姚皓錚沈振中馬福恒胡 江

(1.河海大學 水利水電學院,南京210098；2.南京水利科學研究院,南京210029)

渠道是最為常用的開敞式輸水建筑物,具有供水、灌溉、發(fā)電、過魚等多種功能.漿砌石材料由于其來源方便,施工容易,在渠道建設中被廣泛采用.根據(jù)統(tǒng)計,在浙江省小水電工程中,漿砌石結構的渠道約占71.71%,高于其他結構形式的渠道.此類渠道大部分建于20 世紀六、七十年代,普遍存在工程質(zhì)量差、建設標準低等問題,再加上運行過程中長期受到各種環(huán)境因素的侵蝕,呈現(xiàn)出劣化和局部破損等病害,其正常使用功能受到影響,抗震安全性存在隱患.針對漿砌石渠道的劣化、局部破損等病害問題及其安全評價,已有不少研究成果.徐志丹等[1-3]總結了漿砌石渠道常見的破損類型,分析了破損形成的原因,并提出了相應的改造處理措施.徐存東,王燕[4]提出了一種新的套砌方法改造漿砌石渠底及坡腳的防凍脹加固方案.上述研究主要是對漿砌石渠道的破損原因及改造處理方法進行分析總結,而關于漿砌石渠道的抗震安全性,尤其是考慮水泥砂漿劣化影響漿砌石渠道抗震性能的分析尚未見報道.在地震高烈度區(qū)如何設計漿砌石渠道、評價其抗震安全性缺乏理論依據(jù).

在建筑工程中,水泥砂漿呈薄層狀態(tài),主要起粘結作用,傳遞應力.因長期遭受外界環(huán)境的侵蝕作用,會導致砂漿力學性能降低而提前發(fā)生老化、開裂等現(xiàn)象,其劣化速率遠大于塊石,嚴重時可造成建筑物破壞.本文結合紅旗渠工程,建立了考慮水泥砂漿劣化的渠段三維有限元模型,精細模擬砂漿和塊石,計算分析渠道在設計地震作用下的應力和變形特性,并進一步研究水泥砂漿劣化效應對結構抗震性能的影響,提出有效的除險加固措施,這對類似渠道的結構設計和除險加固具有指導和借鑒意義.

1 水泥砂漿的劣化模型

紅旗渠工程地處華北平原,冬季晝夜溫差很大,凍融是引起水泥砂漿劣化的主要因素.許多學者對凍融作用下水泥砂漿的物理力學性能開展了深入研究[5-9].其中葛文杰,桂常清,王必元[5]采用快凍法對摻入不同類型纖維、不同纖維摻量的試件進行凍融循環(huán)試驗,研究其力學性能.王振軍,吳佳育,白敏,等[6]在配制砂漿試件過程中摻入適量溫敏聚合物,然后進行凍融循環(huán)試驗,并與未摻溫敏凝膠的試件進行對比分析,測得水泥砂漿在不同凍融次數(shù)下的一些力學參數(shù).張菊,劉曙光,閆長旺,等[7]將PVA-ECC 分別置于氯鹽環(huán)境和淡水環(huán)境中進行快速凍融試驗,研究表明氯鹽環(huán)境中試件的抗凍性相對于淡水環(huán)境顯著下降.李建新,王起才,李盛,等[8]測試了水泥砂漿在不同含氣量情況下的孔結構及抗凍耐久性變化規(guī)律.陳松,李偉龍,王起才,等[9]通過試驗測定了不同含氣量下水泥砂漿的結構特征及抗凍性,得到了一些有益的規(guī)律.選取上述文獻中的相關試驗數(shù)據(jù)繪制曲線,如圖1所示.可見,各文獻成果中,砂漿的動彈性模量均隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸減小.

圖1凍融作用下水泥砂漿的相對動彈性模量

實際上,渠道在長期運行過程中,凍融次數(shù)遠大于200次.利用Origin軟件對圖1的5組試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,采用指數(shù)擬合,模型為Exp2PMod2,回歸后的曲線如圖2所示.建立的凍融作用下砂漿動彈性模量與凍融次數(shù)的關系如下:

式中:E0為未凍融時砂漿試塊的動彈性模量(GPa)；En為凍融n 次后的砂漿試塊的動彈性模量(GPa)；n為砂漿試塊凍融次數(shù),n≥0；a、b 為試驗參數(shù).

圖2砂漿相對動彈模隨凍融次數(shù)變化的回歸曲線

經(jīng)回歸分析可得a≈1.01172,b≈0.00314.利用圖1的凍融試驗數(shù)據(jù),建立了水泥砂漿凍融損傷的動彈性模量劣化模型.本文采用該模型研究水泥砂漿劣化對漿砌石渠道抗震性能的影響.

2 統(tǒng)計凍融循環(huán)次數(shù)與當量凍融循環(huán)次數(shù)

2.1 林州市歷史氣象資料的統(tǒng)計

本研究采用中國氣象局網(wǎng)站資料,對紅旗渠工程所在地林州市的歷年氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,由于只能查詢到2011～2018年間的氣象資料,其中2012年為較冷年份,故按2012年的氣象情況進行統(tǒng)計.參考快凍法試驗要求,這里規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計方法:當日最低氣溫低于0℃、-5℃、-10℃,并在當日氣溫升高至0℃～5℃計為一次凍融循環(huán).按此方法計算出了林州市在-5～+5℃、-10～+5℃、-15～+5℃三檔的統(tǒng)計與當量凍融循環(huán)次數(shù),具體數(shù)據(jù)見表1[10].

表1林州市的統(tǒng)計凍融循環(huán)次數(shù)

2.2 當量凍融循環(huán)次數(shù)

迄今為止,國內(nèi)外對凍融循環(huán)次數(shù)的定義并無規(guī)范可循.人們約定溫度由正變負即為一次循環(huán).本文采用“當量凍融循環(huán)次數(shù)”概念[10],將這一工程環(huán)境特征參數(shù)用于漿砌石結構抗凍耐久性分析.定義如下:

式中:[N]為當量凍融循環(huán)次數(shù)(次/a)；N-15～+5℃為-15～+5℃的凍融循環(huán)次數(shù)(次/a)；N-10～+5℃為-10～+5℃的凍融循環(huán)次數(shù)(次/a)；N-5～+5℃為-5～+5℃的凍融循環(huán)次數(shù)(次/a).

3 渠道三維精細有限元模型

3.1 總干渠工程概況

紅旗渠總干渠起點是山西省平順縣石城鎮(zhèn),經(jīng)林縣河口流入分水嶺,全長70.6 km.總干渠渠底寬7.0 m,渠墻高4.3 m,多為矩形砌石斷面.設計正常流量20 m3/s(水深3.5 m)；加大流量23 m3/s(水深4.0 m).總干渠分水閘于1965年3月修建,位于東南公路分水嶺.分水閘上游是長102 m,高10 m的矩形防洪明渠.總干渠及第一、二分干渠為4級水工建筑物.本文取靠近閘室的一段矩形明渠作為研究對象.

經(jīng)過54a的運行,紅旗渠的當量凍融循環(huán)次數(shù)為216次,受侵蝕較嚴重,影響了渠道的安全運行,抗震安全性下降.砂漿作為其主要材料,在環(huán)境侵蝕下易發(fā)生劣化,因此需要考慮砂漿劣化效應對渠道抗震性能及安全的影響.

3.2 渠道三維有限元模型

漿砌石渠道由水泥砂漿和塊石組成,水泥砂漿厚度約2～3 cm,砌體塊石長約50 cm,寬約25 cm,厚約25 cm.為節(jié)省計算時間,在順水流方向截取1 m,建立三維有限元模型,對水泥砂漿和塊石加密細分后形成三維有限元網(wǎng)格.規(guī)定:垂直水流方向為x軸方向,指向右岸為正；順水流方向為y軸方向,指向下游為正；垂直向為z 軸方向,指向上方為正.三維有限元模型與渠段結構圖如圖3、圖4所示.

圖3三維有限元模型

圖4渠段結構圖

3.3 渠道結構計算參數(shù)

紅旗渠結構的物理力學參數(shù)見表2.

表2結構計算參數(shù)

根據(jù)參考文獻[11]和現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù),取水泥砂漿劣化前的初始靜彈性模量E0=1.0 GPa,標號強度為10.0 MPa.參考《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》[12],地震工況下,混凝土的動彈性模量在靜態(tài)的基礎上提高50%.水泥砂漿與混凝土類似,這里取水泥砂漿的動彈性模量為靜彈性模量的1.5倍.本工程采用花崗巖塊石砌筑,參考《漿砌石壩設計規(guī)范》(SL25—2006)[13],砌體結構抗壓強度允許值為10.0 MPa,抗拉強度允許值為300 k Pa.

4 漿砌石渠道抗震性能研究

采用動力時程分析法對漿砌石渠道抗震性能進行研究.由于砂漿凍融劣化主要發(fā)生在渠道正常運行情況下,所以計算工況考慮正常運行加設計地震作用,荷載組合為自重、水壓力、水重、揚壓力、土壓力及地震荷載.其中,地震動水壓力折算為與單位地震加速度相應的附加質(zhì)量.

4.1 地震波的選取

紅旗渠所在地區(qū)的抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度為0.1g.根據(jù)模態(tài)分析結果,選擇兩條實測地震波和一條人工波進行渠道地震響應分析,即Taft波、EL波、人工波.這里給出EL 波作用下的成果,由于前20s的地震動加速度較大,因此截取0～20s時間段的加速度曲線,對EL 波按水平地震動加速度峰值0.1g調(diào)幅,以進行設防地震作用下的非線性動力時程分析,計算時間步長取為0.02 s.調(diào)幅后的EL波水平向加速度時程如圖5所示.這里僅考慮最危險工況,即垂直水流向地震作用.動力分析時考慮地基質(zhì)量,采用彈簧單元和阻尼單元實現(xiàn)黏彈性動力人工邊界.

圖5 EL-Centro地震波水平向加速度曲線

4.2 不考慮砂漿劣化效應的渠道地震響應特性分析

不考慮水泥砂漿劣化效應時,對漿砌石渠道進行動力分析.通過對渠道特征點的應力時程曲線分析,渠道的最大壓應力、最大拉應力隨時間的變化與地震波加速度時程曲線近似呈正相關,應力最大值均出現(xiàn)在地震峰值時刻.因塊石的強度很高,一般漿砌石破壞均出現(xiàn)在砂漿位置,所以這里只單獨拿出砂漿的云圖進行分析.圖6與圖7分別為地震峰值時刻渠道的最大壓應力與最大拉應力圖.可見,在地震作用下,渠道底板處拉應力較大,并在底板與邊墻交接部位出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象.其中最大壓應力為948.4 kPa,小于允許值10.0 MPa；最大拉應力為332.7 k Pa,最大拉應力大于允許值300 k Pa,不滿足承載力要求.從渠道的應力圖來看,在設計地震作用下,渠道底板與邊墻交接處部分位置會發(fā)生抗拉破壞,但結構整體性未遭到破壞.渠道頂部水平向的相對位移時程曲線如圖8所示.可以看出,渠頂相對位移隨時間的變化與地震波加速度時程曲線近似呈正相關,水平向最大相對位移為-0.342 mm,很小,滿足安全要求.

4.3 考慮砂漿劣化效應的渠道地震響應特性分析

依據(jù)推出的砂漿凍融損傷劣化模型,計算紅旗渠目前劣化程度下的應力情況(即凍融次數(shù)為216次,劣化程度為49%).考慮砂漿劣化效應情況下,地震峰值時刻渠道的最大壓應力與最大拉應力及渠道頂部水平向的相對位移時程曲線,如圖9～11所示.從圖中可以明顯看出渠道底板處拉應力較大,并在底板與邊墻交接部位出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象,最大壓應力與最大拉應力主要發(fā)生在交接處.考慮砂漿劣化效應后,渠道最大壓應力與最大拉應力均變小；其中,最大壓應力為730.0 kPa,最大拉應力為204.0 k Pa.渠頂水平向最大相對位移變大,為-0.397 mm.

圖9考慮砂漿劣化效應的渠道最大壓應力圖

圖10考慮砂漿劣化效應的渠道最大拉應力圖

圖11考慮砂漿劣化時渠頂相對位移時程曲線

經(jīng)分析,出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要原因是砂漿的動彈性模量越來越小,但這并不代表砌石體安全性隨砂漿劣化而提高.根據(jù)參考文獻[6],隨著凍融次數(shù)增加,水泥砂漿動彈性模量與強度的變化基本成正相關.計算得出當凍融次數(shù)為216次時,砂漿動彈性模量為0.765 GPa,相應的水泥砂漿強度為3.37 MPa.參考《漿砌石壩設計規(guī)范》(SL25—2006)[13],砌體結構強度與水泥砂漿強度基本成正相關,見表3.

表3砌石壩設計規(guī)范

因此隨著凍融次數(shù)增加,砌體結構強度也逐漸降低.根據(jù)換算,近似估計出紅旗渠目前劣化程度下砌體結構抗壓強度及抗拉強度,具體見表4.可以看出,兩種情況下渠道在地震峰值時刻的最大壓應力均小于允許值,滿足承載力要求；但最大拉應力均大于允許值,不滿足承載力要求.砂漿劣化程度為49%時,最大壓應力與最大拉應力相對未劣化情況均減小,但這并不代表砌石體安全性提高.由承載力安全系數(shù)可知,由于砂漿劣化,渠道安全性降低,在設計地震作用下渠道將會發(fā)生抗拉破壞.隨著局部砂漿老化缺失,可能會造成渠道塊石的脫落,對結構造成破壞.

表4兩種情況下渠道的主要參數(shù)結果

5 結論

本文針對水泥砂漿劣化對漿砌石渠道抗震性能的影響,結合實際工程,建立了總干渠渠段三維精細有限元模型,詳細模擬了漿砌石結構,采用當量凍融循環(huán)次數(shù)的概念,計算得出運行54年的紅旗渠的劣化程度,并分析研究了在此劣化程度下漿砌石渠道的動力響應,確定了渠道的薄弱部位,得出了相應的研究結論:

1)紅旗渠經(jīng)過54 a的運行,當量凍融循環(huán)次數(shù)為216次,砂漿劣化程度為49%.不考慮砂漿劣化和考慮砂漿劣化兩種情況下,渠道的最大壓應力均在允許范圍內(nèi),但最大拉應力均超過允許值,渠道將會發(fā)生抗拉破壞.

2)考慮砂漿劣化后,渠道在設計地震作用下的渠頂相對位移變大,最大拉應力與最大壓應力均減小,但相應的抗拉強度與抗壓強度也隨之降低.同時,渠道承載力安全系數(shù)降低,結構整體性將會受到破壞,動力響應明顯變大,抗震能力顯著下降.

3)底板與邊墻交接處是漿砌石渠道的薄弱部位,需對薄弱部位進行加固處理,以減少可能發(fā)生的局部破壞；采用壓力注入水泥砂漿的方法對劣化部位進行填充修補,同時在類似的漿砌石渠道設計過程中建議采用抗凍性能較好的水泥砂漿；在平時的運行檢測中,對這些薄弱部位應予以足夠重視.