張慶杰

(濟南市水利工程服務中心，山東 濟南 250099)

我國較多地區(qū)水資源分布處于不均衡狀態(tài)，建設輸水隧洞與輸水干渠乃是一種重要解決措施，但在輸水工程建設過程中其面臨襯砌結構失穩(wěn)等局面，因而針對性解決輸水干渠等長距離輸水工程中襯砌結構運營可靠性具有重要意義[1- 3]。李代茂等[4]、唐少容等[5]、何軍等[6]利用襯砌結構離心試驗等模型試驗，開展室內荷載狀態(tài)下襯砌結構荷載變化分析，為襯砌結構最佳設計提供重要參考。當然根據(jù)工程實際環(huán)境下安裝相關監(jiān)測設備，獲得襯砌結構在工程實際運營中位移、壓力等參數(shù)變化特征，一方面可及時預判襯砌結構失效，另一方面亦可為其他工程襯砌結構設計提供對比參考[7- 9]。不可忽視室內試驗成本以及試驗結果具有各向異性，而工程實際運營中的監(jiān)測具有長期性，因而錢軍剛[10]、周祁[11]、孜木耐提·爾肯利用[12]數(shù)值仿真手段建立襯砌結構有限元模型，加以不同荷載工況分析，獲得不同類別的襯砌結構、不同工況、不同材料等多種耦合因素下的襯砌結構力學特征分析，為評價最優(yōu)襯砌結構設計提供重要參考。本文利用有限元仿真手段分別建立雙層、三層襯砌結構，并就之開展力學特征分析，為水資源配置工程中應用設計提供重要計算依據(jù)。

1 項目概況

山東半島與魯西北地區(qū)水資源時空分配較不均勻，為協(xié)調山東地區(qū)水資源時空分配，現(xiàn)從大運河至山東半島地區(qū)建設輸水管道工程，并與南水北調工程相聯(lián)系，確保沿線水資源安全利用。根據(jù)初步工程踏勘調查得知，所建設輸水管道全長超過115km，按照主、次干渠建設理念，其中主干渠按照一級用水標準建設，主線段全長92km，利用已有渠道鋪設有格賓石籠，一方面提升灌區(qū)防滲性，另一方面確保水資源輸送效率；由于沿線半島地區(qū)覆蓋第四系土層較厚，地表水系發(fā)育較豐富，因而為抑制輸水過程中內外壓影響下的水資源浪費現(xiàn)象，工程設計部門考慮采用多層襯砌結構進行防護。利用工程現(xiàn)有資料以及襯砌結構適用性，設計開展雙層、三層襯砌結構輸水形式下力學特征分析。

為確保分析計算結構可靠性，選取其中巖土層物理性質較穩(wěn)定輸水段開展分析，該工程段設計有圓弧式輸水面，地面高程在52～108m，埋深穩(wěn)定在10～44m，最上覆土層以風化砂土為主，壓縮模量為5.2MPa，下臥土層另包括有坡積含砂粉質黏土，土工試驗測定其滲透系數(shù)為3×10-7cm/s，測定黏結力約為15kPa，所建立的仿真模型外荷載即以上述試驗資料開展計算[13- 14]。

2 雙層襯砌結構形式分析

2.1 模型分析

雙層襯砌結構實質上為復合型襯砌材料，襯砌管片采用螺栓固定在鋼筋混凝土內襯結構上，內環(huán)直徑為4800mm，混凝土為C30混凝土，管片厚度為300mm，所采用的固定螺栓破壞強度超過450MPa，該類復合襯砌結構幾何形態(tài)如圖1所示。以三角形單元建立起雙層襯砌結構有限元模型，如圖2所示，劃分獲得單元體總數(shù)123682個，節(jié)點數(shù)89686個[15- 16]。

圖1 雙層襯砌結構幾何形態(tài)圖

圖2 雙層襯砌結構有限元模型

2.2 水壓特征

根據(jù)該區(qū)段內輸水過程中水壓變化，計算獲得雙層襯砌形式下各特征結構上水壓分布變化，如圖3所示。從圖中管片與鋼筋混凝土的水壓變化曲線可知，在輸水渠道正常運營過程中，雙層襯砌結構水壓歷經(jīng)“雙層共承擔-鋼筋混凝土失穩(wěn)破壞-內襯管片失效”3個階段，

圖3 雙層襯砌結構水壓變化特征

在運營期水壓0～0.4MPa區(qū)間，鋼筋混凝土與內襯管片互相“配合”，兩個特征襯砌結構分別所承擔水壓約占運營期總水壓50%左右，在運營期0.3MPa水壓時，監(jiān)測內襯管片兩個特征截面上水壓分別為0.16MPa和0.15MPa，而與此同時在鋼筋混凝土A、B兩個特征部位上水壓分別為0.15MPa和0.14MPa，實質上在運營期0.1～0.4MPa其間，雙層襯砌結構中鋼筋混凝土、內襯管片上承擔運營水壓占比變化幅度不超過3%，即雙層襯砌形式在該水壓運營段內表現(xiàn)較好。當運營水壓超過0.4MPa后，鋼筋混凝土A、B截面上的水壓值顯著降低，所能承擔水壓荷載直至運營水壓達0.7MPa才降低至穩(wěn)定，僅為0.08MPa，約占總水壓10%，該運營區(qū)段內鋼筋混凝土上水壓降低幅度超過56%；與之相對應的是內襯管片上水壓升高，其所承擔的水壓值逐步升高，最大水壓可達0.63MPa；分析認為該運營水壓段內，鋼筋混凝土結構受水壓損傷，逐步出現(xiàn)裂縫，并在運營水壓達到0.7MPa時發(fā)生失穩(wěn)破壞，在破壞的過程中可承擔的運營水壓逐步降低，導致運營水壓很大部分由內襯管片承擔，由此導致引起第三個階段水壓變化特征。內襯管片在第三階段由于受到過大的水壓影響，其可承擔的極限水壓不超過總水壓的80%，而在鋼筋混凝土破壞后，水壓在內襯管片上發(fā)生壓力集中效應，導致內襯管片亦受到較大水壓影響而破壞。

2.3 位移特征

圖4為雙層襯砌結構在運營期水壓增大過程中內部裂紋發(fā)育特征。從圖中可看出，在運營水壓0.1MPa時，管片與鋼筋混凝土截面上均未出現(xiàn)裂紋，當進入水壓0.6MPa后，鋼筋混凝土上出現(xiàn)較多裂紋，且最大應變可達1.83%，而在與此同時的管片上并無顯著裂紋發(fā)育，管片工作正常，應變值最大僅為0.0233%；在運營水壓1MPa時，不僅鋼筋混凝土上發(fā)育有較多裂紋，且管片上裂紋發(fā)育亦較豐富，最大應變增長了兩個兩級，達4.65%。綜上裂紋發(fā)育云圖可知，管片裂紋發(fā)育滯后于鋼筋混凝土，雙層襯砌結構的失穩(wěn)破壞主要由鋼筋混凝土襯砌失效引起。

圖4 雙層襯砌結構內部裂紋發(fā)育變化特征(從左至右依次為水壓0.1、0.6、1MPa)

為分析雙層襯砌結構管片上位移特征，給出管片拼接處內外位移變化量(如圖5所示)，從圖5中可看出，在運營水壓影響下，內位移變化量持續(xù)上升，最大位移可達0.24mm，平均運營水壓增大0.1MPa，內位移量增大了24.6%；與內位移量增大態(tài)勢不同的是，拼接處外位移變化幅度較小，從管片拼裝完成至運營水壓1MPa其間，外位移變化了0.015mm，表明在運營水壓影響下，管片上的裂紋主要由內位移引起，且逐步擴展延伸至雙層襯砌結構失穩(wěn)破壞。

圖5 管片拼接處內外位移變化量

3 三層襯砌結構形式分析

3.1 模型分析

三層襯砌結構形式其幾何模型如圖6所示。采用差縫拼接，每個管片厚度為360mm，按照1- 2- 1型安裝至渠道斷面，內襯鋼管與管片剛性耦合連接的方式，內襯鋼管直徑為4800mm，設置有加勁環(huán)保護套筒與管片的粘結性，每個加勁環(huán)橫向間距為400mm，栓釘間隔200mm布設，管片與內襯鋼管間澆筑有C30素混凝土，兩者間厚度為30mm，作為兩者間的荷載傳遞載體，因而此三層襯砌結構形式總體可分為管片-混凝土間隔-內襯鋼管結構。

圖6 三層襯砌結構幾何示意圖

3.2 水壓特征

與雙層襯砌結構水壓變化特征分析類似，給出三層襯砌結構水壓變化曲線，如圖7所示。從圖中襯砌結構部位水壓變化特征可知，在水壓運營期內，三層襯砌結構水壓呈“線彈性-微裂紋-局部失穩(wěn)-整體失穩(wěn)”4個階段，在水壓運營期0.2MPa內，管片、混凝土、內襯鋼管均處于線彈性變形狀態(tài)，且以混凝土所承擔水壓力最大，在水壓運營0.1MPa時，混凝土結構承擔了0.04MPa水壓。隨著運營期水壓增大，混凝土結構與內襯鋼管上承擔的水壓占比減少，而管片上水壓力承擔占比遞增，該階段內混凝土結構的水壓占比占比由38%降低至26%，且運營水壓平均每增長0.1MPa，混凝土結構與內襯鋼管上水壓占比分別降低3.7%、4.3%，從該階段內水壓變化可知，微裂紋在混凝土與鋼管上逐步產(chǎn)生，而管片上所需承擔的水壓穩(wěn)步增長。當運營水壓超過0.6MPa后，混凝土結構上水壓陡降，其內部裂紋快速貫通發(fā)育導致可承擔水壓降低，而由于混凝土結構上微裂紋的貫通，內襯鋼管上微裂紋受到較大壓密作用，進而承擔水壓增多，在運營水壓0.7MPa時，其承擔水壓可達0.29MPa，分析認為在混凝土結構局部失穩(wěn)破壞過程中，內襯鋼管起著良好的水壓承擔補充輔助作用，此一定程度上約束了管片上較大水壓的發(fā)展，運營期1MPa時管片上承擔水壓最大為0.5MPa。當運營水壓超過0.7MPa后，由于混凝土結構已失穩(wěn)破壞，三層襯砌結構實質上僅剩下管片與內襯鋼管兩個結構，在較大的水壓影響下管片承擔了接近50%的水壓，且內襯鋼管上水壓還在持續(xù)遞增發(fā)展，水壓對其破壞影響在運營水壓1MPa后。筆者認為，相比雙層襯砌結構，三層襯砌結構在混凝土結構局部失穩(wěn)破壞狀態(tài)下，水壓仍在良好襯砌狀態(tài)下運營，其失穩(wěn)破壞局面要出現(xiàn)在運營期1MPa區(qū)間外，因而此優(yōu)點可確保灌渠長期處于較好的輸水狀態(tài)，襯砌效果保證了水壓穩(wěn)定。

圖7 三層襯砌結構水壓變化特征

3.3 位移特征

圖8為三層襯砌結構中混凝土結構與管片在運營期水壓作用下裂紋發(fā)育狀態(tài)。從圖中可看出，在運營期水壓0.6MPa時，混凝土結構上應變值達0.55%，局部裂紋已發(fā)育較多，特別是在運營期水壓1MPa時，混凝土斷面頂、底部均已出現(xiàn)顯著張拉破壞，裂紋發(fā)育較多，且張拉變形所產(chǎn)生的裂紋占總裂紋接近90%；相比之下，在0.6MPa運營期水壓前，管片上并無顯著裂紋分布，表明管片在運營期水壓作用下，裂紋的發(fā)育進展較慢，管片處于較安全襯砌狀態(tài)，此亦印證了前述表明三層襯砌結構的安全襯砌有效期較長的觀點。

圖8 三層襯砌結構內部裂紋發(fā)育變化特征(從左至右依次為水壓0.1、0.6、1MPa)

根據(jù)拼接處位移量特征，獲得混凝土結構內、外位移量變化曲線，如圖9所示。從圖中混凝土內、外位移變化可知，混凝土外位移的快速增長發(fā)生在運營期水壓0.7MPa后，而內位移全過程均較穩(wěn)定，僅在運營期水壓1MPa后位移上升至最大，達0.08mm。分析混凝土的位移量特征可知，混凝土外位移的擴展，而導致鋼管與管片上承擔的水壓增大，且其在運營水壓1MPa下仍具有位移增長能力，表明三層襯砌結構形式中混凝土的破壞并不是一蹴而就，而是處于長期緩慢破壞的過程。從工程安全應用角度考慮，山東半島地區(qū)輸水工程襯砌結構選擇三層襯砌形式更具安全使用價值。

圖9 混凝土結構內、外位移量變化

4 結語

(1)雙層襯砌結構水壓變化呈“雙層共承擔-鋼筋混凝土失穩(wěn)破壞-內襯管片失效”三階段特征，鋼筋混凝土在水壓0.7MPa發(fā)生失穩(wěn)破壞。

(2)雙層襯砌結構中管片上最大應變相比拼裝完成時增大了3個量級，且管片裂紋發(fā)育滯后于鋼筋混凝土；水壓增大0.1MPa，管片拼接處內位移量平均增大24.6%。

(3)三層襯砌結構水壓呈“線彈性-微裂紋-局部失穩(wěn)-整體失穩(wěn)”四個階段，混凝土局部失穩(wěn)狀態(tài)下，襯砌結構仍具有良好襯砌效果。

(4)三層襯砌結構中混凝土結構發(fā)育有較多張拉裂紋，占比總裂紋超過90%，管片上裂紋發(fā)育進展較緩慢；其破壞處于長期緩慢過程。