在役引水渠道安全穩(wěn)定性評價與病害治理

王博宇，祝彥知，糾永志，田光輝，常 佳

（1.中原工學院 建筑工程學院，河南 鄭州 450007； 2.中原工學院 建筑設計研究院，河南 鄭州 450007）

我國的大型灌區(qū)引水渠道多建于20 世紀五六十年代，由于建設年代久遠，許多引水渠道不同程度出現了渠道邊坡滑移、滲水漏水、襯砌結構裂縫、脫落及凍脹破壞等現象，嚴重威脅了灌溉工程的安全有效運行，因此針對在役引水渠道的健康診斷與評估已經成為重要研究內容之一。

李剛等［1］采用層次分析法對水工建筑物進行安全評估，為水工建筑物安全評價提供了技術支持；趙立庭［2］對某涵洞和山洪橋進行了安全復核，并使用數值分析法評估了泄洪閘受力狀態(tài)；李信樵［3］基于可拓評價法進行迫切度分析，評價引水灌區(qū)等級，并利用SWPT 分析法為后續(xù)水利工程提出合理化的改造措施；李晨［4］針對YMD 電站引水渠道的裂縫問題，提出了合理的加固方案；曹曉毅等［5］通過現場調查、數值模擬和理論分析方法分析評價了多煤層開采對擬建灌溉排水渠道穩(wěn)定性及滲漏的影響；熊厚庭［6］以引水渠道邊坡為研究對象，用FLAC3D 軟件分析了不同工況下渠道邊坡的安全系數及滑移面位置，評價了引水渠道邊坡的穩(wěn)定性；劉翔［7］通過分析渠系工程存在的問題和細裂縫安全隱患成因，研究了興建趙山渡引水工程采取輸水渠系安全應急保證措施的必要性；許強［8］為保證引水渠道在施工時能夠更好地貼近實際情況，在施工前用數值模擬的方法對低水位運行工況的滲流場進行分析，總結出采用輸水渠旁設置防滲墻能夠很好地提高輸水渠的穩(wěn)定性和安全性；陳立杰等［9］通過ADNA 對溫度場、變形場和應力場進行數值模擬，為評價高地下水位地區(qū)灌排渠道的抗凍脹襯護結構的穩(wěn)定性提供了理論依據；楊紅娟等［10］對山東省位山灌區(qū)二干渠堿劉斷面的地下水變化進行了動態(tài)模擬；胡丹等［11］以南水北調中線一期工程總干渠潮河段工程為例，利用得分函數和TOPSIS 法進行綜合評價，為渠道風險管理提供了依據；吳夢娟等［12］為揭示西部干寒地區(qū)引水明渠在全壽命周期內的不安全因素，采用IAHP求解各指標權重，最后綜合得到灰色Euclid 加權關聯度；靳春玲等［13］以 PSR 模型為基礎，采用AHP 法確定各PSR 指標的權重，將引水明渠的安全狀態(tài)劃分不同等級，用于綜合評價引水明渠的安全狀態(tài)；顧靖超等［14］結合寧夏灌區(qū)渠道工程破壞的類型、評價指標內容及權重、指標計分標準、分析評價方法、綜合評價結論，提出了適合寧夏灌區(qū)特點、滿足渠道安全運行、經濟實用、防滲防凍脹效果顯著的渠道安全評價方法；Li等［15］采用二維熱傳導和水分流模型分析了傳統(tǒng)渠道襯砌結構中的溫度特性，數值模型結果與渠道襯砌結構的現場溫度測量結果一致；Eltarabily 等［16］以灌溉渠道之間的埃及伊斯梅利亞運河為主要研究對象，使用Geo Studio 有限元軟件的SLOPE／W 模塊建模并模擬土工布物理特性，表明土工織物在滲漏控制方面具有重要作用。 但目前尚無針對大型在役引水渠道結構健康診斷與安全評估的系統(tǒng)方法，且對處于地震影響區(qū)域的在役引水渠道數值模擬和病害治理尚無成熟的理論和工程經驗可以借鑒。 因此，筆者針對焦作市引沁灌區(qū)總干渠在役引水渠道，進行現場檢測與靜、動力數值仿真分析，并對在役引水渠道的安全穩(wěn)定性進行綜合評價與病害治理措施研究。

1 引水渠道綜合檢測

引沁灌區(qū)河口段引水渠道為河南省焦作市引沁灌區(qū)總干渠渠首段，是素混凝土襯砌矩形斷面渠道，其斷面如圖1 所示，渠道斷面兩側高3 m，底板寬7.8 m，外側由砂漿砌石砌筑而成，砌筑厚度為30 cm，內側由素混凝土砂漿抹面，厚度為19 cm。 河口水渠洞口常年水深為2 m，流速為10 m3／s。 引沁灌區(qū)河口段引水渠道修建于半山腰，北側為較高土山。 經多年輸水運行，引水渠道多處出現了不同程度的裂縫、漏水、混凝土脫落等病害現象。

圖1 引水渠道斷面（單位：mm）

1.1 混凝土碳化檢測

為了檢測混凝土襯砌結構在長期工作狀態(tài)下的碳化情況，對引沁灌區(qū)河口段引水渠道進行了碳化檢測，實測結果見表1。 引沁灌區(qū)河口段引水渠道左側和右側碳化深度最小均值分別為16.0 mm 和52.9 mm，碳化深度較大，已對引水渠道造成影響，應盡快治理。

表1 引水渠道碳化深度實測值 mm

1.2 混凝土強度檢測

河口段引水渠道較長，經實地考察選取混凝土脫落比較嚴重段進行實地回彈強度檢測，引水渠道表面襯砌混凝土設計等級為C20，依據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》（JGJ／T 23—2011），根據實測結果（見表2），計算現齡期混凝土抗壓強度左側最小推定值為26.1 MPa，右側最小推定值為27.8 MPa。 結果表明，引沁灌區(qū)河口段引水渠道混凝土回彈強度實測均值比混凝土強度推定值高，符合設計要求。

表2 引水渠道混凝土抗壓強度檢測結果

1.3 混凝土裂縫檢測

根據現場檢測，引沁灌區(qū)河口段引水渠道已經出現較為嚴重的結構型裂縫和混凝土脫落現象，此外通過檢測發(fā)現引水渠道外側出現嚴重漏水現象。 經過裂縫綜合測試儀檢測可知，滲水較為嚴重位置最大寬度為4 mm，深度為240 mm。 實測結果表明，此位置裂縫深度已經透過混凝土表面襯砌，達到砂漿砌石位置，深入結構內部，應加強監(jiān)測，并及時進行加固修復。

1.4 砌筑砂漿強度檢測

為了檢測引水渠道漿砌石砂漿在長期工作狀態(tài)下的抗壓情況，現場對引沁灌區(qū)總干渠河口段引水渠道外側按照規(guī)范要求選取8 個點分別開展貫入檢測，結果見表3。

表3 引水渠道漿砌石砂漿貫入檢測結果

經過實測可知，外露砂漿強度在長期復雜環(huán)境及荷載作用下逐漸降低，應該加強維修加固，阻止引水渠道發(fā)生滲漏。

2 引水渠道整體力學分析

2.1 靜力分析

2.1.1 模型的建立

采用Midas GTS 有限元軟件建立引沁灌區(qū)河口段引水渠道有限元模型。 模型坐標y軸為引水渠道的重力方向，x軸垂直于引水渠道軸線方向，底部采用固定約束，其他表面為自由邊界。 有限元模型計算區(qū)域共劃分2 222 個節(jié)點、2 111 個單元。 另外，為了在靜力分析中更好地模擬引水渠道裂縫表面的閉合與張開及骨料咬合作用，在裂縫表面節(jié)點間布置了切向和法向彈簧單元，便于追蹤引水渠道裂縫的擴展。

2.1.2 材料特性參數與計算工況

靜力計算所需材料特性參數主要依據設計資料及相應規(guī)范來確定。 混凝土、砂漿砌石彈性模量均為2.0×104MPa，泊松比均為 0.2，容重均為 2.5×10-5N／mm3，不考慮結構滲透性。

土的本構模型選擇修正摩爾-庫侖模型，泊松比為 0.32，容重為 1.8×10-5N／mm3，飽和容重為 1.99×10-5N／mm3，初始孔隙比為0.84，非線性三軸割線剛度為24 MPa，主壓密加載試驗的切線剛度模量為24 MPa，卸載彈性模量為86.4 MPa，失效率為0.9，參考壓力為0.1 MPa，應力相關冪指數為0.5，孔隙率為0.6，剪切破壞時的摩擦角為10.7°，最終膨脹角為0°，黏聚力為10.8 kPa，剪切硬化自動計算。

荷載僅考慮重力、水壓力，荷載工況為自重、自重＋水壓力，有限元數值模擬側重于從整體上分析引沁灌區(qū)河口段引水渠道結構體系的位移和變形狀況，并給出相對比較危險的區(qū)域。

本文僅列出河口段引水渠道在重力和水壓力作用下的y向位移和最大主應力云圖（見圖2、圖3）。 組合荷載作用下引沁灌區(qū)河口段引水渠道位移和應力分布規(guī)律與重力單獨作用下的引水渠道數值計算結果相似，但是在量值上有所增大。 組合荷載作用與重力荷載單獨作用情況相比，引水渠道x方向最大位移、y方向最大位移、第一主應力、第三主應力變化較小，在設計水深為2 m 的條件下，水壓力影響不是很明顯。

圖2 引水渠道在重力和水壓荷載共同作用下y 向位移（mm）

圖3 引水渠道在重力和水壓荷載共同作用下最大主應力（MPa）

數值分析結果表明：①在重力和水壓力作用下，經過數值分析引沁灌區(qū)河口段引水渠道較高的土坡會有22 mm 的豎向位移。 根據現場實地考察，該土坡較高，且擋土墻已經年久失修，容易出現土坡滑移現象，可能會對引水渠道造成嚴重破壞。 因此，在加固時，要對引沁灌區(qū)河口段引水渠道重點關注，應采取必要措施降低土坡滑移對引水渠道的影響。 ②引沁灌區(qū)河口段引水渠道在重力和水壓共同作用下，最大主應力和最小主應力均發(fā)生在引水渠道底板中間位置，這說明在重力和水壓力共同作用下，引水渠道底板中間位置極易開裂，需要特別關注。 ③由有限元分析可以得出，混凝土襯砌的引水渠道在水壓和自重的作用下會出現9 mm以下的位移，現場檢測出現寬4 mm 的裂縫證明了有限元分析的準確性和材料取值的合理性。

2.2 動力分析

2.2.1 地震波選擇

河口段引水渠道工程建設年代較早，為確保其在地震荷載作用下的安全性，本文采用時程分析法對河口段引水渠道進行抗震驗算。 分別采用調整后的EICentro 南北向地震波、Taft 地震波、sanfer-h 地震波的地震加速度時程來確定地震作用效應。

2.2.2 材料特性參數與計算工況

抗震設防烈度為7 度（0.10g），場地土地類別為Ⅱ類，抗震設防分類為乙，分區(qū)特征周期為0.4 s，阻尼比為0.05，阻尼調整系數為1.0，重要系數為0.43。 動力計算選取的材料參數與靜力計算相同。

經檢測，引水渠道混凝土結構存在4 mm 寬裂縫，在動力有限元分析時，將引水渠道的裂縫視為單元邊界，通過調整節(jié)點的位置或者增加新的節(jié)點來重新劃分引水渠道的有限元網格，始終將裂縫處于單元邊界與邊界之間，該方法易于表現出裂縫面之間力的傳遞。

分別考慮沿引水渠道順渠道X向、橫渠道Y向兩種工況對結構進行激勵。 在3 種地震波X、Y向激勵下，位移和加速度響應最大值分別在各自所激勵的波形方向上，對其余方向影響較小，因此下面僅分析不同地震波在各自激勵方向上對結構位移、速度和加速度的影響（見表4）。

表4 不同地震波激勵下的位移、速度、加速度

結合《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》，由引沁灌區(qū)河口段引水渠道結構時程法動力分析結果可知：在X方向激勵下，EI-Centro 波X向位移最大，出現在引水渠道右側混凝土襯砌和砂漿砌石位置。 根據模擬結果，該地區(qū)一旦發(fā)生地震，最容易受到破壞的位置為右側混凝土襯砌，并且河口混凝土襯砌相對較薄，砂漿砌石縫隙比較大，這就造成此處很容易出現漏水現象。 現場檢測出來的4 mm 寬裂縫是引水渠道在重力和水壓力的共同作用下產生的，在地震荷載影響下，會進一步加劇裂縫的擴展。

3 加固處理方案

3.1 混凝土損壞脫落處理

由于河口段部分引水渠道破損比較嚴重，渠道混凝土襯砌表面存在蜂窩麻面、脫落嚴重等問題，因此對引水渠道混凝土襯砌結構采用高一強度等級的細石混凝土進行修復。

在引水渠道混凝土損壞脫落部位，首先鑿除基層混凝土及脫空的混凝土，直到露出堅硬的混凝土基面；然后用鋼絲刷或加壓水洗刷基層，處理完成后，在保持基面濕潤的情況下，使用高一強度等級的細石混凝土將破損部位修整為設計形狀；最后灑水養(yǎng)護直至達到混凝土設計強度。

3.2 裂縫及滲漏處理

3.2.1 引水渠道裂縫處理

采用環(huán)保型石油瀝青聚氨酯接縫防滲材料（PTN）對引水渠道裂縫進行處理，這樣既能夠提高引水渠道的抗?jié)B能力，又能夠防止水滲漏導致混凝土內部鋼筋銹蝕。

引水渠道質量缺陷修補處理采用PTN 砂漿，設計強度高于 M20，抗壓強度＞5.0 MPa，抗拉強度＞1.0 MPa，吸水率＜0.1%，滲透系數＜ 0.236× 10-9cm／s，抗凍等級 F200。

在引水渠道裂縫修補時，需用打磨砂紙和吹風機清理裂縫里面存留的雜物，然后用PTN 防滲材料對引水渠道進行處理，必須保證防滲材料充分填充裂縫內部。

3.2.2 引水渠道防滲處理

（1）伸縮縫滲漏處理。 引水渠道伸縮縫滲漏處理按照先兩邊側墻后底板的順序施工，先拆除迎水面止水槽內現狀各類填縫材料，待基層處理完成后將牛皮紙或塑料薄膜粘貼在橡膠止水帶表面，采用PTN 防滲材料對裂縫進行填充。

（2）平面防滲處理。 在對引水渠渠道裂縫、施工縫及渠道混凝土破壞滲漏區(qū)域全部內表面現狀基面處理后，涂刷PTN 防滲材料，其中：渠道兩側墻立面涂刷厚度為2.0 mm、用量為2.4 kg／m2，底板涂刷厚度為4.0 mm、用量為 4.8 kg／m2。

平面防滲處理需先處理基面，然后涂刷PTN 防滲材料，再對其進行養(yǎng)護，直至符合施工質量驗收規(guī)范。

4 結 語

（1）灌區(qū)在役引水渠道建設年代較早，大部分施工工藝落后，圖紙保存不完整，通過現場檢測可為數值模擬分析提供較真實的模擬參數，使數值模擬分析的準確性得到提升。

（2）運用時程分析法進行引水渠道地震反應分析，并與靜力分析相結合，可以更全面、準確地掌握引水渠道關鍵部位內力及變形情況。

（3）通過對引沁灌區(qū)河口段引水渠道進行系統(tǒng)分析研究，給出了科學的安全性評價與針對性的病害處理方案，并在實際工程中成功應用，研究成果可為其他類似工程提供參考。