尚海龍，田苡菲，王天藝，羅 智，朱新民

(1.北京江河中基工程咨詢有限公司，北京 100073；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 研究背景

長期以來，我國經(jīng)濟社會發(fā)展付出的水資源、水環(huán)境代價過大，導(dǎo)致一些地方出現(xiàn)水資源短缺、水污染嚴重、水生態(tài)退化[1-2]等問題。因此，加快推進水生態(tài)文明建設(shè)，從源頭上扭轉(zhuǎn)水生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，是水利工作者當(dāng)前所面臨的重要任務(wù)。其中，建設(shè)引調(diào)水工程，改善水生態(tài)環(huán)境是水生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。2014年底建成的南水北調(diào)中線工程就為解決華北地區(qū)供水、改善京津冀地區(qū)生態(tài)環(huán)境做出了重大貢獻。根據(jù)中央部署，我國在“十三五”期間分步建設(shè)納入規(guī)劃的172項重大水利工程[3]，其中包括鄂北調(diào)水、引漢濟渭、引江濟淮、引洮供水二期等大型引調(diào)水工程。

引調(diào)水工程的安全建設(shè)、運行和管理是保障水生態(tài)文明建設(shè)成果的基礎(chǔ)。然而，由于工程建設(shè)規(guī)模大，進度快，同時工程建設(shè)中大量應(yīng)用新技術(shù)、新工藝和新方法，工程建成后局部難免存在隱患，加上我國幅員廣闊，工程建設(shè)和運行的氣象、水文和地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，局部隱患就有可能擴大、發(fā)展以至引發(fā)災(zāi)害。

目前水工程健康診斷和破壞預(yù)警方法包括3類。第一類是依據(jù)工程內(nèi)部布設(shè)的安全監(jiān)測儀器，通過安全監(jiān)測資料分析，綜合專家經(jīng)驗評估工程結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)，這一類方法目前主要應(yīng)用在大壩安全管理上，引調(diào)水工程中的經(jīng)驗很少。不僅如此，由于引調(diào)水工程與大壩相比，有著顯著的特點，其距離分布長，傳統(tǒng)的安全監(jiān)測儀器僅能布設(shè)在典型斷面中，存在大量盲區(qū)，因此無法對工程安全進行全面監(jiān)控。事實上，從已建工程的案例來看，引調(diào)水工程由于工程安全隱患導(dǎo)致停水、破壞的概率遠大于大壩失事的概率。另一類方法是通過巡視檢查和無損檢測方法，對工程結(jié)構(gòu)的表面缺陷和淺層隱患(比如裂縫、孔洞)進行排查，對于引調(diào)水工程來說，這類方法通常需要停水、放空或者降低水位運行以便進行檢查，給工程實際運行帶來很多困擾。而且，對于某些工程結(jié)構(gòu)，反復(fù)多次的放空或者大幅調(diào)整水位，有可能會誘發(fā)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的繼續(xù)擴大和發(fā)展，從而產(chǎn)生新的隱患乃至安全事故。第三類方法，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果和監(jiān)測、檢測分析成果，實時預(yù)測結(jié)構(gòu)工作性態(tài)。然而，引調(diào)水工程與大壩不同，其結(jié)構(gòu)分布距離長，傳統(tǒng)的計算分析手段僅能對典型斷面和局部三維結(jié)構(gòu)進行模擬，難以反映工程全貌，給應(yīng)用數(shù)值仿真+監(jiān)測、檢測分析的方法帶來了困難。由此可見，傳統(tǒng)的水工程健康診斷和破壞預(yù)警方法既無法做到對工程安全隱患時空連續(xù)的監(jiān)控，也無法在結(jié)構(gòu)正常運行狀態(tài)下進行檢測分析，無法適應(yīng)引調(diào)水工程的工作特點，難以滿足新形勢下的現(xiàn)實需要。

基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)的損傷診斷是現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)工程研究中的熱點問題之一[4]。水工結(jié)構(gòu)在實際運營中，由于設(shè)計、施工等先天缺陷或者使用載荷超出設(shè)計或者遭受強大的突加外在荷載(如地震作用等)的作用會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的損傷，結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷以后將嚴重影響結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性，甚至?xí)l(fā)生嚴重的工程事故，不僅造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟損失，而且會產(chǎn)生極壞的社會影響[5-6]。20世紀50年代末國際相繼發(fā)生的著名垮壩事件[7]，以及大型水利水電工程運行中強烈的振動災(zāi)害[8]，使得大體積混凝土[9]水工結(jié)構(gòu)物的安全和正常運行問題成為業(yè)界的焦點，因此，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性、完整性和耐久性，需采用有效的手段對結(jié)構(gòu)進行健康狀態(tài)[10]診斷。南水北調(diào)洺河渡槽位于河北省永年縣城西鄧底村與臺口村之間的洺河上，距永年縣城約10km[11]，是南水北調(diào)中線工程重要的輸水建筑物，單跨跨度40m，寬25.5m[12]，為目前國內(nèi)最大跨度渡槽[13]。本文針對洺河渡槽12#—16#跨渡槽槽身混凝土出現(xiàn)空鼓、裂縫等情況，采用渡槽整體三維有限元模型[14]，進行原有設(shè)計狀態(tài)下的安全復(fù)核和缺陷狀態(tài)下的安全評估。

2 渡槽實驗平臺搭建

在南水北調(diào)工程中，與其它水工建筑物相比，洺河渡槽具有跨度大、結(jié)構(gòu)部件多等特點，其結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)受水流因素影響較大，屬于非平穩(wěn)非線性低信噪比振動信號，其有效信息往往被低頻水流噪聲所淹沒。因此，洺河渡槽的常規(guī)監(jiān)測難以開展，只能通過一定的模型、監(jiān)測數(shù)據(jù)推斷損傷等發(fā)生的部位、規(guī)模和程度，難以準確把握整體建筑物工作性態(tài)。

中國水科院引調(diào)水工程缺陷診斷和風(fēng)險預(yù)警研究項目組，基于流激振動探傷理論，開展高性能計算的渡槽健康診斷方法研究，通過與國內(nèi)檢測機構(gòu)合作，構(gòu)建了洺河渡槽現(xiàn)場流激振動探傷的原位試驗和連續(xù)監(jiān)測采集系統(tǒng)，構(gòu)建渡槽現(xiàn)場流激振動探傷的原位試驗和連續(xù)監(jiān)測采集系統(tǒng)，完成了現(xiàn)場渡槽健康診斷實驗平臺搭建，通過建立渡槽結(jié)構(gòu)三維有限元模型，模態(tài)分析診斷渡槽損傷部位和損傷程度，進行渡槽結(jié)構(gòu)流激振動數(shù)據(jù)的采集和分析方法研究(本文不包含該部分研究內(nèi)容)，并通過高性能數(shù)值仿真計算，對比分析驗證渡槽原位流激振動損傷試驗成果。渡槽結(jié)構(gòu)三維有限元模型如圖1所示。

為得到渡槽結(jié)構(gòu)振動特征，采用基于二次濾波的模態(tài)參數(shù)辨識方法，該方法通過對流激振動數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取結(jié)構(gòu)振動有效信息，結(jié)合系統(tǒng)定階，根據(jù)現(xiàn)場實測振動數(shù)據(jù)辨識渡槽結(jié)構(gòu)運行模態(tài)參數(shù)，從而為渡槽結(jié)構(gòu)安全運營和狀態(tài)評估提供依據(jù)。

3 計算荷載及工況

根據(jù)洺河渡槽設(shè)計資料及運行情況，本次復(fù)核計算考慮了渡槽自重荷載、水荷載、人群荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載、冰荷載以及預(yù)應(yīng)力等。具體計算工況見表1。

表1 計算工況匯總表

首先對渡槽在正常運行時冬季和夏季兩種情況下的整體應(yīng)力進行分析，然后分別對設(shè)計工況下設(shè)置保溫措施時渡槽內(nèi)外壁應(yīng)力進行分析，并通過分析對原有設(shè)計狀態(tài)下渡槽的安全性進行復(fù)核。

4 整體應(yīng)力分析

選取正常運行時冬季和夏季兩種情況進行整體應(yīng)力分析，具體應(yīng)力分布如圖2—5所示。

圖2 工況1時渡槽結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖(單位：0.01MPa)

圖3 工況1時渡槽結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力云圖(單位：0.01MPa)

圖4 工況2時渡槽結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖(單位：0.01MPa)

圖5 工況2時渡槽結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力云圖(單位：0.01MPa)

(1)溫升+正常水深(工況1)條件下

第一主應(yīng)力：渡槽拉應(yīng)力主要分布在渡槽頂部翼緣表面、上部拉桿以及渡槽豎墻內(nèi)壁與底板連接處。

第三主應(yīng)力：渡槽內(nèi)壁和外壁均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在渡槽端部的豎墻底部。

總體上，在溫升+正常水深條件下，渡槽豎墻內(nèi)壁受拉，外壁受壓。

(2)溫降+正常水深(工況2)條件下

第一主應(yīng)力：渡槽內(nèi)壁基本上為壓應(yīng)力，渡槽頂部翼緣表面、上部拉桿以及渡槽外壁存在拉應(yīng)力。

第三主應(yīng)力：渡槽內(nèi)壁和外壁均有壓應(yīng)力。

總體上，在溫降+正常水深條件下，渡槽豎墻內(nèi)壁受壓，外壁受拉。

5 渡槽內(nèi)壁及外壁面應(yīng)力分析

鑒于《南水北調(diào)中線一期工程總干渠設(shè)計梁式渡槽土建工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(2007-9-29)第7.2.3條規(guī)定：“在任何荷載組合[15]條件下，槽身內(nèi)壁表面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，槽身外壁表面拉應(yīng)力不大于混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值的0.9倍”的規(guī)定，因此，選取渡槽內(nèi)外表面進行應(yīng)力分析。

通過分析，本次選取了2個較危險的計算工況對渡槽內(nèi)壁及外壁面進行應(yīng)力分析，選取的計算工況為：溫升+三孔過水+滿槽水深+自重荷載+人群荷載+預(yù)應(yīng)力(工況3)；溫降+三孔過水+滿槽水深+自重荷載+人群荷載+冰荷載+預(yù)應(yīng)力(工況4)。

工況3條件下，渡槽邊孔內(nèi)壁縱向基本上為壓應(yīng)力，只有在槽身端部存在較小的拉應(yīng)力，最大值約為0.20MPa；邊墻內(nèi)壁底部環(huán)向存在一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力約為2.18MPa；第一主應(yīng)力：邊墻內(nèi)壁底部、八字墻以及底板端部存在一定的拉應(yīng)力區(qū)，最大可達2.83MPa。渡槽中孔內(nèi)壁縱向、環(huán)向均為壓應(yīng)力，第一主應(yīng)力在豎墻頂部與底部存在受拉區(qū)，最大值約為1.50MPa。渡槽外壁縱向、環(huán)向應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力，外壁邊墻中上部及外壁底部存在拉應(yīng)力區(qū)，最大值約為2.00MPa?？傮w來看，工況3條件下，渡槽拉應(yīng)力較大值主要分布在邊墻內(nèi)壁的下部以及外壁的底部。

工況3條件下的渡槽內(nèi)壁及外壁面的應(yīng)力分布規(guī)律如圖6—8所示。

圖6 工況3時邊孔內(nèi)壁應(yīng)力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖7 工況3時中孔內(nèi)壁應(yīng)力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖8 工況3時外壁應(yīng)力分布云圖(單位：0.01MPa)

工況4條件下，渡槽邊孔內(nèi)壁縱向基本上為壓應(yīng)力，只有在槽身端部存在拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值約為0.97MPa；環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力；第一主應(yīng)力在槽端存在一定的拉應(yīng)力區(qū)，最大約為0.88MPa。渡槽中孔內(nèi)壁縱向、環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，第一主應(yīng)力在豎墻頂部、底部及底板端部存在拉應(yīng)力區(qū)，最大值約為0.9MPa。渡槽外壁縱向、環(huán)向應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力，外壁邊墻中上部及外壁底部存在拉應(yīng)力區(qū)，最大值約為2.20MPa?？傮w來看，工況4條件下，渡槽拉應(yīng)力區(qū)主要集中在邊墻外壁的中上部以及外壁底部。

工況4條件下的渡槽內(nèi)壁及外壁面的應(yīng)力分布規(guī)律如圖9—11。

圖9 工況4時邊孔內(nèi)壁應(yīng)力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖10 工況4時中孔內(nèi)壁應(yīng)力分布云圖(單位：0.01MPa)

圖11 工況4時外壁應(yīng)力分布云圖(單位：0.01MPa)

6 渡槽典型斷面環(huán)向及縱向應(yīng)力分析

根據(jù)渡槽的受力特點，選定槽身跨中、1/4跨、1/8跨以及1/16跨支座斷面作為環(huán)向、縱向應(yīng)力分析的典型斷面，每個典型斷面上選取了7個斷面作為特征位置，各斷面及特征位置如圖12—13所示。

圖12 槽身橫截面各典型部位

圖13 渡槽各典型截面

將設(shè)置保溫措施時，各工況一些典型斷面部位的環(huán)向應(yīng)力、縱向應(yīng)力進行對比分析，以更好把握渡槽的應(yīng)力情況。

表2給出了渡槽內(nèi)外壁環(huán)向最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力統(tǒng)計表，可以看出在溫升+邊孔通水(工況1、3)時，邊孔內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力會出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)值對應(yīng)的工況為溫升+邊孔通水+滿槽水深(工況3)，最大拉應(yīng)力為0.98MPa，但拉應(yīng)力面積很小，約為3.50m2，可能為應(yīng)力集中現(xiàn)象。中孔內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力；外壁在4個工況下均產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.63MPa，拉應(yīng)力面積約為20.00m2。渡槽內(nèi)外壁最大壓應(yīng)力為16.33MPa，小于槽身允許主壓應(yīng)力19.2MPa。

表2 各工況下渡槽內(nèi)外壁環(huán)向最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力統(tǒng)計表

表3—6分別給出了4個工況典型斷面關(guān)鍵部位環(huán)向應(yīng)力表，可以看出，各工況下典型斷面的各個關(guān)鍵部位的環(huán)向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力均小于槽身允許的主壓應(yīng)力19.2MPa。

表3 工況1下典型斷面關(guān)鍵部位環(huán)向應(yīng)力表 單位：MPa

表4 工況2下典型斷面關(guān)鍵部位環(huán)向應(yīng)力表 單位：MPa

表5 工況3下典型斷面關(guān)鍵部位環(huán)向應(yīng)力表 單位：MPa

表6 工況4下典型斷面關(guān)鍵部位環(huán)向應(yīng)力表 單位：MPa

采用與環(huán)向應(yīng)力相同的方法，分析了4個工況典型斷面關(guān)鍵部位縱向應(yīng)力，各工況下典型斷面的各個關(guān)鍵部位的縱向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力均小于槽身允許的主壓應(yīng)力19.2MPa。

7 結(jié)論

本次利用高性能計算仿真相關(guān)技術(shù)，通過采用渡槽整體有限元模型，在原有設(shè)計狀態(tài)下，設(shè)計設(shè)置了保溫措施，渡槽內(nèi)壁環(huán)向和縱向均為壓應(yīng)力，第一主拉應(yīng)力均在1.0MPa以內(nèi)，外壁第一主應(yīng)力均在2.00MPa以內(nèi)，因此，槽身內(nèi)壁應(yīng)力狀態(tài)滿足“在任何荷載組合條件下，槽身內(nèi)壁表面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力”的技術(shù)規(guī)定，即滿足“裂縫控制等級一級”的設(shè)計要求，外壁滿足“裂縫控制等級二級”的設(shè)計要求。充分有效地對洺河渡槽原設(shè)計狀態(tài)進行了安全復(fù)核，可為日后同類工程的安全復(fù)核提供參考和借鑒。