洺河渡槽的結構安全狀態(tài)仿真分析研究

尚海龍，田苡菲，王天藝，羅 智，朱新民

(1.北京江河中基工程咨詢有限公司，北京 100073；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 研究背景

長期以來，我國經濟社會發(fā)展付出的水資源、水環(huán)境代價過大，導致一些地方出現水資源短缺、水污染嚴重、水生態(tài)退化[1-2]等問題。因此，加快推進水生態(tài)文明建設，從源頭上扭轉水生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，是水利工作者當前所面臨的重要任務。其中，建設引調水工程，改善水生態(tài)環(huán)境是水生態(tài)文明建設的重要內容。2014年底建成的南水北調中線工程就為解決華北地區(qū)供水、改善京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境做出了重大貢獻。根據中央部署，我國在“十三五”期間分步建設納入規(guī)劃的172項重大水利工程[3]，其中包括鄂北調水、引漢濟渭、引江濟淮、引洮供水二期等大型引調水工程。

引調水工程的安全建設、運行和管理是保障水生態(tài)文明建設成果的基礎。然而，由于工程建設規(guī)模大，進度快，同時工程建設中大量應用新技術、新工藝和新方法，工程建成后局部難免存在隱患，加上我國幅員廣闊，工程建設和運行的氣象、水文和地質環(huán)境復雜多樣，局部隱患就有可能擴大、發(fā)展以至引發(fā)災害。

目前水工程健康診斷和破壞預警方法包括3類。第一類是依據工程內部布設的安全監(jiān)測儀器，通過安全監(jiān)測資料分析，綜合專家經驗評估工程結構的工作性態(tài)，這一類方法目前主要應用在大壩安全管理上，引調水工程中的經驗很少。不僅如此，由于引調水工程與大壩相比，有著顯著的特點，其距離分布長，傳統(tǒng)的安全監(jiān)測儀器僅能布設在典型斷面中，存在大量盲區(qū)，因此無法對工程安全進行全面監(jiān)控。事實上，從已建工程的案例來看，引調水工程由于工程安全隱患導致停水、破壞的概率遠大于大壩失事的概率。另一類方法是通過巡視檢查和無損檢測方法，對工程結構的表面缺陷和淺層隱患(比如裂縫、孔洞)進行排查，對于引調水工程來說，這類方法通常需要停水、放空或者降低水位運行以便進行檢查，給工程實際運行帶來很多困擾。而且，對于某些工程結構，反復多次的放空或者大幅調整水位，有可能會誘發(fā)結構內部損傷的繼續(xù)擴大和發(fā)展，從而產生新的隱患乃至安全事故。第三類方法，結合工程結構仿真分析結果和監(jiān)測、檢測分析成果，實時預測結構工作性態(tài)。然而，引調水工程與大壩不同，其結構分布距離長，傳統(tǒng)的計算分析手段僅能對典型斷面和局部三維結構進行模擬，難以反映工程全貌，給應用數值仿真+監(jiān)測、檢測分析的方法帶來了困難。由此可見，傳統(tǒng)的水工程健康診斷和破壞預警方法既無法做到對工程安全隱患時空連續(xù)的監(jiān)控，也無法在結構正常運行狀態(tài)下進行檢測分析，無法適應引調水工程的工作特點，難以滿足新形勢下的現實需要。

基于結構振動模態(tài)的損傷診斷是現階段結構工程研究中的熱點問題之一[4]。水工結構在實際運營中，由于設計、施工等先天缺陷或者使用載荷超出設計或者遭受強大的突加外在荷載(如地震作用等)的作用會使結構出現不同程度的損傷，結構發(fā)生損傷以后將嚴重影響結構的承載力及耐久性，甚至會發(fā)生嚴重的工程事故，不僅造成重大的人員傷亡和經濟損失，而且會產生極壞的社會影響[5-6]。20世紀50年代末國際相繼發(fā)生的著名垮壩事件[7]，以及大型水利水電工程運行中強烈的振動災害[8]，使得大體積混凝土[9]水工結構物的安全和正常運行問題成為業(yè)界的焦點，因此，為了保證結構的安全性、完整性和耐久性，需采用有效的手段對結構進行健康狀態(tài)[10]診斷。南水北調洺河渡槽位于河北省永年縣城西鄧底村與臺口村之間的洺河上，距永年縣城約10km[11]，是南水北調中線工程重要的輸水建筑物，單跨跨度40m，寬25.5m[12]，為目前國內最大跨度渡槽[13]。本文針對洺河渡槽12#—16#跨渡槽槽身混凝土出現空鼓、裂縫等情況，采用渡槽整體三維有限元模型[14]，進行原有設計狀態(tài)下的安全復核和缺陷狀態(tài)下的安全評估。

2 渡槽實驗平臺搭建

在南水北調工程中，與其它水工建筑物相比，洺河渡槽具有跨度大、結構部件多等特點，其結構振動響應受水流因素影響較大，屬于非平穩(wěn)非線性低信噪比振動信號，其有效信息往往被低頻水流噪聲所淹沒。因此，洺河渡槽的常規(guī)監(jiān)測難以開展，只能通過一定的模型、監(jiān)測數據推斷損傷等發(fā)生的部位、規(guī)模和程度，難以準確把握整體建筑物工作性態(tài)。

中國水科院引調水工程缺陷診斷和風險預警研究項目組，基于流激振動探傷理論，開展高性能計算的渡槽健康診斷方法研究，通過與國內檢測機構合作，構建了洺河渡槽現場流激振動探傷的原位試驗和連續(xù)監(jiān)測采集系統(tǒng)，構建渡槽現場流激振動探傷的原位試驗和連續(xù)監(jiān)測采集系統(tǒng)，完成了現場渡槽健康診斷實驗平臺搭建，通過建立渡槽結構三維有限元模型，模態(tài)分析診斷渡槽損傷部位和損傷程度，進行渡槽結構流激振動數據的采集和分析方法研究(本文不包含該部分研究內容)，并通過高性能數值仿真計算，對比分析驗證渡槽原位流激振動損傷試驗成果。渡槽結構三維有限元模型如圖1所示。

為得到渡槽結構振動特征，采用基于二次濾波的模態(tài)參數辨識方法，該方法通過對流激振動數據進行預處理，提取結構振動有效信息，結合系統(tǒng)定階，根據現場實測振動數據辨識渡槽結構運行模態(tài)參數，從而為渡槽結構安全運營和狀態(tài)評估提供依據。

3 計算荷載及工況

根據洺河渡槽設計資料及運行情況，本次復核計算考慮了渡槽自重荷載、水荷載、人群荷載、風荷載、溫度荷載、冰荷載以及預應力等。具體計算工況見表1。

表1 計算工況匯總表

首先對渡槽在正常運行時冬季和夏季兩種情況下的整體應力進行分析，然后分別對設計工況下設置保溫措施時渡槽內外壁應力進行分析，并通過分析對原有設計狀態(tài)下渡槽的安全性進行復核。

4 整體應力分析

選取正常運行時冬季和夏季兩種情況進行整體應力分析，具體應力分布如圖2—5所示。

圖2 工況1時渡槽結構第一主應力云圖(單位：0.01MPa)

圖3 工況1時渡槽結構第三主應力云圖(單位：0.01MPa)

圖4 工況2時渡槽結構第一主應力云圖(單位：0.01MPa)

圖5 工況2時渡槽結構第三主應力云圖(單位：0.01MPa)

(1)溫升+正常水深(工況1)條件下

第一主應力：渡槽拉應力主要分布在渡槽頂部翼緣表面、上部拉桿以及渡槽豎墻內壁與底板連接處。

第三主應力：渡槽內壁和外壁均為壓應力，最大壓應力出現在渡槽端部的豎墻底部。

總體上，在溫升+正常水深條件下，渡槽豎墻內壁受拉，外壁受壓。

(2)溫降+正常水深(工況2)條件下

第一主應力：渡槽內壁基本上為壓應力，渡槽頂部翼緣表面、上部拉桿以及渡槽外壁存在拉應力。

第三主應力：渡槽內壁和外壁均有壓應力。

總體上，在溫降+正常水深條件下，渡槽豎墻內壁受壓，外壁受拉。

5 渡槽內壁及外壁面應力分析

鑒于《南水北調中線一期工程總干渠設計梁式渡槽土建工程設計技術規(guī)定》(2007-9-29)第7.2.3條規(guī)定：“在任何荷載組合[15]條件下，槽身內壁表面不允許出現拉應力，槽身外壁表面拉應力不大于混凝土軸心抗拉強度設計值的0.9倍”的規(guī)定，因此，選取渡槽內外表面進行應力分析。

通過分析，本次選取了2個較危險的計算工況對渡槽內壁及外壁面進行應力分析，選取的計算工況為：溫升+三孔過水+滿槽水深+自重荷載+人群荷載+預應力(工況3)；溫降+三孔過水+滿槽水深+自重荷載+人群荷載+冰荷載+預應力(工況4)。

工況3條件下，渡槽邊孔內壁縱向基本上為壓應力，只有在槽身端部存在較小的拉應力，最大值約為0.20MPa；邊墻內壁底部環(huán)向存在一定范圍的拉應力區(qū)，最大拉應力約為2.18MPa；第一主應力：邊墻內壁底部、八字墻以及底板端部存在一定的拉應力區(qū)，最大可達2.83MPa。渡槽中孔內壁縱向、環(huán)向均為壓應力，第一主應力在豎墻頂部與底部存在受拉區(qū)，最大值約為1.50MPa。渡槽外壁縱向、環(huán)向應力基本上為壓應力，外壁邊墻中上部及外壁底部存在拉應力區(qū)，最大值約為2.00MPa?？傮w來看，工況3條件下，渡槽拉應力較大值主要分布在邊墻內壁的下部以及外壁的底部。

工況3條件下的渡槽內壁及外壁面的應力分布規(guī)律如圖6—8所示。

圖6 工況3時邊孔內壁應力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖7 工況3時中孔內壁應力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖8 工況3時外壁應力分布云圖(單位：0.01MPa)

工況4條件下，渡槽邊孔內壁縱向基本上為壓應力，只有在槽身端部存在拉應力，拉應力最大值約為0.97MPa；環(huán)向應力均為壓應力；第一主應力在槽端存在一定的拉應力區(qū)，最大約為0.88MPa。渡槽中孔內壁縱向、環(huán)向應力均為壓應力，第一主應力在豎墻頂部、底部及底板端部存在拉應力區(qū)，最大值約為0.9MPa。渡槽外壁縱向、環(huán)向應力基本上為壓應力，外壁邊墻中上部及外壁底部存在拉應力區(qū)，最大值約為2.20MPa。總體來看，工況4條件下，渡槽拉應力區(qū)主要集中在邊墻外壁的中上部以及外壁底部。

工況4條件下的渡槽內壁及外壁面的應力分布規(guī)律如圖9—11。

圖9 工況4時邊孔內壁應力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖10 工況4時中孔內壁應力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖11 工況4時外壁應力分布云圖(單位：0.01MPa)

6 渡槽典型斷面環(huán)向及縱向應力分析

根據渡槽的受力特點，選定槽身跨中、1/4跨、1/8跨以及1/16跨支座斷面作為環(huán)向、縱向應力分析的典型斷面，每個典型斷面上選取了7個斷面作為特征位置，各斷面及特征位置如圖12—13所示。

圖12 槽身橫截面各典型部位

圖13 渡槽各典型截面

將設置保溫措施時，各工況一些典型斷面部位的環(huán)向應力、縱向應力進行對比分析，以更好把握渡槽的應力情況。

表2給出了渡槽內外壁環(huán)向最大拉應力及壓應力統(tǒng)計表，可以看出在溫升+邊孔通水(工況1、3)時，邊孔內壁環(huán)向應力會出現拉應力，最大拉應值對應的工況為溫升+邊孔通水+滿槽水深(工況3)，最大拉應力為0.98MPa，但拉應力面積很小，約為3.50m2，可能為應力集中現象。中孔內壁環(huán)向應力均為壓應力；外壁在4個工況下均產生環(huán)向拉應力，最大拉應力為1.63MPa，拉應力面積約為20.00m2。渡槽內外壁最大壓應力為16.33MPa，小于槽身允許主壓應力19.2MPa。

表2 各工況下渡槽內外壁環(huán)向最大拉應力及壓應力統(tǒng)計表

表3—6分別給出了4個工況典型斷面關鍵部位環(huán)向應力表，可以看出，各工況下典型斷面的各個關鍵部位的環(huán)向應力均為壓應力，且壓應力均小于槽身允許的主壓應力19.2MPa。

表3 工況1下典型斷面關鍵部位環(huán)向應力表 單位：MPa

表4 工況2下典型斷面關鍵部位環(huán)向應力表 單位：MPa

表5 工況3下典型斷面關鍵部位環(huán)向應力表 單位：MPa

表6 工況4下典型斷面關鍵部位環(huán)向應力表 單位：MPa

采用與環(huán)向應力相同的方法，分析了4個工況典型斷面關鍵部位縱向應力，各工況下典型斷面的各個關鍵部位的縱向應力均為壓應力，且壓應力均小于槽身允許的主壓應力19.2MPa。

7 結論

本次利用高性能計算仿真相關技術，通過采用渡槽整體有限元模型，在原有設計狀態(tài)下，設計設置了保溫措施，渡槽內壁環(huán)向和縱向均為壓應力，第一主拉應力均在1.0MPa以內，外壁第一主應力均在2.00MPa以內，因此，槽身內壁應力狀態(tài)滿足“在任何荷載組合條件下，槽身內壁表面不允許出現拉應力”的技術規(guī)定，即滿足“裂縫控制等級一級”的設計要求，外壁滿足“裂縫控制等級二級”的設計要求。充分有效地對洺河渡槽原設計狀態(tài)進行了安全復核，可為日后同類工程的安全復核提供參考和借鑒。