何 帥，吳俊杰

(1.新疆水利電力建設(shè)總公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆克拉瑪依地區(qū)地處新疆西北的準(zhǔn)噶爾盆地的西北緣，是一座現(xiàn)代化的石油工業(yè)城市。由于地處沙漠邊緣，該地區(qū)干旱、少雨、風(fēng)沙大，氣候條件十分惡劣[1- 3]。新疆引水工程的建設(shè)運行解決了克拉瑪依的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)人民生活的用水問題。但在運行管理過程中，部分構(gòu)筑物存在材料劣化、結(jié)構(gòu)變形等與結(jié)構(gòu)耐久性、安全性相關(guān)的缺陷[4- 8]。由于本工程4#渡槽在解決輸水任務(wù)中起到了關(guān)鍵作用，同時運行時間超過20年渡槽各個段結(jié)構(gòu)縫部位出現(xiàn)了較大的不均勻沉降變形，導(dǎo)致長時間漏水，因此，本次任務(wù)是對風(fēng)克干渠4#渡槽結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)安全進(jìn)行評價。

本工程基礎(chǔ)正是位于侏羅系紫紅色泥巖、砂巖地層內(nèi)，該處存在季節(jié)性洪水及渡槽常年漏水下滲，對于軟巖而言，面臨最大的問題是遇水軟化，導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降。由于軟化后試件的室內(nèi)壓縮試驗的條件與現(xiàn)場實際條件相差較大，導(dǎo)致室內(nèi)試驗得到的壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)一般比實際值偏小，而壓縮模量則偏大，這樣就造成了采用室內(nèi)壓縮指數(shù)和壓縮模量計算的最終沉降量比實測沉降量要小。目前，還沒有很好的方法從理論上對室內(nèi)試驗得到的壓縮指標(biāo)進(jìn)行合理的修正，而現(xiàn)場實測沉降數(shù)據(jù)則較真實地反映了地基土層的變形特征[9- 12]。本文將利用實測的沉降數(shù)據(jù)來反算地基軟化后巖層的各項指標(biāo)參數(shù)，為評價一些老的水利工程結(jié)構(gòu)安全性提供依據(jù)。

1 工程概況

本工程位于福?？h至克拉瑪依市中間段。需要利用三維有限元方法計算的風(fēng)克干渠4#渡槽距克拉瑪依市以東約30km，長約300m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，出露巖性為侏羅系紫紅色泥巖、砂巖，為Ⅳ圍巖，混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C25。根據(jù)風(fēng)克干渠4#渡槽根據(jù)監(jiān)測資料及現(xiàn)場情況，以及渡槽基礎(chǔ)所處的巖性及環(huán)境位于沖溝段，該段渡槽為混凝土條形基礎(chǔ)，由于侏羅系軟巖具有親水膨脹，濕化崩解，承載力較低等特點，加之溝底的季節(jié)性洪流及降水、降雨對建筑物基礎(chǔ)的影響，侏羅系泥巖、砂巖基礎(chǔ)承載力建議值0.8～1.0MPa，遇水承載力降低。由于4#渡槽沒有觀測設(shè)施，2008年生產(chǎn)技術(shù)科安排布置了24個沉降觀測點(膨脹螺絲)，并在渡槽兩端布置兩個固定樁，用于觀測。當(dāng)年沒有測絕對沉降量，測得相對沉降量最大70mm，最小3mm。2013年3月18日相關(guān)技術(shù)人員測得相對沉降量最小2mm，最大69～73mm。詳見風(fēng)克干渠4#渡槽變形監(jiān)測記錄表1，4#渡槽現(xiàn)場照片如圖1所示。

4#渡槽位于IV區(qū)(91+485.3—91+785.3m)，全長300m。該處地形起伏較大，沖溝底寬80m，高程393，深6～8m，溝坡坡度約15°溝底覆蓋層厚1～3m，兩溝坡屬于侏羅系灰綠-紫紅色泥巖，砂巖。據(jù)對同類地層的勘探，分析強(qiáng)風(fēng)化層深度5～8m。

圖1 4#渡槽現(xiàn)場照片

由于侏羅系軟巖工程特性中具有親水膨脹，濕化崩解，承載力較低等諸多不利因素。弱風(fēng)化砂巖的干密度為2080kg/m3，干抗壓強(qiáng)度1.43～2.35MPa，飽和抗壓強(qiáng)度為0.12～0.35MPa，干抗剪強(qiáng)度40°，黏聚力為1.1MPa，彈性模量為0.76～0.88GPa，變形模量為0.55 ～0.67GPa，渡槽基礎(chǔ)放在強(qiáng)風(fēng)化巖體的下部，基礎(chǔ)承載力為0.4MPa。

本次模擬的4#渡槽縱橫剖面結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 有限元計算模型

2.1 幾何建模

幾何建模主要通過Autodesk Inventor建立三維參數(shù)化渡槽模型。主要方法是利用參數(shù)化文件控制各個子模型，之后將子模型拼裝成一個整體模型，用于后續(xù)計算。建立好的實體幾何模型輸出為*.sat文件導(dǎo)入有限元軟件，導(dǎo)入之后為實體模型，通過幾何劃分將不可劃分的實體模型變?yōu)榭梢詣澐志W(wǎng)格的模型，賦予材料屬性、設(shè)置輸出變量，具體模型如圖3—4所示。

2.2 邊界條件、網(wǎng)格劃分

邊界條件及約束條件是對計算結(jié)果影響較大的因素，但一般的靜力彈塑性計算邊界及約束條件較為明確，模型底部約束X，Y，Z三個方向位移，渡槽順河向限制X向位移，垂直渡槽方向限制Y向位移，具體模型如圖5—6所示。渡槽共6段，渡槽網(wǎng)格個數(shù)為37080個，節(jié)點數(shù)為53712。地基和排架網(wǎng)格單元為78020個，節(jié)點數(shù)為91207個，全部網(wǎng)格一共115100個，采用一臺服務(wù)器進(jìn)行計算。

2.3 計算工況及荷載

本次計算采用靜三維有限元法反演地基變形以及承載力情況，主要從目前提供資料來看，地基沉降比較明顯，最為明顯的兩個地方是2- 2～3- 1段沖溝以及第5段渡槽槽身比較明顯，控制工況為運行工況。

圖2 4#渡槽縱橫剖面結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

圖3 4#渡槽、排架、基礎(chǔ)三維實體有限元模型

圖4 4#渡槽、排架三維實體有限元模型

圖5 4#渡槽、排架、基礎(chǔ)三維有限元網(wǎng)格模型

圖6 4#渡槽、排架三維有限元網(wǎng)格模型

本次計算結(jié)構(gòu)以上的主要荷載有：初始地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自重、水荷載、風(fēng)荷載。

永久荷載：結(jié)構(gòu)自重(鋼筋混凝土襯砌自重)，荷載分項系數(shù)1.0。

可變作用(荷載)：水荷載、風(fēng)荷載。

設(shè)計流量水深1.73m，加大流量水深2.00m。依據(jù)GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計算：

wk=βzμsμzwo

(1)

式中，wk—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz—高度Z處的風(fēng)振系數(shù)；μs—風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)；wo—基本風(fēng)壓，kN/m2。

現(xiàn)將單段10m渡槽風(fēng)壓力計算過程列于表1中，水平荷載計算過程見表2。

3 渡槽三維計算成果分析

通過反復(fù)組合地基材料參數(shù)反演渡槽與地基沉降值，擬合可知有限元計成果與2013、2014、2015年的成果擬合度為92%，基本可以認(rèn)為反演成果已經(jīng)接近實測值，具體計算參數(shù)見表1。

從圖7—8可以得知，在沖溝兩岸處豎向位移比較大，最大豎向位移值在第5段渡槽基礎(chǔ)處為7.07cm，其次是第2段和第3段渡槽地基處，最大豎向位移值為3.90cm，地基反演材料參數(shù)見表3，地基沉降反演成果見表4。從表4可以得知，第5段渡槽基礎(chǔ)處和第2段和第3段渡槽地基處的強(qiáng)度衰減最大分別達(dá)到90%和94%，由于沖溝內(nèi)是侏羅系軟巖工程特性中具有親水膨脹，濕化崩解，承載力較低，當(dāng)下雨或發(fā)生季節(jié)性洪水時，邊坡兩側(cè)雨水匯集與第2段和第3段渡槽地基處和第5段渡槽基礎(chǔ)處，之后下滲使得該處地基濕化崩解承載力較低導(dǎo)致地基剛度衰減，最終使得基礎(chǔ)發(fā)生沉降，地基軟化從而使得渡槽跟隨基礎(chǔ)一起沉降。

表1 單段10m每段渡槽風(fēng)壓力計算表

表2 水平向荷載計算表

圖7 渡槽三維槽身豎向位移云圖(單位：m)

圖8 渡槽、地基沉降反演成果云圖(單位：m)

表3 地基反演材料參數(shù)表

表4 地基沉降反演成果表

圖9為運行工況渡槽槽身拉應(yīng)力云圖從中可以得知，渡槽兩段屬于懸挑式，中間屬于簡支梁，在運行工況時渡槽兩端由于是懸挑在外的，那么渡槽懸挑根部上表面拉應(yīng)力很大，最大值為1.123MPa小于C25混凝土的抗拉強(qiáng)度1.27MPa，渡槽槽身結(jié)構(gòu)抗拉性能滿足要求。

圖9 運行工況渡槽三維槽身拉應(yīng)力云圖(變形放大1000倍，單位：Pa)

圖10是運行工況渡槽基礎(chǔ)地基反力及豎向位移云圖，從該圖可以得知渡槽基礎(chǔ)的地基反力，通過抗滑穩(wěn)定計算可以得知渡槽的抗滑穩(wěn)定任然滿足規(guī)范要求，具體過程見表5。

圖10 運行工況渡槽基礎(chǔ)地基反力及豎向位移云圖(單位：m)

表5 抗滑穩(wěn)定計算表

4 結(jié)語

(1)渡槽竣工后由于人為因素監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)，監(jiān)測資料不是特別準(zhǔn)確，但是通過擬合基本可以看出渡槽的變形規(guī)律，通過反復(fù)組合地基材料參數(shù)反演渡槽地基沉降值，基本可以認(rèn)為反演成果已經(jīng)接近實測值。

(2)在現(xiàn)有實測資料下，通過反演渡槽的最大豎向位移值在第5段渡槽基礎(chǔ)處為7.07cm，其次是第2、3段渡槽地基處，最大豎向位移值3.90cm，據(jù)推測可能由于沖溝內(nèi)的地基基礎(chǔ)是侏羅系軟巖，該軟巖具有親水膨脹、濕化崩解、承載力較低的特性，當(dāng)下雨或發(fā)生季節(jié)性洪水及結(jié)構(gòu)縫隙長期外滲水留向沖溝時，邊坡兩側(cè)雨水匯集于第2、3、5段渡槽基礎(chǔ)處，之后一部分水份蒸發(fā)，絕大部分下滲，使得侏羅系軟巖地基濕化崩解，承載力降低，最終使得基礎(chǔ)發(fā)生沉降，每處地基軟化程度不一樣從而使得渡槽跟隨基礎(chǔ)一起發(fā)生不均勻沉降，渡槽結(jié)構(gòu)縫發(fā)生豎向、張拉以及緊縮變形。

(3)運行工況渡槽槽身拉應(yīng)力云圖中可以得知，渡槽兩段屬于雙懸臂式等跨渡槽，中間屬于簡支梁，在運行工況時渡槽兩端是懸挑在外，那么渡槽懸挑根部上表面拉應(yīng)力很大，最大值為1.123MPa，小于C25混凝土的抗拉強(qiáng)度1.27MPa，渡槽槽身結(jié)構(gòu)抗拉性能滿足要求。

(4)通過抗滑穩(wěn)定計算可以得知在目前情況下渡槽的抗滑穩(wěn)定任然滿足規(guī)范要求。

(5)由于渡槽基礎(chǔ)較大，計算出目前地基最大壓應(yīng)力仍然小于地基容許承載力。第4、5、6段渡槽基礎(chǔ)處交界處和第2、3段渡槽地基交界處偏心距快接近臨界值，如不對地基進(jìn)行處理后期水流繼續(xù)下滲，可能導(dǎo)致地基繼續(xù)不均勻沉降，影響渡槽的運行安全。