有親水膨脹，濕化崩解，承載力較低等特點，加之溝底的季節(jié)性洪流及降水、降雨對建筑物基礎的影響，侏羅系泥巖、砂巖基礎承載力建議值0.8～1.0MPa，遇水承載力降低。由于4#渡槽沒有觀測設施，2008年生產技術科安排布置了24個沉降觀測點(膨脹螺絲)，并在渡槽兩端布置兩個固定樁，用于觀測。當年沒有測絕對沉降量，測得相對沉降量最大70mm，最小3mm。2013年3月18日相關技術人員測得相對沉降量最小2mm，最大69～73mm。詳見風克干渠4#渡槽變形監(jiān)測記錄表1，4#渡槽現(xiàn)場照片如圖1所示。

4#渡槽位于IV區(qū)(91+485.3—91+785.3m)，全長300m。該處地形起伏較大，沖溝底寬80m，高程393，深6～8m，溝坡坡度約15°溝底覆蓋層厚1～3m，兩溝坡屬于侏羅系灰綠-紫紅色泥巖，砂巖。據(jù)對同類地層的勘探，分析強風化層深度5～8m。

圖1 4#渡槽現(xiàn)場照片

由于侏羅系軟巖工程特性中具有親水膨脹，濕化崩解，承載力較低等諸多不利因素。弱風化砂巖的干密度為2080kg/m3，干抗壓強度1.43～2.35MPa，飽和抗壓強度為0.12～0.35MPa，干抗剪強度40°，黏聚力為1.1MPa，彈性模量為0.76～0.88GPa，變形模量為0.55 ～0.67GPa，渡槽基礎放在強風化巖體的下部，基礎承載力為0.4MPa。

本次模擬的4#渡槽縱橫剖面結構圖如圖2所示。

2 有限元計算模型

2.1 幾何建模

幾何建模主要通過Autodesk Inventor建立三維參數(shù)化渡槽模型。主要方法是利用參數(shù)化文件控制各個子模型，之后將子模型拼裝成一個整體模型，用于后續(xù)計算。建立好的實體幾何模型輸出為*.sat文件導入有限元軟件，導入之后為實體模型，通過幾何劃分將不可劃分的實體模型變?yōu)榭梢詣澐志W格的模型，賦予材料屬性、設置輸出變量，具體模型如圖3—4所示。

2.2 邊界條件、網格劃分

邊界條件及約束條件是對計算結果影響較大的因素，但一般的靜力彈塑性計算邊界及約束條件較為明確，模型底部約束X，Y，Z三個方向位移，渡槽順河向限制X向位移，垂直渡槽方向限制Y向位移，具體模型如圖5—6所示。渡槽共6段，渡槽網格個數(shù)為37080個，節(jié)點數(shù)為53712。地基和排架網格單元為78020個，節(jié)點數(shù)為91207個，全部網格一共115100個，采用一臺服務器進行計算。

2.3 計算工況及荷載

本次計算采用靜三維有限元法反演地基變形以及承載力情況，主要從目前提供資料來看，地基沉降比較明顯，最為明顯的兩個地方是2- 2～3- 1段沖溝以及第5段渡槽槽身比較明顯，控制工況為運行工況。

圖2 4#渡槽縱橫剖面結構圖(單位：mm)

圖3 4#渡槽、排架、基礎三維實體有限元模型

圖4 4#渡槽、排架三維實體有限元模型

圖5 4#渡槽、排架、基礎三維有限元網格模型

圖6 4#渡槽、排架三維有限元網格模型

本次計算結構以上的主要荷載有：初始地應力、結構自重、水荷載、風荷載。

永久荷載：結構自重(鋼筋混凝土襯砌自重)，荷載分項系數(shù)1.0。

可變作用(荷載)：水荷載、風荷載。

設計流量水深1.73m，加大流量水深2.00m。依據(jù)GB50009—2001《建筑結構荷載規(guī)范》，垂直于建筑物表面上的風荷載標準值應按下式計算：

wk=βzμsμzwo

(1)

式中，wk—風荷載標準值，kN/m2；βz—高度Z處的風振系數(shù)；μs—風荷載體型系數(shù)；μz—風壓高度變化系數(shù)；wo—基本風壓，kN/m2。

現(xiàn)將單段10m渡槽風壓力計算過程列于表1中，水平荷載計算過程見表2。

3 渡槽三維計算成果分析

通過反復組合地基材料參數(shù)反演渡槽與地基沉降值，擬合可知有限元計成果與2013、2014、2015年的成果擬合度為92%，基本可以認為反演成果已經接近實測值，具體計算參數(shù)見表1。

從圖7—8可以得知，在沖溝兩岸處豎向位移比較大，最大豎向位移值在第5段渡槽基礎處為7.07cm，其次是第2段和第3段渡槽地基處，最大豎向位移值為3.90cm，地基反演材料參數(shù)見表3，地基沉降反演成果見表4。從表4可以得知，第5段渡槽基礎處和第2段和第3段渡槽地基處的強度衰減最大分別達到90%和94%，由于沖溝內是侏羅系軟巖工程特性中具有親水膨脹，濕化崩解，承載力較低，當下雨或發(fā)生季節(jié)性洪水時，邊坡兩側雨水匯集與第2段和第3段渡槽地基處和第5段渡槽基礎處，之后下滲使得該處地基濕化崩解承載力較低導致地基剛度衰減，最終使得基礎發(fā)生沉降，地基軟化從而使得渡槽跟隨基礎一起沉降。

表1 單段10m每段渡槽風壓力計算表

表2 水平向荷載計算表

圖7 渡槽三維槽身豎向位移云圖(單位：m)

圖8 渡槽、地基沉降反演成果云圖(單位：m)

表3 地基反演材料參數(shù)表

表4 地基沉降反演成果表

圖9為運行工況渡槽槽身拉應力云圖從中可以得知，渡槽兩段屬于懸挑式，中間屬于簡支梁，在運行工況時渡槽兩端由于是懸挑在外的，那么渡槽懸挑根部上表面拉應力很大，最大值為1.123MPa小于C25混凝土的抗拉強度1.27MPa，渡槽槽身結構抗拉性能滿足要求。

圖9 運行工況渡槽三維槽身拉應力云圖(變形放大1000倍，單位：Pa)

圖10是運行工況渡槽基礎地基反力及豎向位移云圖，從該圖可以得知渡槽基礎的地基反力，通過抗滑穩(wěn)定計算可以得知渡槽的抗滑穩(wěn)定任然滿足規(guī)范要求，具體過程見表5。

圖10 運行工況渡槽基礎地基反力及豎向位移云圖(單位：m)

表5 抗滑穩(wěn)定計算表

4 結語

(1)渡槽竣工后由于人為因素監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)，監(jiān)測資料不是特別準確，但是通過擬合基本可以看出渡槽的變形規(guī)律，通過反復組合地基材料參數(shù)反演渡槽地基沉降值，基本可以認為反演成果已經接近實測值。

(2)在現(xiàn)有實測資料下，通過反演渡槽的最大豎向位移值在第5段渡槽基礎處為7.07cm，其次是第2、3段渡槽地基處，最大豎向位移值3.90cm，據(jù)推測可能由于沖溝內的地基基礎是侏羅系軟巖，該軟巖具有親水膨脹、濕化崩解、承載力較低的特性，當下雨或發(fā)生季節(jié)性洪水及結構縫隙長期外滲水留向沖溝時，邊坡兩側雨水匯集于第2、3、5段渡槽基礎處，之后一部分水份蒸發(fā)，絕大部分下滲，使得侏羅系軟巖地基濕化崩解，承載力降低，最終使得基礎發(fā)生沉降，每處地基軟化程度不一樣從而使得渡槽跟隨基礎一起發(fā)生不均勻沉降，渡槽結構縫發(fā)生豎向、張拉以及緊縮變形。

(3)運行工況渡槽槽身拉應力云圖中可以得知，渡槽兩段屬于雙懸臂式等跨渡槽，中間屬于簡支梁，在運行工況時渡槽兩端是懸挑在外，那么渡槽懸挑根部上表面拉應力很大，最大值為1.123MPa，小于C25混凝土的抗拉強度1.27MPa，渡槽槽身結構抗拉性能滿足要求。

(4)通過抗滑穩(wěn)定計算可以得知在目前情況下渡槽的抗滑穩(wěn)定任然滿足規(guī)范要求。

(5)由于渡槽基礎較大，計算出目前地基最大壓應力仍然小于地基容許承載力。第4、5、6段渡槽基礎處交界處和第2、3段渡槽地基交界處偏心距快接近臨界值，如不對地基進行處理后期水流繼續(xù)下滲，可能導致地基繼續(xù)不均勻沉降，影響渡槽的運行安全。