過活斷層倒虹吸地面壓力管結構型式比較研究

摘要：以往對過活斷層倒虹吸地面壓力管道研究，往往只單獨研究鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管兩種結構型式，具體哪種管型更為合適尚無比較。采用有限元方法，通過建立地面鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管兩種管道有限元模型，對比分析了兩種管道型式過活斷層倒虹吸在斷層蠕滑變形、黏滑變形以及地震作用下的位移和應力。研究結果表明：① 鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管管線中布置多個波紋管伸縮節后，均能較好適應斷層蠕滑變形；② 兩種管道結構位于主斷層范圍的波紋管伸縮節在斷層黏滑變形作用下變形均在100 mm以上，設計難度大；③ 地震作用下，在主斷層范圍內的鋼襯鋼筋混凝土管雖然位移大，但地震引起的應力較小，而明鋼管在固定支座處的受力情況明顯惡化；④ 綜合多種工況的計算結果，鋼襯鋼筋混凝土管的受力情況比明鋼管更優秀，但明鋼管具備運行期檢修復位的條件，兩種管道方案各有優劣，應根據工程具體需求合理選擇管道結構型式。

關 鍵 詞：活斷層； 斷層錯動； 倒虹吸； 鋼襯鋼筋混凝土管； 明鋼管； 波紋管伸縮節； 滇中引水工程

中圖法分類號： TV672+.2 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.022

0 引 言

中國西部和西南地區地質條件復雜，活斷層分布廣泛，一般將正在活動著的斷層或近期曾有過活動而不久的將來可能會重新活動的斷層稱之為活斷層。一大批已建、在建和待建的長距離引水和調水工程不可避免地要穿過活斷層。活斷層的錯動方式有連續緩慢的蠕滑變形和伴隨地震產生的間歇性快速黏滑變形。當引水線路與活斷層相交時，結構因活斷層的錯動產生較大的變形，活斷層活動誘發地震可能造成工程設施破壞，對工程有較大的危害。長期以來，活斷層一直是各種工程建設中面臨的重大難題。

近年來國內外學者針對過活斷層結構開展了大量研究。杜修力［1］、劉學增［2］、周光新［3］、Zhang［4］

等人開展了一系列過活斷層的隧洞抗錯斷物理模型試驗，探討了多種因素對隧洞受力的影響；丁秀麗等［5］總結了當前隧洞抵抗活斷層錯動的主要措施，有柔性連接、擴大斷面尺寸、洞內明鋼管和復合襯砌；Milad［6］、Chermahini［7］等采用有限元方法研究了活斷層與隧道交叉角、傾角等因素對隧道的影響，研究表明隧道的最大破壞出現在連接區域；趙旭［8］、Ercan［9］等采用模型試驗、有限元方法對活斷層錯動下埋地鋼管的力學性能展開研究，得到不同斷層傾角、內壓等條件下管道的失效模式；Polynikis等［10］研究了管道彎頭對活斷層錯動位移作用下管道響應的影響，研究發現管道彎頭相當于“緩解裝置”，可減小斷層交叉處管道的響應。以上研究表明，過活斷層結構的重點在于柔性連接，與斷層交叉處結構受力最差。但目前研究主要針對隧洞和埋地管道展開，考慮的斷層錯動主要為黏滑變形，且大多數研究將斷層簡化為一個面，不適用于規模巨大向地下深切而且發育時期很長的區域性活斷層。

近年來長距離引水和調水工程中過活斷層的結構除隧洞外，較多的是倒虹吸。由于倒虹吸通常水頭較高，所穿越河谷地區的地質條件較差，地面明鋼管或地面鋼襯鋼筋混凝土管是常用結構型式。戚藍［11］、胡馨之［12］對過活斷層的地面明鋼管，袁凱華等［13］對過活斷層的鋼襯鋼筋混凝土管，在斷層蠕滑和黏滑變形作用下的受力變形進行了有限元數值模擬。他們的研究均表明，無論是地面明鋼管還是地面鋼襯鋼筋混凝土管，管線中布置波紋管伸縮節均能有效適應斷層錯動位移，但以上研究均針對某一特定工程展開，具體哪種管型更為合適尚無比較。

本文結合滇中引水工程曲江倒虹吸工程實際，考慮活斷層破碎帶影響，建立了過活斷層倒虹吸地面明鋼管和鋼襯鋼筋混凝土管的三維有限元模型，對比分析鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管兩類管道結構型式對斷層錯動的適應性和抗震性，以期為過活斷層倒虹吸管道選型提供參考。

1 工程概況與計算模型

1.1 工程概況

滇中引水工程曲江倒虹吸為1級建筑物，初步設計選定管徑為2.6 m，最大設計水頭253 m。該倒虹吸地面建筑物進口岸坡橫穿曲江斷裂，該斷裂出露寬大于500 m，其中糜棱巖帶寬500～600 m。

根據以往研究經驗，曲江倒虹吸可在過活斷層及斷層影響帶處設置特殊的柔性結構來適應曲江斷裂帶的活動變形，主要是在管線中設置多個波紋管伸縮節來增強整體結構的柔性。根據工程實際，確定鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管兩個對比方案。從曲江電站尾水池后接的隧洞出口算起，鋼襯鋼筋混凝土管方案從上游往下游依次布置10個鎮墩、10個波紋管伸縮節，詳細如圖1所示。明鋼管方案從上游往下游依次布置10個鎮墩、11個波紋管伸縮節。地基巖性較差的主斷層及其影響帶范圍是波紋管伸縮節主要布置的范圍，鋼管材料采用Q345R，管壁厚度從14 mm逐漸過渡到22 mm。明鋼管支座主要采用雙向滑動支座，在兩端均是波紋管伸縮節的管段中間設置一個固定鉸支座，具體布置情況如圖2所示。

1.2 計算模型

根據工程布置建立鋼襯鋼筋混凝土管方案和明鋼管方案的計算模型，有限元分析采用ABAQUS軟件。

鋼襯鋼筋混凝土管模型包括鋼管及外包混凝土、鎮墩、波紋管伸縮節和地基，建模時不考慮在鋼筋混凝土管中設置的鋼筋。計算中考慮管道混凝土與地基接觸面上的摩擦力和黏聚力，依據工程實際資料摩擦系數取0.45，黏聚力取100 kPa；鋼襯與鋼筋混凝土管之間的接觸面均設置面-面接觸單元，摩擦系數取0.3。鋼襯鋼筋混凝土管模型整體網格見圖3。

明鋼管模型包含鋼管、支座、支承環、波紋管伸縮節、鎮墩和地基。支承環為雙片式支承環，加勁肋與支承環厚度均為25 mm；鋼管上的加勁環布置間隔2 m，厚度16 mm。滑動支座上下兩滑板間設可以發生相對滑動的面-面接觸單元，摩擦系數取0.1；固定鉸支座上下滑板間中心節點耦合X、Y、Z 3個方向的平動自由度，無相對錯動，但存在相對轉動。明鋼管模型整體網格見圖4。

模型中波紋管伸縮節采用簡化模型，波紋管采用二節點梁單元模擬，梁單元的軸向剛度等于波紋管的軸向剛度2 000 kN/m，中間連接管采用管單元模擬。

以上兩個模型坐標系方向相同，整體坐標系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（面向下游）。兩個模型均在基巖的上下游端面和左右兩側施加法向約束，基巖底部施加全約束，其他表面按自由邊界考慮。計算所用的材料參數詳見表1，主斷層及斷層影響帶位置如圖3、4所示。

1.3 計算工況和荷載

依據5個工況對結構進行計算，各工況荷載組合見表2。表中蠕滑變形是斷層速率緩慢的無震滑動，黏滑變形是指伴有地震的間斷性斷層快速滑動。自然界中巖石蠕變較為緩慢，相對斷層變形而言可以忽略，因此本文計算中未考慮巖石蠕變。計算正常運行+蠕滑變形+地震工況時，假設結構已經經歷了蠕滑變形，再承受地震，地震動力分析的初始位移與應力條件為正常運行+蠕滑變形工況的結構位移與應力。計算中考慮的主要荷載如下：

（1） 內水壓力。施加在鋼管內壁，最大靜水壓力為2.42 MPa。

（2） 斷裂帶蠕滑變形。依據工程實際提供的地質資料，在管道設計使用年限50 a內活斷層沿斷層面水平錯動位移量累加達1.00 m，垂直錯動位移量累計0.16 m。水平錯動和上、下盤之間的鉛直滑動均會在沿管軸向產生水平壓縮的位移，累計為0.33 m。計算時假設斷層影響帶左端面固定，右端相對左端發生位移，所有位移均作用于地基之上。圖5為斷層蠕滑變形位移。

（3） 斷裂帶黏滑變形。斷裂地表錯動位移集中發生在主斷層位置，施加方法與蠕滑變形位移類似，依據工程實際提供的地質資料取水平2.2 m，垂直0.39 m。

（4） 地震。地震加速度峰值為0.15g，特征周期0.45 s。根據GB 51247-2018《水工建筑物抗震設計標準》規定，取阻尼比為5%，反應譜最大值的代表值 為2.5，確定水平向和豎向標準設計反應譜作為目標譜，生成圖6所示的人工波作為輸入的地震動加速度時程。地震動力分析時，管內水體的質量等效為管壁附加質量，地基采用無質量地基。

2 計算結果分析

對于正常運行工況，主要荷載為內水壓力，鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管均具有較好的承載力。限于篇幅，本文主要探討上述兩種類型的管道對斷層蠕滑變形、黏滑變形的適應性以及抗震性。

2.1 對斷層蠕滑變形的適應性

2.1.1 位 移

在斷層蠕滑變形作用下，無論是鋼襯鋼筋混凝土管方案還是明鋼管方案，管道和地基的位移均與所施加的斷層錯動位移接近。以上兩種類型的管道總體位移差別不大，管道的位移分布規律與蠕滑變形的分布規律大致相同，可見由于鎮墩的固定作用，鎮墩帶動管道跟隨地基運動，包括在水平橫管軸線方向的左右擺動，在豎向的傾斜，以及在軸向的整體移動。

波紋管伸縮節是適應斷層錯動位移的主要管道附件。表3列出了兩種管道布置方案各波紋管伸縮節在各方向的變形量。在各管段的局部坐標系下整理得到波紋管伸縮節的變形量，其中橫管軸向為X向，垂直于管軸線向上為Y向，管軸向為Z向。

從表中可以看出，兩種管道布置方案下波紋管伸縮節變形均以X向（橫向）和Z向（軸向）為主，其中軸向的變形相對更大。鋼襯鋼筋混凝土管方案，波紋管伸縮節X和Z方向的變形都比較均勻，X向最大變形為18.15 mm，Z向最大變形為54.69 mm。明鋼管方案在X向上波紋管伸縮節最大變形達22.87 mm，在Z方向上變形基本集中在15～45 mm之間，最大值為61.63 mm。扣除因內水壓力和自重產生變形之后，鋼襯鋼筋混凝土管方案10個波紋管伸縮節軸向總變形量為356.57 mm，明鋼管方案11個波紋管伸縮節軸向變形總變形量為343.65 mm。地基總的水平壓縮位移為369.80 mm，可見兩種管道方案大部分的水平壓縮位移主要由波紋管伸縮節來承擔。對比兩種管道方案，鋼襯鋼筋混凝土管由于管道底部直接坐落于地基，受到影響更大，小部分地基壓縮位移也將由管道本身承擔。

斷層蠕滑變形的同時也引起鋼襯鋼筋混凝土管方案管道相對于地基的滑移，尤其是靠近斷層邊界處，軸向滑移量達到32 mm。明鋼管方案為了減小斷層蠕滑變形對鋼管的影響，主要采用滑動支座，越靠近波紋管的滑動支座軸向滑移量越大，最大滑移量為31.49 mm。

2.1.2 應 力

由于管道承擔的斷層蠕滑量較小，兩種管道方案的管道應力主要由內水壓力引起，軸向應力均較小。圖7為斷層蠕滑變形下跨主斷層管段的管道結構應力。如圖7（a）所示，在鋼襯鋼筋混凝土管方案典型管段中，波紋管伸縮節中間管段軸向應力均在0.6 MPa以下，同時應注意到，在鎮墩處出現了較大的局部壓應力，達到3.24 MPa。明鋼管方案中，由于固定支座帶動鋼管隨地基運動，鋼管在固定支座處應力達到最大（見圖7（b）），且固定支座支承環支腿的應力比正常運行工況下的應力增加40 MPa左右。可見在兩種管道方案中，波紋管伸縮節的設置能解決管道的受力問題，但由于管道仍需要加以固定以避免位移過大或者抗滑穩定問題，因此在鎮墩、固定支座等限位處仍可能出現應力集中現象（見圖7（c））。

2.2 對斷層黏滑變形的適應性

2.2.1 位 移

與斷層蠕滑變形作用類似，在斷層黏滑變形作用下，兩種管道方案的管道和地基位移與所施加的斷層錯動位移接近，但斷層變形更集中，主要分布在主斷層范圍。表4列出了兩種管道布置方案各波紋管伸縮節在各方向的變形量。從表中可以看出，布置在主斷層范圍外的波紋管伸縮節變形量非常小，而主斷層范圍內的波紋管伸縮節在橫向和軸向都有較大的變形量。主斷層范圍內，兩種管道方案的波紋管伸縮節布置基本相同，相對而言，鋼襯鋼筋混凝土管各波紋管伸縮節的變形更為均勻，明鋼管靠近主斷層邊界的6號和7號波紋管伸縮節變形明顯大于其他波紋管伸縮節變形。但從計算結果來看，黏滑變形作用下，主斷層范圍大部分波紋管伸縮節變形量都超過了目前一般水工結構波紋管伸縮節變形允許量100 mm。

2.2.2 應 力

斷層黏滑變形作用下，跨主斷層管段管道結構應力見圖8。兩種管道方案管道的應力相比蠕滑變形情況下均有增加，尤其是明鋼管方案，固定支座支承環支腿的應力有較大幅度增加，增加幅度可達100 MPa以上，局部應力已超出鋼材的允許應力262 MPa。因此，相比而言，黏滑變形對明鋼管的不利影響更為突出。

2.3 抗震性分析

2.3.1 位 移

正常運行+地震工況下，兩種管道方案管道的位移均以正常運行工況為基準波動，正常運行+蠕滑+地震工況下，管道的位移以蠕滑為主，地震引起的位移波動與正常運行+地震工況下的位移波動接近。

兩種地震工況下，波紋管伸縮節橫向和軸向變形量的絕對值最大值詳見圖9。從圖中可以看出，兩種管道方案在地震作用下，橫向變形均要小于軸向變形。對比兩種管道方案波紋管伸縮節的變形可以發現，位于主斷層范圍以外的波紋管伸縮節中，兩種管道方案的變形量接近，或明鋼管方案較大；而位于主斷層范圍的波紋管伸縮節中，鋼襯鋼筋混凝土管的波紋管伸縮節變形量基本上大于明鋼管方案。這主要是因為鋼襯鋼筋混凝土管直接與地基接觸，且管道質量相對明鋼管更大，主斷層地基變形模量較小，鋼襯鋼筋混凝土管的位移更為明顯，不同管段之間的位移差更大。

正常運行+地震工況對應于管道結構運行初期遭遇地震，此時兩種管道方案波紋管伸縮節的變形量在30 mm以內。當結構已經承受50 a的蠕滑變形后，鋼襯鋼筋混凝土管方案靠近斷層邊緣的波紋管伸縮節軸向變形量可超過80 mm，已經接近一般波紋管伸縮節變形允許值100 mm。

2.3.2 應 力

地震工況下跨主斷層管道結構的最大應力如圖10所示。地震作用與斷層變形類似，管道結構的軸向受力受主要影響。鋼襯鋼筋混凝土管的軸向應力受到地震作用的影響幅度較小，但蠕滑+地震工況下，鎮墩與管道相交處軸向壓應力有較大幅度增加。對于明鋼管，地震作用主要影響固定支座支承環支腿應力及臨近區域鋼管的應力。

從圖10（c）和10（d）可以看出，正常運行+地震工況和蠕滑+地震工況下，固定支座支承環支腿的最大應力分別接近370 MPa和600 MPa，大幅超過鋼材應力允許值。雖然地震工況下，鋼襯鋼筋混凝土管的位移量、波紋管伸縮節變形量較大，但地震作用對其應力影響相對較小。明鋼管固定支座結構在地震作用下帶動鋼管往復擺動，其受力狀態復雜，對結構安全更為不利。

3 討 論

通過上述幾個典型工況的計算結果可知，在斷層蠕滑變形作用下，鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管在管線中設置一定數量的波紋管伸縮節，均能有效改善管道結構的受力情況，兩種管道方案在結構受力方面均可行，沒有明顯的優劣之分。

在適應斷層黏滑變形時，兩種管道方案由于黏滑變形量大，整體結構適應超2 m的錯動位移均存在較大的難度，波紋管伸縮節變形過大，設計將很困難。除此之外，明鋼管方案固定支座支承環附近鋼管、支座支腿還同時面臨應力集中問題。后期可以對支承環、支座等進行結構優化以及更加合理的布置，使明鋼管固定支座支承環附近鋼管及支承環支腿受力更優。目前波紋管伸縮節用于水工結構時，允許變形量一般在100 mm以下，若黏滑變形完全由波紋管伸縮節適應，則需增加較多的波紋管伸縮節數量，不僅增加了管道布置的困難，也增加了成本，并且結構運行的穩定性也會因過多的波紋管伸縮節產生不利影響。因此對于黏滑變形，建議把重點放在控制結構破壞范圍、減小次生災害上。根據本文的計算，為了將結構破壞范圍控制在主斷層范圍內，可在主斷層邊緣設置波紋管伸縮節。

地震作用對兩種管道方案的影響不盡相同。在地震作用的影響下，位于主斷層范圍的鋼襯鋼筋混凝土管的位移、波紋管伸縮節的變形較大，但對結構應力的影響幅度較小；地震作用下明鋼管的位移和波紋管伸縮節的變形雖然小于鋼襯鋼筋混凝土管，但固定支座帶動管道往復運動，使鋼管支承環附近、支承環支腿應力均有大幅增加。從斷層黏滑變形和地震工況來看，明鋼管架空布置，其支承結構面臨的受力問題更為突出。在結構受力方面，鋼襯鋼筋混凝土管更具優勢。

總的來看，鋼襯鋼筋混凝土管在結構受力方面相對更優。但明鋼管在后期承受一定蠕滑變形后，具有檢修復位的可能性，而鋼襯鋼筋混凝土管則不具備復位條件。斷層對管道結構產生的蠕滑、黏滑、地震3個作用中，雖然黏滑和地震對結構的危害更大，但上述兩個作用是小概率事件，具有突發性，其設計的關鍵是要減小結構破壞。而蠕滑變形位移錯動雖發展緩慢，但經年累月的積累后甚為明顯，此類伴隨著結構運行的長期作用對工程結構造成的影響更應加以重視。因此，從蠕滑變形的角度來講，明鋼管依然是可以選擇的方案。

4 結 論

（1） 鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管在管線中設置若干波紋管伸縮節后，均能較好適應斷層蠕滑變形，兩種管道方案均是可行的。

（2） 鋼襯鋼筋混凝土管和明鋼管在斷層黏滑變形作用下，波紋管伸縮節需承擔100 mm以上的變形量，波紋管伸縮節設計將存在較大困難。結構設計應以控制結構破壞范圍為主，例如采取在斷層邊緣設置波紋管伸縮節等措施。

（3） 在地震作用下，鋼襯鋼筋混凝土管應力受到的影響較小，但主斷層范圍內結構位移較大，波紋管伸縮節變形較為明顯；明鋼管固定支座支承環附近鋼管及支承環支腿受力出現明顯惡化。總體而言，鋼襯鋼筋混凝土管的受力情況要略優于明鋼管的受力情況。

（4） 黏滑變形和地震雖然對結構的危害大，但屬于小概率事件，而蠕滑變形是伴隨著結構運行的長期作用，在設計中更應加以重視。明鋼管在運行過程中具有檢修復位的條件，可以減小運行期蠕滑變形的影響，故明鋼管在過活斷層結構選型中仍是可選方案。

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（編輯：鄭 毅）

Comparison of exposed penstock structures of inverted siphon crossing active faultsLI Duanzheng1，LI Yufeng2，BAI Rui3，CHEN Juntao1

（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan 430072，China； 2.Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Construction Administration Bureau，Kunming 650000，China； 3.Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）

Abstract： In the past researches on inverted siphon penstock over active faults，two structural types of steel-lined reinforced concrete pipe and open steel pipe were often studied separately.There is no comparison on which pipe type is more suitable.In this paper，the finite element method was used to establish two pipeline calculation models for finite element analysis.The displacement and stress of the inverted siphon ground steel-lined reinforced concrete pipe and the open steel pipe under the action of fault creep deformation，stick-slip deformation and earthquake were compared and analyzed.The research results show that：① The steel-lined reinforced concrete pipe and the open steel pipe pipeline can better adapt to the fault creep deformation after arranging multiple bellows expansion joints.② The deformations of the bellows expansion joints of the two pipeline structures located in the main fault are more than 100 mm under the action of fault stick-slip deformation，so it is difficult to design.③ Under the action of earthquake，although the displacement of steel lined reinforced concrete pipe in the main fault range is large，the stress caused by the earthquake is small，and the stress of the steel pipe at the fixed bearing is obviously deteriorated.④ Based on the calculation results of various working conditions，the stress of steel lined reinforced concrete pipe is better than that of exposed steel pipe.However the exposed steel pipe has better condition of maintenance and reset during operation.The two pipeline schemes have their own advantages and disadvantages，so the pipeline structure should be reasonably selected according to the specific needs of projects.

Key words： active fault；fault dislocation；inverted siphon；steel lined reinforced concrete pipe；open steel pipe；bellows expansion joint；Dianzhong water Diversion Project

收稿日期：2022-12-20；接受日期：2023-03-14

基金項目：云南省重大科技專項計劃項目“西南復雜地質條件下特大型引調水工程安全建設與高效運行關鍵技術研究”（202102AF080001）

作者簡介：李端正，男，碩士研究生，研究方向為水電站壓力管道。E-mail：1079953892@qq.com

通信作者：陳俊濤，男，副教授，博士，研究方向為地下結構抗震穩定性分析。E-mail：chenjt@whu.edu.cn