在役大型石拱渡槽安全性評價與病害治理研究

廉前進 張艷 尚峰

摘 要：結合某在役大型石拱渡槽工程實例，在借鑒橋梁結構及類水工建筑物評價的基礎上，依據石拱渡槽結構自身特點，運用現場檢測分析、靜力分析、動力分析三位一體的分析方法，對該在役大型石拱渡槽工程安全性及病害機理進行了全面綜合分析，并給出了有針對性的病害治理方案。指出：結合石拱渡槽結構特點全面布置檢測與數值模擬分析相結合的全新檢測分析評價方案，可從整體到局部、外部到內部充分分析渡槽病害產生的機理，對石拱類渡槽具有普遍適用性。

關鍵詞：石拱渡槽;工程檢測;數值模擬;動力分析;病害分析

Abstract：Based on the evaluation of bridge structure and similar hydraulic structures and the characteristics of stone arch aqueduct structure， the safety and disease mechanism of a large-scale stone arch aqueduct in service were studied by using the trinity analysis method of field test analysis， static analysis and dynamic analysis. A comprehensive and inclusive analysis was conducted. It is pointed out that the structural analysis and the evaluation plan of the stone arch aqueduct， which combining comprehensive testing with numerical simulation analysis， can fully analyze the aqueduct disease generation mechanism from the whole to the local and from the external to the internal. This method has universal applicability to stone arch aqueducts.

Key words： stone arch aqueduct; engineering inspection; numerical simulation; dynamic analysis; disease analysis

渡槽作為常見的輸水建筑物，不僅可以發揮城鎮生活用水、工業用水的跨流域、跨地區調配作用，還可以達到排洪、導流的目的。渡槽在建成投入使用后，隨著時間的推移，在荷載及惡劣環境作用下，不可避免地會產生病害損傷。根據相關資料，對我國195處大型灌區10 213座渡槽調查分析顯示，其中：2 882座嚴重病害老化，973座已經失效，683座已完全報廢。隨著時間的發展，渡槽工程病害老化問題日趨嚴重。20世紀50年代初期我國建設的渡槽多用木、石結構，其中石拱結構渡槽最為常見，是當今渡槽病害最為嚴重的一種類型。近年來，國內外一些學者針對渡槽病害采用新技術和方法進行了研究。潘洪科等[1]結合某大型渡槽工程實例，對渡槽進行了工程檢測、評價與病害處理并結合檢測信息進行了三維數值模擬分析，提出了相應的治理方案。Suarez等[2]對阿爾罕布拉渡槽進行幾何建模，通過崩潰的風險概率幾何定義，研究了渡槽崩潰風險概率，并優化了拱截面的厚度。陳國昕[3]對西安市黑河輸水渠道渡槽進行檢測、分析，提出了合理的處理方案。李華強[4]針對引沁灌區咽喉工程東方紅渡槽，闡述了丙乳砂漿與碳纖維技術在渡槽加固中的運用。李斌等[5]通過檢測渡槽混凝土結構保護層中鐵離子含量推斷鋼筋的銹蝕程度，并對銹蝕檢測儀的有效性進行了研究。馬斌等[6]針對南水北調工程中渡槽混凝土裂縫問題進行了統計分析，對裂縫的產生機理進行了論述，并針對不同形式的裂縫提出了相應的處理措施。李小東等[7]針對大型灌區，介紹了明渠混凝土襯砌的施工方法，通過分析長距離混凝土明渠襯砌施工中存在的問題，探討了渠道混凝土襯砌施工方案和質量控制措施。雷宇[8]對水工混凝土建筑物病害檢測與修補技術進行了分析與探討。練偉東等[9]分析了水工混凝土建筑物的病害成因，對常見的混凝土病害和滲漏問題防治措施進行了詳細分析。洪華[10]對圬工拱橋病害產生機理進行全面、深入剖析，總結出圬工拱橋可能產生的各種病害，并對每種病害可能產生的原因進行了詳盡闡述，探討了拱橋加固相關理論。陸采榮等[11]結合南水北調中線工程中三個主要渡槽，提出了適合于上述工程的高性能混凝土原材料品質控制指標。以上檢測分析方案都是針對混凝土渡槽的，目前尚缺少一種針對大型石拱類渡槽的完整檢測分析方案。本文基于引沁灌區新愚公渡槽，在借鑒橋梁結構及類水工建筑物評價的基礎上，依據石拱渡槽結構自身特點，運用現場檢測分析、靜力分析、動力分析方法，研究確立一套完整的石拱渡槽整體健康評價方案，以期從根源上分析石拱渡槽病害機理，并針對病害給出相應的治理措施。

1 工程概況及檢測情況

1.1 工程簡介

新愚公渡槽位于蟒河支流五指河中上游的李八莊村附近，是引沁總干渠上最長的一座渡槽，全長648 m，設計縱坡1/750，設計流量16.2 m3/s，整個渡槽為石拱結構，渡槽共有42孔，其中：跨度為15 m的有21孔，10 m的有14孔，8.5 m的有1孔，6 m的有6孔。最大跨度為15 m，最大高度為24 m，另在15 m跨兩孔間設肋孔21孔，41個中墩寬1.5～6.0 m。新愚公渡槽于1966年11月開工，到1968年10月竣工，經過50 a的運行，渡槽多處出現了不同程度的病害（裂縫、漏水、混凝土脫落及鐵柵欄嚴重銹蝕等）。

1.2 拱圈檢測

對渡槽全長范圍進行檢測，并對裂縫寬度進行測量，檢測的病害統計結果見表1。

根據表1和相關檢測結果，渡槽拱圈漏水現象較為嚴重，拱圈上出現了寬度為1.3～4.2 mm的裂縫，裂縫最大長度超過2 m，已影響到渡槽的安全穩定運行，急需進行加固處理。

1.3 槽墩檢測

渡槽設1#～43#共43個槽墩，槽墩寬度為1.5～6.0 m。部分槽墩問題較為嚴重，裂縫較寬而且較長，亦有個別砌石被壓裂，存在貫通裂縫。其中12#槽墩全部為濕潤狀態，說明12#槽墩以上槽身漏水較為嚴重;13#槽墩上部設有肋孔，肋孔上部裂縫一直延伸至槽身位置，在結構內部應該已引起槽身開裂，使其出現滲水漏水現象;14#槽墩的角部砌石存在明顯的豎向裂縫，17#槽墩的側面砌石內部存在較為明顯的水平裂縫，如果是單獨的砂漿裂縫，則可認為是渡槽長期運行過程中的老化以及水流的侵蝕造成的，在后續處理時僅對砂漿進行合理的治理即可，但槽墩砌石自身出現豎向裂縫和水平裂縫，說明渡槽基礎存在一定的位移，產生了一定的錯動，應提出合理的診治方案。

1.4 砂漿強度檢測

經過50 a的運行，新愚公渡槽的砌石砂漿存在一定的老化，為了研究其當前的強度，依據《貫入法檢測砌筑砂漿抗壓強度技術規程》（JGJ/T 136—2017），使用SJY-800B貫入式砂漿強度檢測儀對渡槽的砂漿強度進行檢測。貫入儀貫入力為800±8 N;工作沖程為20±0.1 mm;數字測量尺量程為0～20.00 mm;測釘長度為40 mm，測釘直徑為3.5 mm;量規槽長度為39.5 mm。針對該渡槽的情況，選取了6個槽墩（13#、17#、24#、27#、28#和29#）進行砂漿強度檢測，部分檢測結果見表2。

1.5 槽身檢測

通過對渡槽槽體進行查驗和檢測，發現槽身內側存在較多的貫通裂縫，而且裂縫寬度較大，漏水、滲水問題嚴重，已影響到渡槽的正常運行。

1.6 鋼筋混凝土面層

渡槽已運行50 a，鋼筋混凝土面層老化問題較為嚴重，面層混凝土裂紋較多，而且脫落問題嚴重，部分鋼筋已外露，銹蝕嚴重。

2 整體力學分析

2.1 渡槽靜力分析

新愚公渡槽工程建設年代較早，為了更準確地對渡槽力學特性進行分析，本文采用大型商用有限元軟件Midas FEA對其進行模擬。整個模型采用Midas FEA實體單元建模，模型計算區域共剖分了210 259個單元，942 396個節點。靜力分析采用彈性計算方法，材料力學參數如下：Mu30塊石抗壓強度為3.59 MPa，彈性模量為7.3 GPa，泊松比為0.3，重度為24 kN/m3。對渡槽拱圈進行編號，全橋模型見圖1，部分區域離散模型見圖2。

計算荷載為重力及重力與水壓力組合荷載，由于全橋過長，因此除整體分析外還選取8個典型區域進行了細部分析，這里僅列出組合荷載工況下部分典型區域位移云圖及第三主應力云圖，如圖3和圖4所示。

計算結果表明：組合荷載作用下渡槽位移和應力分布規律與重力單獨作用下的渡槽彈性計算結果相似，但是在量值上有所增大。渡槽在組合荷載作用下與重力荷載單獨作用下相比，x方向

最大位移由0.21 mm增大到0.30 mm，y方向最大位移由0.14 mm增大到0.20 mm，z方向最大位移由1.15 mm增大到1.66 mm，第一主應力最大值由0.46 MPa增大到0.66 MPa，第三主應力最大值由1.52 MPa增大到2.19 MPa，這說明水壓力的影響較明顯。渡槽10號區域左右兩側拱圈變化較明顯，墩柱基礎部位產生了較大的壓應力，在組合荷載作用下石拱圈z方向位移在整體分析中最大，且該區域石砌拱圈下面是道路，應適當對該區域進行加固和加強監測。

2.2 渡槽動力分析

據規范《水電工程水工建筑物抗震設計規范》（NB35047—2015）中13.1.1條規定，設計烈度為7度及7度以上時，應同時考慮順橋向、橫橋向和豎向地震作用;13.1.2條規定，對于1級渡槽，應建立考慮相鄰結構和邊界條件影響的三維空間模型，采用動力法進行抗震分析，對于2級渡槽，可對渡槽和其上部槽身結構分別按懸臂梁和簡支梁結構單獨采用動力法進行抗震分析;13.1.5條規定，渡槽的動力分析一般可采用振型分解反應譜法求解，對于1級渡槽，應用時程分析法進行計算。新愚公渡槽設計流量為16.2 m3/s，根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）中4.7.1條規定，該渡槽級別為2級，但是新愚公渡槽工程建設年代較早，為了更為全面地分析新愚公渡槽的動力特性，確保其在地震動作用下的安全性，對新愚公渡槽按1級渡槽進行了動力計算，即對新愚公渡槽進行了反應譜法和時程分析法雙重驗算。

2.2.1 反應譜法

本文所采取的地震影響系數曲線如圖5所示。

抗震烈度基本參數：設防烈度為7度（加速度為0.10g），斜率調整系數為0.02，阻尼調整系數為1.0，曲線衰減指數為0.90，地震調整系數為2.20，峰值加速度為0.220g;反應譜最大值Smax=2.25a=0.50g（其中a為地震影響系數）。

反應譜法分析只考慮結構在加速度反應譜激勵下的應力變形情況，重力荷載代表值取恒載。采用多重Ritz向量法分析特征值，分別在地面加速度x、y、z方向各添加30條Ritz向量，計算渡槽前90階模態，保證結構振型參與質量大于總質量的90%，采用CQC法進行震型疊加。分別考慮渡槽順槽向x、橫橋向y、垂直橋向z 3種工況對結構進行激勵。

結果顯示：在y向激勵下渡槽整體響應y方向位移最大，達到5.82 mm，發生在21號區域渡槽側墻處，這說明該區域渡槽的側向剛度較小;采用反應譜法進行動力分析時，橫向地震波激勵下渡槽位移和加速度偏大，加速度峰值和位移最大值均出現在渡槽中部，與水荷載作用下的縱向應力疊加非常不利，為確保渡槽結構安全，應對渡槽中部進行加固和加強監測。

2.2.2 時程分析法

時程分析法在數學上稱步步積分法，抗震設計中也稱為“動態設計”。通過積分運算求得在地面加速度隨時間變化期間結構的內力和變形狀態變化全過程，并以此進行結構構件的截面抗震承載力驗算和變形驗算。

由《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）可知，選擇輸入的地震加速度時程曲線應滿足地震動三要素，即頻譜特性、有效峰值和持續時間均應符合要求。本文采用調整后的EI-Centro南北向地震波、T1-I-3波及一條人工模擬地震波Sfs_48_w波進行計算，計算結果見表3。

由分析計算結果可知：

（1）采用時程法進行動力分析時，在3種地震波作用下位移和加速度變化規律基本一致。在x方向激勵下，EI-Centro波x向位移最大，最大值達到-4.15 mm;在y方向激勵下，Sfs_48_w波y向位移最大，最大值達到13.77 mm;在z方向激勵下，Sfs_48_w波z向位移最大，最大值達到-2.54 mm。可見y方向側向位移偏大。

（2）采用時程法進行動力分析時，在x方向激勵下，EI-Centro波x向速度和加速度隨時間變化，峰值發生在2.62 s時刻，節點編號189 670，量值分別為-0.18 m/s和8.89 m/s2;在y方向激勵下，Sfs_48_w波y向速度和加速度隨時間變化，峰值發生在3.44 s時刻，節點編號161 549，量值分別為-0.42 m/s和-14.23 m/s2;在z方向激勵下，Sfs_48_w波z向速度和加速度隨時間變化，峰值發生在4.92 s時刻，節點編號24 459，量值分別為-0.16 m/s和-14.25 m/s2。

（3）不同工況和不同計算方案所得的規律基本一致，整體而言，動位移比較大的部位在渡槽的中部、槽體邊墻和立柱，但時程法計算的位移結果偏大。總的來講，在地震烈度為7度條件下應力和位移較小，渡槽結構是安全的。

（4）取渡槽首部、中部、尾部三個典型區域進行位移與加速度以及速度與加速度隨時間變化的分析，從結果可以看出，在EI-Centro波3個方向激勵下，9～11號區域和20～22號區域位移、速度及加速度值圴較大。

3 加固處理方案

通過對新愚公渡槽進行綜合評價分析，針對目前渡槽存在的病害，擬采取如下治理措施。

（1）對于護欄，采取全部更換的辦法，原新愚公渡槽只在一側設置了護欄，出于對渡槽維護管理過程中安全性的考慮，建議在渡槽兩側均設置護欄。

（2）新愚公渡槽為明渠輸水，渡槽兩側用鋼筋混凝土面板進行連接，但鋼筋混凝土面板老化嚴重，混凝土大面積脫落，鋼筋裸露而且銹蝕嚴重。對于槽身混凝土剝蝕或剝落較嚴重的部位，可先鋪上一層較薄的水泥砂漿，再以防碳化材料涂刷（如CPC涂料、WSP涂料、TB-混凝土寶涂料等，皆是較好的防碳化涂料）。

（3）根據原伸縮縫止水結構實際情況，結合以往在役渡槽伸縮縫處理工程實踐經驗，經充分研究，采取的處理措施為對原渡槽止水結構進行局部清除，將原伸縮縫兩側混凝土切割成矩形凹槽，縫內嵌壓SR塑性止水材料及表面黏貼SR蓋片，并用膨脹螺栓把壓條固定，最后用水泥、砂和903聚合物混合抹平，砂漿設置誘導縫，用彈性聚氨酯密封膠填充。

（4）采用碳纖維補強加固技術處理渡槽槽身滲漏。碳纖維補強加固技術是將高強度或高彈性模量的連續碳纖維單向排列成束，用環氧樹脂浸漬形成碳纖維增強復合片材，將片材用專用環氧樹脂膠黏貼在結構外表面受拉或有裂縫部位，固化后與原結構形成統一整體。這樣碳纖維可與原結構共同受力，分擔部分荷載，降低鋼筋混凝土結構的應力，從而使結構得到補強加固。

4 結 語

（1）針對在役大型石拱渡槽提出了一套高效且簡易的運營檢測方案，分析石拱渡槽的材料力學性能。

（2）采用大型商用有限元軟件Midas FEA對渡槽進行了模擬，對不同荷載工況下渡槽靜力及動力反應特性進行了分析。將數值模擬結果與現場檢測結果相結合，綜合分析了渡槽病害產生的原因，對渡槽現役狀態進行了評估，并針對渡槽存在的病害，給出了治理方案。

（3）結合石拱渡槽結構特點全面進行檢測，并與數值模擬分析相結合的分析評價方案可從整體到局部、外部到內部充分分析渡槽病害產生的機理，對石拱類渡槽具有普遍適用性。

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【責任編輯 張華巖】