某長距離輸水渠道工程隧洞抗震安全性研究

傅 柯，周八軍

（西安水務（集團）黑河輸水渠道管理有限公司，陜西西安 710061）

引言

20世紀70年代末，日本學者針對軟土層隧道和成層土抗震問題，先后提出了應變傳遞法、反應位移法，豐富了地下結構抗震研究方法[1]。我國的地下結構抗震研究工作開展已久，但相關設計方法幾乎都在1980年以后才被列入相關規(guī)范之中。目前我國現(xiàn)行涉及地下工程的設計規(guī)范多數(shù)仍采用了基于地面建筑抗震設計的擬靜力方法，但運用該方法計算得到的結果與實際地震發(fā)生時的結構動力響應存在較大差異。輸水隧洞作為典型的地下工程結構體，其地震響應分析方法和前述其他形式的地下結構的研究方法基本相同[2]。

某長距離輸水渠道隧洞工程通水運行三十余年，建設期未考慮引入安全監(jiān)測系統(tǒng)，自工程運行至今，受城市供水需求影響，從未進行過抗震安全性能評估。為進一步掌握工程本體結構安全現(xiàn)狀，有必要利用停水時機，在人工調(diào)查的基礎上，采用有限元結構分析軟件Midas/FEA從抗震承載力驗算、隧洞內(nèi)水壓力計算、反應位移法抗震計算、地震組合工況下內(nèi)力、地震組合工況下剪力、地震組合工況下彎矩等指標角度對影響隧洞結構地震響應的關鍵因素以及結構的抗震薄弱部位進行安全性分析研究，詳細了解隧洞抗震結構安全現(xiàn)狀，為后期及時建立安全監(jiān)測系統(tǒng)提供理論數(shù)據(jù)及現(xiàn)實依據(jù)，同時為管理單位科學管護隧洞工程提供理論支撐。

1 研究背景

1.1 工程概況

某長距離輸水渠道工程自藺家灣匯流池起，自西向東跨越五個行政區(qū)，全長122km。渠首匯流池引水高程510.2m，末端出口高程460.5m，渠道比降1/2 500，為重力自流輸水。渠線沿秦嶺北麓坡腳和山前洪積扇而行，沿途橫跨就峪、田峪、澇峪、灃峪等河流，溝道70余條，穿越神禾、少陵等黃土塬，主要建筑物60余座。穿越山梁或高地時采用隧洞通過，進出口選在圍巖比較穩(wěn)定的區(qū)域，便于和其他建筑物銜接。其中隧洞工程占渠道總長25%，比降1/2 500，斷面形式分為3.4×4.1m蛋型斷面、3.1×4.0城門洞型斷面、2.7×2.7m馬蹄型斷面、2.5×2.5m馬蹄型斷面，穿越介質(zhì)巖性分為石質(zhì)隧洞與土質(zhì)隧洞兩類。

1.2 參考規(guī)范依據(jù)

由于該長距離輸水渠道工程隧洞所在的區(qū)縣在工程設計時期（20世紀80年代）參考《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（1977年版），所屬地震區(qū)抗震設防要求為7度區(qū)。而目前該地區(qū)水工建筑物地震設防等級參考《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)標準規(guī)范，該所屬區(qū)域抗震設防要求統(tǒng)一提高至8度（0.2g）。同時結合《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)規(guī)范要求，為保證此次抗震性能安全研究的準確性及嚴謹性，本文中隧洞工程安全性研究參考第五代《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)。

1.3 研究內(nèi)容

1.3.1 查閱資料

現(xiàn)場資料收集整理：收集并查閱排查設施的竣工圖紙、工程驗收文件等資料，并對現(xiàn)有資料按場地地段、結構形式、材質(zhì)、結構尺寸進行分類、整理和歸納。其次，經(jīng)過對設施資料整理，根據(jù)隧洞斷面形式、結構材質(zhì)和地震設防烈度進行分類[4]。

1.3.2 現(xiàn)場調(diào)查

對某長距離輸水渠道隧洞工程進行現(xiàn)場調(diào)查，了解其結構構件、單元特性，填寫初步調(diào)查表。

1.3.3 結構抗震性能分析

（1）對隧洞主體結構現(xiàn)狀進行調(diào)查，按該隧洞的后續(xù)使用年限根據(jù)《構筑物抗震鑒定標準》（GB 50117-2014）中的相關規(guī)定進行分類；

（2）按照工程所在地的地震設防烈度、結構本身的構造情況等條件對結構抗震措施及抗震承載力進行鑒定。

（3）根據(jù)抗震措施的滿足情況及抗震驗算的結果對結構目前所具有的抗震性能作出評價。

2 現(xiàn)狀調(diào)查

通過人工進入隧洞內(nèi)部觀察，發(fā)現(xiàn)隧洞內(nèi)部均存在不同程度裂縫、滲漏、沖刷坑等缺陷和問題。

2.1 裂縫

存在部位：大部分存在于隧洞底板混凝土表面，部分存在于隧洞洞頂附近混凝土表面等部位。

具體描述：利用某水廠東線管道施工停水期間，進入某1#隧洞、2#隧洞檢查發(fā)現(xiàn)：1#隧洞底板存在水平裂縫一條（側(cè)墻、底板施工分縫處），裂縫尺寸：長度17m、最大開度4cm、深度25cm。2#隧洞底板存在一條縱向裂縫（長度80m、最大開度4cm、深度25cm），底板局部錯臺（最大開度近6cm）；存在5條環(huán)向裂縫。

2.2 滲漏

存在部位：大部分存在于隧洞頂部、側(cè)壁表面。

具體描述：滲漏點位于隧洞洞身施工分縫處，因施工分縫橡皮、刨花板等止水材料老化過期、破損導致；部分滲漏點因施工混凝土冷縫保護層不夠，碳化、裂縫綜合作用導致。施工分縫處混凝土面滲或點滲，局部集中滲漏，個別呈射水狀態(tài)。

2.3 沖刷坑

存在部位：大部分存在于隧洞水面線以下側(cè)壁、底板表面等部位。

具體描述：受施工工藝落后、設計標準低、水流長期沖刷氣蝕作用等因素影響，部分隧洞水面線以下洞表面出現(xiàn)沖刷坑。首先在1#隧洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)側(cè)墻水面以下條帶狀破損20余處，長度3—5m、寬度4—10cm、深度3—7cm；側(cè)墻水面以下沖刷坑130余處，長度6—8cm、寬度4—10cm、深度3—8cm；地板鼓包兩處，呈三角形，面積0.17m2。其次在2#隧洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)側(cè)墻兩側(cè)水面線以下長50m、寬30cm、深0.5—1cm片狀沖刷破壞兩處。

3 研究過程

鑒于隧洞工程原設計未考慮抗震設計或考慮抗震設計的構筑物所處地區(qū)抗震設防烈度提高，從抗震設防烈度角度看，整個渠道工程隧洞無法達到現(xiàn)行國家抗震規(guī)范標準要求的設防目標。為減輕地震破壞，減少損失，擬采用有限元結構分析軟件Midas/FEA從抗震承載力驗算、隧洞內(nèi)水壓力計算、反應位移法抗震計算、地震組合工況下內(nèi)力、地震組合工況下剪力、地震組合工況下彎矩等指標角度對影響隧洞結構地震響應的關鍵因素以及結構的抗震薄弱部位進行抗震安全性分析研究，為抗震加固或采取其他抗震減災對策提供依據(jù)[3]。

3.1 結構抗震鑒定分類

該長距離輸水渠道工程隧洞主要用于向城市主城區(qū)輸送原水，地區(qū)抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL250-2017）第4.2.1條規(guī)定，隧洞級別為2級，根據(jù)《水工建筑物抗震設計標準》（GB51247-2018）第3.0.1條，隧洞抗震設防類別屬于丙類建筑，其抗震措施核查和抗震驗算按本地區(qū)的抗震設防烈度進行。同時，根據(jù)《構筑物抗震鑒定標準》（GB 50117-2014）中1.0.4條和1.0.5條之規(guī)定，結構的后續(xù)使用年限為50年，屬于C類建筑，應采用C類建筑的抗震鑒定方法，按照現(xiàn)行國家規(guī)范《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011）的要求進行鑒定。

3.2 抗震承載力驗算

本文中采用通用有限元結構分析軟件Midas/FEA進行結構分析，混凝土采用C20，混凝土軸心抗壓強度設計值fc=9.6N/mm2，軸心抗拉強度設計值ft=1.10N/mm2；隧洞頂部覆土厚度不小于30m，基準面取至30m土層位置；隧洞周邊20m及3倍洞高范圍內(nèi)自由場，選取粘彈性邊界，平面應變整體模型底部邊界為固定約束；計算模型按現(xiàn)有設計圖及現(xiàn)場踏勘情況，選取典型隧洞建立[5-6]。

運用Midas FEA建立的隧洞斷面有限元模型如圖1所示。

圖1

3.3 隧洞內(nèi)水壓力計算

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）水工建筑物級別劃分，隧洞工程等級為Ⅱ級主要建筑物，工程規(guī)模為大（2）型。

采用Midas FEA施加流體壓力的模型見圖2。

圖2 動水壓力布置

《水工建筑物抗震設計標準》（GB51247-2018）規(guī)定，水工建筑物由其重要性和工程場地地震基本烈度按下表確定其工程抗震設防類別為丙類。如表1所示：

表1 工程抗震設防類別

3.4 反應位移法抗震計算

抗震設防標準：本工程抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，抗震設防類別為丙類，當計及地震、人防或其他偶然荷載作用時，可不驗算結構的裂縫寬度。抗震計算按照《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）采用反應位移法進行計算[7]。

荷載組合根據(jù) 《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2012）《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL191-2008）等規(guī)定及可能出現(xiàn)的最不利情況確定，組合類型如表2所示：

表2 荷載組合及分項系數(shù)表

采用反應位移法進行隧洞結構橫向地震反應計算時，考慮土層相對位移、結構慣性力和結構周圍剪力作用，可將周圍土體作為支撐結構的地基彈簧；先由特征值分析求得三和九階特征周期Tg為0.43s和0.3s，以此特征周期構造瑞利阻尼用于時程分析；EL-center波地震時程分析曲線如圖3所示。

圖3

為節(jié)省成本，隧洞洞頂水平位移時程僅選取前30s進行分析，由時程曲線計算結果可知，在2.5s時隧洞頂部已達到水平最大位移18mm，隧洞整體變形滿足《建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2010）》要求。

3.5 隧洞強度驗算

3.5.1 地震組合工況下內(nèi)力

荷載效應選用偶然組合，考慮X、Y向地震作用時，流體對隧洞斷面?zhèn)缺诘臎_擊作用，隧洞內(nèi)力驗算結果如圖4所示：

圖4 組合工況結構內(nèi)力圖

根據(jù)計算結果，最大內(nèi)力出現(xiàn)在隧洞底部，最大內(nèi)力為-688.9kN＜fc，A=2 880kN，構件強度滿足《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL191-2008）要求。

3.5.2 地震組合工況下剪力

根據(jù)計算結果如圖5所示，最大剪力出現(xiàn)在隧洞底部，最大剪力為470.6kN＜fc，A=2 880kN，構件強度滿足《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL191-2008）要求。

圖5 組合工況結構剪力圖

3.5.3 地震組合工況下彎矩

根據(jù)計算結果如圖6所示，最大彎矩出現(xiàn)在隧洞底部，最大彎矩為-282.6kN·m；隧洞壁板圖紙配筋φ為14@125，由，最小配筋率As=1 032mm2，隧洞壁板配筋驗算符合設計要求[8]。

圖6 組合工況結構彎矩圖

3.6 分析總結

（1）經(jīng)過現(xiàn)場實勘及核對圖紙，本隧洞工程基礎結構完好，未發(fā)現(xiàn)裂縫及沉降，結構體系及連接處未產(chǎn)生明顯的扭曲或不均勻沉降的變形現(xiàn)象；埋置地面以下的部分上方無可觀察到的漏水或塌陷，可見無明顯的裂縫和變形；

（2）由承載力復核結果可知，正常使用條件下，隧洞壁板結構內(nèi)力及變形滿足《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL191-2008）與《水工建筑物抗震設計標準（GB51247-2018）》設計要求；

（3）在地震反應譜水平相當?shù)?度中震水平地震下，在最不利的滿水工況下，由模型分析結果可知，隧洞整體結構強度滿足《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL191-2008）與《水工建筑物抗震設計標準（GB51247-2018）》抗震承載力要求；

（4）在抗震承載力復核中，考慮地震組合工況下彎矩，隧洞壁板最大彎矩處的計算配筋，經(jīng)與原設計圖紙驗算比對，滿足規(guī)范安全性要求。

4 結論及建議

4.1 結論

通過以上對某長距離輸水渠道工程隧洞進行的地震災害排查及抗震鑒定，從技術性、經(jīng)濟性綜合考慮，在正常使用狀態(tài)下，各結構主體適于繼續(xù)承載，但當遭遇本地區(qū)設防烈度地震時，可能出現(xiàn)混凝土構件強度不足、變形過大等情況，從而影響整個渠道正常運行。

4.2 建議

根據(jù)抗震鑒定結果，對某長距離輸水渠道工程隧洞目前存在的問題處理建議如下：

（1）組織具有資質(zhì)的檢測單位，對上述抗震承力載力存在地震下安全隱患的渡槽、箱涵進行進逐一檢測，查明混凝土強度、構件尺寸、鋼筋數(shù)量及直徑、混凝土碳化深度等現(xiàn)狀情況。

（2）組織具有資質(zhì)的勘察單位，對于缺失地質(zhì)勘察資料的構筑物進行補勘。在完善上述檢測及勘察的基礎上，組織具有資質(zhì)的設計單位結合現(xiàn)有設計資料，對存在隱患進行進一步計算復核，篩選存在地震隱患的構筑物。

（3）對于經(jīng)抗震承載力復核后仍不滿足要求的構筑物進行結構加固設計。在采取進一步鑒定加固措施前，維持目前使用狀態(tài)下情況下，應定期進行維護和觀察，一旦出現(xiàn)異常情況應及立即組織某長距離輸水渠道工程管理部門采取應急措施。□