跨活斷層鋼襯鋼筋混凝土管道對斷層錯(cuò)動(dòng)的適應(yīng)性及抗震性研究

張 彪，石長征，伍鶴皋，蘇 凱，張榮斌

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072)

0 引 言

我國的水資源總量雖然豐富，但在時(shí)間和空間上分布極不均勻，跨流域、長距離的引調(diào)水工程是解決局部區(qū)域水資源短缺，合理配置全國水資源的有效舉措[1]。跨流域調(diào)水工程輸水線路長，管線很難避免穿過斷層，甚至是活斷層。斷層又稱斷裂，而斷層帶是指由主斷層面及其兩側(cè)破碎巖塊以及若干次級斷層或破裂面組成的地帶，又稱斷裂帶或破碎帶。如掌鳩河引水供水工程，輸水線路長約97.6 km，全線寬度大于10 m的斷層和破碎帶多達(dá)60多條，其中工程區(qū)規(guī)模最大的主斷裂帶寬度約為150 m[2]；云南老虎山的輸水管線跨越深厚覆蓋層下的紅河大斷裂帶，主斷裂帶的寬度接近100 m[3]；云南牛欄江-滇池補(bǔ)水工程，輸水線路跨越區(qū)域性小江活動(dòng)斷裂帶，歷史上沿該斷裂多次發(fā)生7.0級及以上震級的地震，對工程安全性的影響較大[4]。活斷層按其活動(dòng)性質(zhì)分為蠕滑型和黏滑型。蠕滑型活斷層只有長期緩慢的相對位移變形，不發(fā)生地震或只有少數(shù)微弱地震。黏滑型斷層的位移變形是突然發(fā)生的，并同時(shí)伴發(fā)較強(qiáng)的地震。實(shí)際上，純粹的蠕滑斷層是非常罕見的，一般情況下，在同一條活動(dòng)斷層中，無震的蠕滑和伴有地震的黏滑現(xiàn)象都存在。深大活動(dòng)性斷裂帶的寬度常達(dá)百米以上，活動(dòng)斷裂帶常年發(fā)生的蠕滑變形，以及突發(fā)的黏滑變形和地震，是工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大隱患，因而結(jié)構(gòu)適應(yīng)活斷層錯(cuò)動(dòng)變形的能力和抗震性應(yīng)成為考察重點(diǎn)之一[5]。

目前明鋼管在跨活斷層的管道結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多[3-6]。這是由于明鋼管結(jié)構(gòu)簡單，承壓能力較高，對變形和不良地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)。為了適應(yīng)活斷層的錯(cuò)動(dòng)變形，一般在過斷層的局部管線上布置多個(gè)伸縮節(jié)，以減小斷層變形對結(jié)構(gòu)的影響。但是，明鋼管的支承結(jié)構(gòu)主要是滑動(dòng)支座，遭遇地震時(shí)，鋼管與支座可能產(chǎn)生較大的相對運(yùn)動(dòng)，可能從支墩上掉落，引發(fā)鎮(zhèn)墩間管線較大的破壞。故近來在長引水管道的設(shè)計(jì)中，也開始使用鋼襯鋼筋混凝土管道。常規(guī)設(shè)計(jì)中，鋼襯鋼筋混凝土管道可以取消伸縮節(jié)[7]，但為了適應(yīng)活斷層的變形，管線中仍然需要布置較多伸縮節(jié)，在地震中，管道如何運(yùn)動(dòng)變形、管道與地基之間是否會(huì)出現(xiàn)大的滑移，這些問題均有待研究。近年來地震頻發(fā)，對穿越活動(dòng)斷裂帶的管道結(jié)構(gòu)的抗震性展開研究是十分必要的。

鑒于以上現(xiàn)狀，本文將結(jié)合某引水工程，對跨活動(dòng)斷裂帶、地震高發(fā)區(qū)的管道結(jié)構(gòu)，采用地面鋼襯鋼筋混凝土管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用有限單元法，研究鋼襯鋼筋混凝土管道對活斷層錯(cuò)動(dòng)位移的適應(yīng)性及抗震性。

1 工程概況與布置方案

某引水工程倒虹吸管段，管道直徑2.6 m，內(nèi)水壓力最高達(dá)2.42 MPa。管道所穿越的斷裂是現(xiàn)今仍在活動(dòng)的斷裂，存在發(fā)生地震的可能，斷層破碎影響帶是指斷裂帶中除中間主斷裂帶外兩側(cè)破碎巖塊以及若干次級斷層或破裂面組成的地帶，本工程中，斷層影響帶范圍寬度接近500 m，設(shè)計(jì)地震加速度峰值為0.3 g。

活動(dòng)斷裂位于山坡，本文取山坡上的管段為研究對象，管線全長1 604.158 m，地質(zhì)剖面和管道布置詳見圖1。采用地面鋼襯鋼筋混凝土管道布置型式，在管道起始端以及平面和立面轉(zhuǎn)彎處共布置10個(gè)鎮(zhèn)墩。沿管線布置了10個(gè)伸縮節(jié)，主要設(shè)在主斷層及其影響帶范圍內(nèi)，以適應(yīng)活斷層的錯(cuò)動(dòng)位移。

圖1 地質(zhì)剖面和管道布置圖

鋼管鋼材采用Q345R，管道、鎮(zhèn)墩和支墩的混凝土采用C25，巖土材料主要包括第三系黏土、白云巖類以及斷裂帶，各材料主要力學(xué)參數(shù)見表1。伸縮節(jié)采用復(fù)式波紋管伸縮節(jié)，波紋管伸縮節(jié)設(shè)計(jì)軸向和橫向變形均為100 mm，單個(gè)波紋管軸向剛度為2 000 kN/m，伸縮節(jié)整體軸向剛度1 000 kN/m。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算模型及工況

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型根據(jù)工程布置建立，模型包括鋼管及外包混凝土、伸縮節(jié)、鎮(zhèn)墩及地基。混凝土和地基由實(shí)體單元模擬；鋼管采用殼單元模擬；波紋管采用二節(jié)點(diǎn)梁單元模擬，梁單元的軸向剛度等于波紋管的軸向剛度，中間連接管采用管單元模擬。計(jì)算中考慮管道混凝土與地基接觸面上的摩擦力和黏聚力，摩擦系數(shù)取0.45，黏聚力取100 kPa。基巖的上下游端面和左右兩側(cè)施加法向約束，基巖底部施加全約束，其他表面按自由邊界考慮。整體坐標(biāo)系X軸水平指向下游為正，Y軸鉛直向上為正，Z軸正方向垂直于X軸指向右側(cè)(面向下游)。模型整體網(wǎng)格示意圖見圖2。

2.2 計(jì)算荷載及工況

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下5個(gè)工況的計(jì)算，各工況荷載組合見表2。計(jì)算中考慮的主要荷載如下：

(1)內(nèi)水壓力：作用于鋼管內(nèi)壁，最大靜水壓力為2.42 MPa，由于管道無閘控制，無水擊壓力。

(2)斷裂帶蠕滑變形：根據(jù)預(yù)測，未來百年位移設(shè)防的水平位移為2.0 m，垂直(豎向)位移為0.32 m。在本計(jì)算中，管道設(shè)計(jì)使用年限為50 a，在該年限內(nèi)活動(dòng)斷層水平位移量累計(jì)達(dá)1.0 m，垂直位移量累計(jì)為0.16 m。水平錯(cuò)動(dòng)和上、下盤之間的鉛直滑動(dòng)均會(huì)在沿管軸向產(chǎn)生水平壓縮的位移，該位移量累計(jì)為0.33 m。計(jì)算時(shí)假設(shè)斷層影響帶左端面固定，右端相對左端發(fā)生位移，所有位移均作用于地基之上。斷層蠕滑錯(cuò)動(dòng)位移的示意圖見圖3。

(3)斷裂帶黏滑變形：根據(jù)曲江斷裂未來100年最大突發(fā)地震，斷裂帶地表錯(cuò)動(dòng)位移取水平2.2 m，垂直0.39 m，集中發(fā)生在主斷層位置，施加方法與蠕滑錯(cuò)動(dòng)位移類似。

圖3 斷層蠕滑錯(cuò)動(dòng)位移的示意圖

(4)地震：本文地震加速度峰值為0.3 g，特征周期0.45 s。按照《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB35047- 2015)的規(guī)定，取阻尼比5%，反應(yīng)譜最大值代表值2.5，確定水平向和豎向標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜，生成人工波作為輸入的地震動(dòng)加速度時(shí)程(如圖4所示)。地震動(dòng)力分析時(shí)，管內(nèi)水體的質(zhì)量等效為管壁附加質(zhì)量，地基采用無質(zhì)量地基。

3 計(jì)算結(jié)果分析

由于跨活動(dòng)斷裂帶管道的特殊性，兩個(gè)鎮(zhèn)墩之間，可能存在多個(gè)伸縮節(jié)，因此管道的柔性比一般管道結(jié)構(gòu)的柔性大，因此管道和伸縮節(jié)的位移是關(guān)注的重點(diǎn)。

3.1 靜力計(jì)算分析

3.1.1 位移分析

無論是蠕滑變形工況還是黏滑變形工況，管道結(jié)構(gòu)仍隨著地基運(yùn)動(dòng)，相對地基的滑移量較小。鎮(zhèn)墩處管道結(jié)構(gòu)的位移與地基的位移基本相同，鎮(zhèn)墩間地基的變形將由管道和伸縮節(jié)共同分擔(dān)。

圖5為伸縮節(jié)上、下游端3個(gè)方向位移差(下游端位移減上游端位移)變化曲線。各工況位移均在各管段的局部笛卡爾坐標(biāo)系下整理得到，x向?yàn)榇怪庇诠茌S線沿橫河向，其中y向?yàn)榇怪庇诠茌S線向上，z向?yàn)楣茌S線方向，指向下游為正。

(1)正常運(yùn)行工況下，伸縮節(jié)兩端部的相對位移均較小，主要適應(yīng)結(jié)構(gòu)的不均勻沉降和泊松效應(yīng)引起的管軸線收縮，3號(hào)和4號(hào)鎮(zhèn)墩之間的管段由于兩端均為伸縮節(jié)，向下游產(chǎn)生了相對較大的滑移，使得一側(cè)的伸縮節(jié)拉伸，另一側(cè)壓縮，變形量分別為7.5 mm和-8.72 mm。

圖5 靜力工況伸縮節(jié)三向位移差變化曲線

(2)蠕滑變形工況下，在x方向上伸縮節(jié)兩端部相對位移較為均勻，最大值達(dá)18.15 mm；y方向最大位移差為4.41 mm；在z向上各伸縮節(jié)的變形較為均勻，位移最大值為54.69 mm。10個(gè)伸縮節(jié)軸向相對位移之和為356.57 mm，減去因內(nèi)水壓力和自重產(chǎn)生相對位移之和36.54 mm，差值為320.03 mm，大致接近水平壓縮位移330 mm。說明地基大部分的水平壓縮位移由伸縮節(jié)來承擔(dān)，管道承擔(dān)一小部分水平位移和橫向位移。

(3)黏滑變形工況下，3～7號(hào)伸縮節(jié)處于主斷層范圍，伸縮節(jié)各向的最大變形均出現(xiàn)在上述幾個(gè)伸縮節(jié)中。3號(hào)伸縮節(jié)兩端的x向位移差值最大，相對位移量達(dá)到了127.67 mm，主斷層在橫向的不均勻變形也較為明顯，從而帶動(dòng)了伸縮節(jié)上下兩端在橫向的錯(cuò)動(dòng)。4號(hào)伸縮節(jié)兩端的y向位移差值最大，相對位移量達(dá)到了19.46 mm，這主要是由于主斷層的不均勻沉降比較明顯，并且該處管道的豎直方向的傾角也比較大。7號(hào)伸縮節(jié)兩端的z向位移差值最大，相對位移量達(dá)到了251.87 mm，由于主斷層的水平錯(cuò)動(dòng)以及垂直上抬，導(dǎo)致此處的斷層上盤向上游的擠壓效果顯著。從伸縮節(jié)的變形來看，在黏滑錯(cuò)動(dòng)工況下，主斷層劇烈扭轉(zhuǎn)，主斷層上的伸縮節(jié)承擔(dān)大部分水平向的壓縮變形，另外還需要承擔(dān)一部分橫向錯(cuò)動(dòng)位移。

3.1.2 應(yīng)力分析

選取位于主斷層上方的3號(hào)和4號(hào)鎮(zhèn)墩之間的管段進(jìn)行應(yīng)力分析，圖6～圖8列出了各靜力工況的外包混凝土應(yīng)力的等值線圖。

(1)正常運(yùn)行工況下，內(nèi)襯鋼管與外包鋼筋混凝土聯(lián)合承載，鋼襯Mises應(yīng)力較小，由于計(jì)算中混凝土是線彈性的，因此鋼管外包混凝土應(yīng)力較大，管道混凝土環(huán)向應(yīng)力超過了C25混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa，環(huán)向應(yīng)力最大達(dá)到2.79 MPa。環(huán)向應(yīng)力主要由內(nèi)水壓力引起，超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.78 MPa，混凝土必然會(huì)出現(xiàn)徑向裂縫，需要通過配置環(huán)向鋼筋予以解決。管道混凝土的軸向應(yīng)力較小，大部分為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力不超過0.5 MPa。

(2)正常運(yùn)行+蠕滑變形工況下，鋼襯Mises應(yīng)力分布與正常運(yùn)行工況鋼襯的Mises應(yīng)力分布一樣，數(shù)值較小。該工況管道混凝土環(huán)向應(yīng)力分布與正常運(yùn)行工況管道混凝土環(huán)向應(yīng)力分布基本一致，數(shù)值也非常接近，說明管道環(huán)向應(yīng)力基本不受蠕滑變形的影響。管道混凝土的軸向應(yīng)力較也小，大部分為壓應(yīng)力，而拉應(yīng)力不超過0.6 MPa，不會(huì)引起管道開裂。

(3)正常運(yùn)行+黏滑變形工況下，鋼管的Mises應(yīng)力比正常運(yùn)行工況鋼管的Mises應(yīng)力略有增大，最大為32.22 MPa。管道混凝土在該工況下的環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力相比正常運(yùn)行工況下的環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均有增加，說明黏滑變形影響較大，環(huán)向應(yīng)力最大壓應(yīng)力3.19 MPa，最大拉應(yīng)力達(dá)4.67 MPa，超過了混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；軸向應(yīng)力最大壓應(yīng)力為12.75 MPa，最大拉應(yīng)力達(dá)5.22 MPa，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均超過了強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，必須予以配筋處理。

圖6 正常運(yùn)行工況管道應(yīng)力

圖7 正常運(yùn)行+蠕滑變形工況管道應(yīng)力

圖8 正常運(yùn)行+黏滑變形工況管道應(yīng)力

上述計(jì)算結(jié)果表明，在活動(dòng)斷層蠕滑變形作用下，斷層的變形主要由伸縮節(jié)承擔(dān)，而鋼襯鋼筋混凝土管道承擔(dān)的較少，管道的應(yīng)力與正常運(yùn)行工況下管道的應(yīng)力比較接近。只要設(shè)置一定數(shù)量的伸縮節(jié)，管道結(jié)構(gòu)能較好適應(yīng)斷層蠕滑變形。而黏滑變形量大，主要發(fā)生在主斷層范圍，對主斷層范圍內(nèi)伸縮節(jié)和管道的影響較大，結(jié)構(gòu)失效的可能性較高。由于目前用于水工結(jié)構(gòu)的波紋管伸縮節(jié)允許變形量一般在100 mm以下，若要由伸縮節(jié)完全適應(yīng)黏滑變形，則伸縮節(jié)數(shù)量將增加較多，除了增加成本外，也為管道布置帶來困難，并且過多的伸縮節(jié)將對結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來不利影響。因此，對于黏滑變形，建議以控制結(jié)構(gòu)破壞范圍，減小次生災(zāi)害為目標(biāo)。根據(jù)本文的計(jì)算，在主斷層邊緣設(shè)置伸縮節(jié)，就能有效將結(jié)構(gòu)破壞范圍控制在主斷層范圍內(nèi)。

3.2 動(dòng)力計(jì)算分析

3.2.1 位移分析

圖9為伸縮節(jié)上、下游端三個(gè)方向位移差變化曲線。正常運(yùn)行+地震工況下，由于橫向地震的作用，x方向上在4號(hào)伸縮節(jié)處達(dá)到最大位移差，為20.32 mm；在y方向上伸縮節(jié)兩端部相對位移均很小；伸縮節(jié)z向位移差較大，在4號(hào)伸縮節(jié)處最大的伸縮變形達(dá)到了42.41 mm，主要是由于4號(hào)伸縮節(jié)位于的管段兩端均為伸縮節(jié)，且管段位于主斷層之上，地質(zhì)條件較差。

正常運(yùn)行+蠕滑變形+地震工況下，由于蠕滑變形和橫向地震共同作用，x方向上在7號(hào)伸縮節(jié)處最大位移差達(dá)到36.97 mm；在y方向上伸縮節(jié)兩端部相對位移均很小；在z向上伸縮節(jié)位移差較大，在8號(hào)伸縮節(jié)最大的伸縮變形達(dá)到了94.73 mm，已經(jīng)接近伸縮節(jié)伸縮量的設(shè)計(jì)值100 mm。主要是由于8號(hào)伸縮節(jié)位于主斷層下游端附近，地質(zhì)條件差，承擔(dān)的蠕滑變形較大，并且所處的管段坡度較大。

圖9 動(dòng)力工況伸縮節(jié)三向位移差變化曲線

3.2.2 應(yīng)力分析

圖10～圖11列出了3號(hào)和4號(hào)鎮(zhèn)墩之間的管段各動(dòng)力工況的鋼管外包混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖的等值線圖。

(1)正常運(yùn)行+地震工況下，鋼管的Mises應(yīng)力與正常運(yùn)行工況下鋼管的Mises應(yīng)力差別不大。管道混凝土的環(huán)向應(yīng)力分布規(guī)律與正常運(yùn)行工況下管道混凝土的環(huán)向應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，應(yīng)力數(shù)值比正常運(yùn)行工況下的應(yīng)力數(shù)值有所增加，最大的環(huán)向應(yīng)力為4.92 MPa。管道混凝土的軸向應(yīng)力較小，大部分為壓應(yīng)力或數(shù)值較小的拉應(yīng)力。

(2)正常運(yùn)行+蠕滑變形+地震工況下，最大表面Mises應(yīng)力分布規(guī)律與正常運(yùn)行+地震工況下的Mises應(yīng)力分布規(guī)律接近，但由于管道軸向應(yīng)力增加，Mises應(yīng)力數(shù)值比正常運(yùn)行工況下Mises應(yīng)力數(shù)值有所減小。管道混凝土環(huán)向應(yīng)力仍主要由內(nèi)水壓力引起，在地震的作用下拉應(yīng)力有所增大，最大環(huán)向應(yīng)力達(dá)到3.16 MPa。管道的軸向應(yīng)力大部分為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力不超過2.4 MPa，拉應(yīng)力基本不超過0.8 MPa。

總體而言，在正常運(yùn)行+地震工況下，波紋管伸縮節(jié)的變形不超過50 mm，管道的應(yīng)力比正常運(yùn)行工況下管道的應(yīng)力有所增加，管道混凝土環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力整體變化不大。斷層已發(fā)生50 a蠕滑變形的情況下，如果遭遇地震，波紋管伸縮節(jié)的伸縮量最大值接近100 mm，結(jié)構(gòu)仍能保證安全，管道應(yīng)力變化也不大。總而言之，管道具有較好的抗震性。

圖10 正常運(yùn)行+地震工況管道最大應(yīng)力包絡(luò)圖

圖11 正常運(yùn)行+蠕滑變形+地震工況管道最大應(yīng)力包絡(luò)圖

4 結(jié) 語

(1)采用鋼襯鋼筋混凝土管道、沿線設(shè)置一定數(shù)量的伸縮節(jié)能較好適應(yīng)活斷層的蠕滑位移，在鎮(zhèn)墩設(shè)置比較均勻的情況下，伸縮節(jié)的變形也比較均勻。

(2)地震作用對鋼襯鋼筋混凝土管道的環(huán)向應(yīng)力影響較小，對管道的軸向應(yīng)力有一定影響，由于管道直接敷設(shè)于地表或淺埋于土中，地震的影響較小，即使管道已經(jīng)承受一定年限的蠕滑變形后，仍然有較好的抗震能力。

(3)活動(dòng)斷裂帶的黏滑變形，位移量大，發(fā)生的范圍通常集中在主斷層附近，而且常常伴隨著強(qiáng)震，對主斷層附近的結(jié)構(gòu)破壞性極大。如果需要管道完全滿足黏滑變形的要求，代價(jià)較大，可在主斷層邊緣布置伸縮節(jié)，就能有效將結(jié)構(gòu)破壞范圍控制在主斷層范圍內(nèi)，從而盡量減少主斷層范圍外管段的破壞。