王博宇，祝彥知，糾永志，田光輝，常 佳

（1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450007； 2.中原工學(xué)院 建筑設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450007）

我國(guó)的大型灌區(qū)引水渠道多建于20 世紀(jì)五六十年代，由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，許多引水渠道不同程度出現(xiàn)了渠道邊坡滑移、滲水漏水、襯砌結(jié)構(gòu)裂縫、脫落及凍脹破壞等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了灌溉工程的安全有效運(yùn)行，因此針對(duì)在役引水渠道的健康診斷與評(píng)估已經(jīng)成為重要研究?jī)?nèi)容之一。

李剛等［1］采用層次分析法對(duì)水工建筑物進(jìn)行安全評(píng)估，為水工建筑物安全評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支持；趙立庭［2］對(duì)某涵洞和山洪橋進(jìn)行了安全復(fù)核，并使用數(shù)值分析法評(píng)估了泄洪閘受力狀態(tài)；李信樵［3］基于可拓評(píng)價(jià)法進(jìn)行迫切度分析，評(píng)價(jià)引水灌區(qū)等級(jí)，并利用SWPT 分析法為后續(xù)水利工程提出合理化的改造措施；李晨［4］針對(duì)YMD 電站引水渠道的裂縫問(wèn)題，提出了合理的加固方案；曹曉毅等［5］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬和理論分析方法分析評(píng)價(jià)了多煤層開(kāi)采對(duì)擬建灌溉排水渠道穩(wěn)定性及滲漏的影響；熊厚庭［6］以引水渠道邊坡為研究對(duì)象，用FLAC3D 軟件分析了不同工況下渠道邊坡的安全系數(shù)及滑移面位置，評(píng)價(jià)了引水渠道邊坡的穩(wěn)定性；劉翔［7］通過(guò)分析渠系工程存在的問(wèn)題和細(xì)裂縫安全隱患成因，研究了興建趙山渡引水工程采取輸水渠系安全應(yīng)急保證措施的必要性；許強(qiáng)［8］為保證引水渠道在施工時(shí)能夠更好地貼近實(shí)際情況，在施工前用數(shù)值模擬的方法對(duì)低水位運(yùn)行工況的滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，總結(jié)出采用輸水渠旁設(shè)置防滲墻能夠很好地提高輸水渠的穩(wěn)定性和安全性；陳立杰等［9］通過(guò)ADNA 對(duì)溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，為評(píng)價(jià)高地下水位地區(qū)灌排渠道的抗凍脹襯護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)；楊紅娟等［10］對(duì)山東省位山灌區(qū)二干渠堿劉斷面的地下水變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬；胡丹等［11］以南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程總干渠潮河段工程為例，利用得分函數(shù)和TOPSIS 法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為渠道風(fēng)險(xiǎn)管理提供了依據(jù)；吳夢(mèng)娟等［12］為揭示西部干寒地區(qū)引水明渠在全壽命周期內(nèi)的不安全因素，采用IAHP求解各指標(biāo)權(quán)重，最后綜合得到灰色Euclid 加權(quán)關(guān)聯(lián)度；靳春玲等［13］以 PSR 模型為基礎(chǔ)，采用AHP 法確定各PSR 指標(biāo)的權(quán)重，將引水明渠的安全狀態(tài)劃分不同等級(jí)，用于綜合評(píng)價(jià)引水明渠的安全狀態(tài)；顧靖超等［14］結(jié)合寧夏灌區(qū)渠道工程破壞的類(lèi)型、評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容及權(quán)重、指標(biāo)計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)、分析評(píng)價(jià)方法、綜合評(píng)價(jià)結(jié)論，提出了適合寧夏灌區(qū)特點(diǎn)、滿(mǎn)足渠道安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、防滲防凍脹效果顯著的渠道安全評(píng)價(jià)方法；Li等［15］采用二維熱傳導(dǎo)和水分流模型分析了傳統(tǒng)渠道襯砌結(jié)構(gòu)中的溫度特性，數(shù)值模型結(jié)果與渠道襯砌結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量結(jié)果一致；Eltarabily 等［16］以灌溉渠道之間的埃及伊斯梅利亞運(yùn)河為主要研究對(duì)象，使用Geo Studio 有限元軟件的SLOPE／W 模塊建模并模擬土工布物理特性，表明土工織物在滲漏控制方面具有重要作用。 但目前尚無(wú)針對(duì)大型在役引水渠道結(jié)構(gòu)健康診斷與安全評(píng)估的系統(tǒng)方法，且對(duì)處于地震影響區(qū)域的在役引水渠道數(shù)值模擬和病害治理尚無(wú)成熟的理論和工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。 因此，筆者針對(duì)焦作市引沁灌區(qū)總干渠在役引水渠道，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與靜、動(dòng)力數(shù)值仿真分析，并對(duì)在役引水渠道的安全穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與病害治理措施研究。

1 引水渠道綜合檢測(cè)

引沁灌區(qū)河口段引水渠道為河南省焦作市引沁灌區(qū)總干渠渠首段，是素混凝土襯砌矩形斷面渠道，其斷面如圖1 所示，渠道斷面兩側(cè)高3 m，底板寬7.8 m，外側(cè)由砂漿砌石砌筑而成，砌筑厚度為30 cm，內(nèi)側(cè)由素混凝土砂漿抹面，厚度為19 cm。 河口水渠洞口常年水深為2 m，流速為10 m3／s。 引沁灌區(qū)河口段引水渠道修建于半山腰，北側(cè)為較高土山。 經(jīng)多年輸水運(yùn)行，引水渠道多處出現(xiàn)了不同程度的裂縫、漏水、混凝土脫落等病害現(xiàn)象。

圖1 引水渠道斷面（單位：mm）

1.1 混凝土碳化檢測(cè)

為了檢測(cè)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的碳化情況，對(duì)引沁灌區(qū)河口段引水渠道進(jìn)行了碳化檢測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。 引沁灌區(qū)河口段引水渠道左側(cè)和右側(cè)碳化深度最小均值分別為16.0 mm 和52.9 mm，碳化深度較大，已對(duì)引水渠道造成影響，應(yīng)盡快治理。

表1 引水渠道碳化深度實(shí)測(cè)值 mm

1.2 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

河口段引水渠道較長(zhǎng)，經(jīng)實(shí)地考察選取混凝土脫落比較嚴(yán)重段進(jìn)行實(shí)地回彈強(qiáng)度檢測(cè)，引水渠道表面襯砌混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)為C20，依據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T 23—2011），根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果（見(jiàn)表2），計(jì)算現(xiàn)齡期混凝土抗壓強(qiáng)度左側(cè)最小推定值為26.1 MPa，右側(cè)最小推定值為27.8 MPa。 結(jié)果表明，引沁灌區(qū)河口段引水渠道混凝土回彈強(qiáng)度實(shí)測(cè)均值比混凝土強(qiáng)度推定值高，符合設(shè)計(jì)要求。

表2 引水渠道混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

1.3 混凝土裂縫檢測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，引沁灌區(qū)河口段引水渠道已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)型裂縫和混凝土脫落現(xiàn)象，此外通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)引水渠道外側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重漏水現(xiàn)象。 經(jīng)過(guò)裂縫綜合測(cè)試儀檢測(cè)可知，滲水較為嚴(yán)重位置最大寬度為4 mm，深度為240 mm。 實(shí)測(cè)結(jié)果表明，此位置裂縫深度已經(jīng)透過(guò)混凝土表面襯砌，達(dá)到砂漿砌石位置，深入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行加固修復(fù)。

1.4 砌筑砂漿強(qiáng)度檢測(cè)

為了檢測(cè)引水渠道漿砌石砂漿在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的抗壓情況，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)引沁灌區(qū)總干渠河口段引水渠道外側(cè)按照規(guī)范要求選取8 個(gè)點(diǎn)分別開(kāi)展貫入檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 引水渠道漿砌石砂漿貫入檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)可知，外露砂漿強(qiáng)度在長(zhǎng)期復(fù)雜環(huán)境及荷載作用下逐漸降低，應(yīng)該加強(qiáng)維修加固，阻止引水渠道發(fā)生滲漏。

2 引水渠道整體力學(xué)分析

2.1 靜力分析

2.1.1 模型的建立

采用Midas GTS 有限元軟件建立引沁灌區(qū)河口段引水渠道有限元模型。 模型坐標(biāo)y軸為引水渠道的重力方向，x軸垂直于引水渠道軸線(xiàn)方向，底部采用固定約束，其他表面為自由邊界。 有限元模型計(jì)算區(qū)域共劃分2 222 個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 111 個(gè)單元。 另外，為了在靜力分析中更好地模擬引水渠道裂縫表面的閉合與張開(kāi)及骨料咬合作用，在裂縫表面節(jié)點(diǎn)間布置了切向和法向彈簧單元，便于追蹤引水渠道裂縫的擴(kuò)展。

2.1.2 材料特性參數(shù)與計(jì)算工況

靜力計(jì)算所需材料特性參數(shù)主要依據(jù)設(shè)計(jì)資料及相應(yīng)規(guī)范來(lái)確定。 混凝土、砂漿砌石彈性模量均為2.0×104MPa，泊松比均為 0.2，容重均為 2.5×10-5N／mm3，不考慮結(jié)構(gòu)滲透性。

土的本構(gòu)模型選擇修正摩爾-庫(kù)侖模型，泊松比為 0.32，容重為 1.8×10-5N／mm3，飽和容重為 1.99×10-5N／mm3，初始孔隙比為0.84，非線(xiàn)性三軸割線(xiàn)剛度為24 MPa，主壓密加載試驗(yàn)的切線(xiàn)剛度模量為24 MPa，卸載彈性模量為86.4 MPa，失效率為0.9，參考?jí)毫?.1 MPa，應(yīng)力相關(guān)冪指數(shù)為0.5，孔隙率為0.6，剪切破壞時(shí)的摩擦角為10.7°，最終膨脹角為0°，黏聚力為10.8 kPa，剪切硬化自動(dòng)計(jì)算。

荷載僅考慮重力、水壓力，荷載工況為自重、自重＋水壓力，有限元數(shù)值模擬側(cè)重于從整體上分析引沁灌區(qū)河口段引水渠道結(jié)構(gòu)體系的位移和變形狀況，并給出相對(duì)比較危險(xiǎn)的區(qū)域。

本文僅列出河口段引水渠道在重力和水壓力作用下的y向位移和最大主應(yīng)力云圖（見(jiàn)圖2、圖3）。 組合荷載作用下引沁灌區(qū)河口段引水渠道位移和應(yīng)力分布規(guī)律與重力單獨(dú)作用下的引水渠道數(shù)值計(jì)算結(jié)果相似，但是在量值上有所增大。 組合荷載作用與重力荷載單獨(dú)作用情況相比，引水渠道x方向最大位移、y方向最大位移、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力變化較小，在設(shè)計(jì)水深為2 m 的條件下，水壓力影響不是很明顯。

圖2 引水渠道在重力和水壓荷載共同作用下y 向位移（mm）

圖3 引水渠道在重力和水壓荷載共同作用下最大主應(yīng)力（MPa）

數(shù)值分析結(jié)果表明：①在重力和水壓力作用下，經(jīng)過(guò)數(shù)值分析引沁灌區(qū)河口段引水渠道較高的土坡會(huì)有22 mm 的豎向位移。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，該土坡較高，且擋土墻已經(jīng)年久失修，容易出現(xiàn)土坡滑移現(xiàn)象，可能會(huì)對(duì)引水渠道造成嚴(yán)重破壞。 因此，在加固時(shí)，要對(duì)引沁灌區(qū)河口段引水渠道重點(diǎn)關(guān)注，應(yīng)采取必要措施降低土坡滑移對(duì)引水渠道的影響。 ②引沁灌區(qū)河口段引水渠道在重力和水壓共同作用下，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均發(fā)生在引水渠道底板中間位置，這說(shuō)明在重力和水壓力共同作用下，引水渠道底板中間位置極易開(kāi)裂，需要特別關(guān)注。 ③由有限元分析可以得出，混凝土襯砌的引水渠道在水壓和自重的作用下會(huì)出現(xiàn)9 mm以下的位移，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出現(xiàn)寬4 mm 的裂縫證明了有限元分析的準(zhǔn)確性和材料取值的合理性。

2.2 動(dòng)力分析

2.2.1 地震波選擇

河口段引水渠道工程建設(shè)年代較早，為確保其在地震荷載作用下的安全性，本文采用時(shí)程分析法對(duì)河口段引水渠道進(jìn)行抗震驗(yàn)算。 分別采用調(diào)整后的EICentro 南北向地震波、Taft 地震波、sanfer-h 地震波的地震加速度時(shí)程來(lái)確定地震作用效應(yīng)。

2.2.2 材料特性參數(shù)與計(jì)算工況

抗震設(shè)防烈度為7 度（0.10g），場(chǎng)地土地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，抗震設(shè)防分類(lèi)為乙，分區(qū)特征周期為0.4 s，阻尼比為0.05，阻尼調(diào)整系數(shù)為1.0，重要系數(shù)為0.43。 動(dòng)力計(jì)算選取的材料參數(shù)與靜力計(jì)算相同。

經(jīng)檢測(cè)，引水渠道混凝土結(jié)構(gòu)存在4 mm 寬裂縫，在動(dòng)力有限元分析時(shí)，將引水渠道的裂縫視為單元邊界，通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的位置或者增加新的節(jié)點(diǎn)來(lái)重新劃分引水渠道的有限元網(wǎng)格，始終將裂縫處于單元邊界與邊界之間，該方法易于表現(xiàn)出裂縫面之間力的傳遞。

分別考慮沿引水渠道順渠道X向、橫渠道Y向兩種工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)。 在3 種地震波X、Y向激勵(lì)下，位移和加速度響應(yīng)最大值分別在各自所激勵(lì)的波形方向上，對(duì)其余方向影響較小，因此下面僅分析不同地震波在各自激勵(lì)方向上對(duì)結(jié)構(gòu)位移、速度和加速度的影響（見(jiàn)表4）。

表4 不同地震波激勵(lì)下的位移、速度、加速度

結(jié)合《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，由引沁灌區(qū)河口段引水渠道結(jié)構(gòu)時(shí)程法動(dòng)力分析結(jié)果可知：在X方向激勵(lì)下，EI-Centro 波X向位移最大，出現(xiàn)在引水渠道右側(cè)混凝土襯砌和砂漿砌石位置。 根據(jù)模擬結(jié)果，該地區(qū)一旦發(fā)生地震，最容易受到破壞的位置為右側(cè)混凝土襯砌，并且河口混凝土襯砌相對(duì)較薄，砂漿砌石縫隙比較大，這就造成此處很容易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)出來(lái)的4 mm 寬裂縫是引水渠道在重力和水壓力的共同作用下產(chǎn)生的，在地震荷載影響下，會(huì)進(jìn)一步加劇裂縫的擴(kuò)展。

3 加固處理方案

3.1 混凝土損壞脫落處理

由于河口段部分引水渠道破損比較嚴(yán)重，渠道混凝土襯砌表面存在蜂窩麻面、脫落嚴(yán)重等問(wèn)題，因此對(duì)引水渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)采用高一強(qiáng)度等級(jí)的細(xì)石混凝土進(jìn)行修復(fù)。

在引水渠道混凝土損壞脫落部位，首先鑿除基層混凝土及脫空的混凝土，直到露出堅(jiān)硬的混凝土基面；然后用鋼絲刷或加壓水洗刷基層，處理完成后，在保持基面濕潤(rùn)的情況下，使用高一強(qiáng)度等級(jí)的細(xì)石混凝土將破損部位修整為設(shè)計(jì)形狀；最后灑水養(yǎng)護(hù)直至達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

3.2 裂縫及滲漏處理

3.2.1 引水渠道裂縫處理

采用環(huán)保型石油瀝青聚氨酯接縫防滲材料（PTN）對(duì)引水渠道裂縫進(jìn)行處理，這樣既能夠提高引水渠道的抗?jié)B能力，又能夠防止水滲漏導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕。

引水渠道質(zhì)量缺陷修補(bǔ)處理采用PTN 砂漿，設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于 M20，抗壓強(qiáng)度＞5.0 MPa，抗拉強(qiáng)度＞1.0 MPa，吸水率＜0.1%，滲透系數(shù)＜ 0.236× 10-9cm／s，抗凍等級(jí) F200。

在引水渠道裂縫修補(bǔ)時(shí)，需用打磨砂紙和吹風(fēng)機(jī)清理裂縫里面存留的雜物，然后用PTN 防滲材料對(duì)引水渠道進(jìn)行處理，必須保證防滲材料充分填充裂縫內(nèi)部。

3.2.2 引水渠道防滲處理

（1）伸縮縫滲漏處理。 引水渠道伸縮縫滲漏處理按照先兩邊側(cè)墻后底板的順序施工，先拆除迎水面止水槽內(nèi)現(xiàn)狀各類(lèi)填縫材料，待基層處理完成后將牛皮紙或塑料薄膜粘貼在橡膠止水帶表面，采用PTN 防滲材料對(duì)裂縫進(jìn)行填充。

（2）平面防滲處理。 在對(duì)引水渠渠道裂縫、施工縫及渠道混凝土破壞滲漏區(qū)域全部?jī)?nèi)表面現(xiàn)狀基面處理后，涂刷PTN 防滲材料，其中：渠道兩側(cè)墻立面涂刷厚度為2.0 mm、用量為2.4 kg／m2，底板涂刷厚度為4.0 mm、用量為 4.8 kg／m2。

平面防滲處理需先處理基面，然后涂刷PTN 防滲材料，再對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至符合施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）灌區(qū)在役引水渠道建設(shè)年代較早，大部分施工工藝落后，圖紙保存不完整，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可為數(shù)值模擬分析提供較真實(shí)的模擬參數(shù)，使數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確性得到提升。

（2）運(yùn)用時(shí)程分析法進(jìn)行引水渠道地震反應(yīng)分析，并與靜力分析相結(jié)合，可以更全面、準(zhǔn)確地掌握引水渠道關(guān)鍵部位內(nèi)力及變形情況。

（3）通過(guò)對(duì)引沁灌區(qū)河口段引水渠道進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，給出了科學(xué)的安全性評(píng)價(jià)與針對(duì)性的病害處理方案，并在實(shí)際工程中成功應(yīng)用，研究成果可為其他類(lèi)似工程提供參考。