地面式钢衬钢筋混凝土管道过活断层措施与地基接触特性研究

彭越尧，马 铢，张 彪

(1. 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

0 引 言

我国水资源总量丰富，但在时间和空间上分布极不均匀。为缓解地区之间的水资源供需矛盾，除了加大节水力度和推进污水处理工程建设，有时还需要通过调水工程从外域调水，以推动区域间协调发展[1]。压力管道作为输送管线常见于引调水建筑物[2]，其布置形式主要有地面式、地下埋藏式和沟埋式等[3- 4]，根据所使用的材料又包括钢管、钢筋混凝土管、球墨铸铁管等。由于引调水输送线路长，穿越区域广，经过的地形地质条件复杂，常常需要跨越高地震区域的活断层，使得地面明钢管在抗震和适应活断层变形等方面面临许多难以解决的问题，故近年来提出了使用钢衬钢筋混凝土管道的设想[5]。

由于活动断层上下盘之间会发生相对错动，布置其上的管道也会随之发生轴向和垂向位移，可能导致管道内产生较大的应力应变而失效，国内外很多学者针对管线跨越断层的适应性进行了研究[6-9]，但大多以直径较小的埋地钢管为主[10-15]，对地面式钢衬钢筋混凝土管跨活断层的研究相对较少。

图1 地质纵剖面示意

由于地面式钢衬钢筋混凝土管身直接铺设在地基之上，管道外包混凝土与地基岩石或土层直接接触，二者之间的相互作用必然会对管道受力和变形产生一定的影响，同时建基面的受力状态也会随着二者之间的接触特性变化。影响管道与地基之间接触特性的因素主要包括摩擦系数和粘聚力，对这两个影响因素开展敏感性分析具有重要的意义。

鉴于以上现状，本文将结合某引水工程实际，采用有限单元法开展钢衬钢筋混凝土管道过活断层措施与地基接触特性研究。

表2 主要岩石(体)物理力学参数

1 工程概况与基本资料

某引水工程等别为一等工程，建筑物级别为1级。该工程过活动断裂的倒虹吸管段拟采用钢衬钢筋混凝土管布置，钢管直径为4.2 m，管道外包500 mm厚钢筋混凝土，直接敷设在地基之上。过断层及影响带的管道全长784 m，沿线共设置2个镇墩以及7个波纹管伸缩节，管道通过区域主要包括第三系粘土、白云岩类各风化带，地质剖面如图1所示。断裂带以正左旋走滑为主，倾角84.52°，与管轴线夹角为66.48°。主要的土体物理力学参数见表1，主要的岩石物理力学参数见表2。

表1 主要土体物理力学参数

钢管钢材采用Q345R，管道和镇墩混凝土采用C25，伸缩节采用复式波纹管伸缩节，波纹管伸缩节设计轴向和横向允许变形均为100 mm，伸缩节整体轴向刚度为1 000 kN/m。

2 计算模型及工况

2.1 计算模型

根据管线布置方案，选取管道、活断层和影响带及上下盘部分岩体建立有限元模型。模型包括钢管及外包混凝土、伸缩节、镇墩及地基，模型网格、镇墩和伸缩节编号如图2所示。伸缩节将管道分隔成8段，由上游至下游分别标记为管段A～管段H。坐标系采用笛卡尔坐标系，X轴正方向为垂直于管轴线水平向左(面向下游)，Y轴正方向为铅直向上，Z轴正方向沿管轴线，沿水流向为正。计算中管道底面与地基之间建立接触关系，考虑接触面上的摩擦力和粘聚力。摩擦系数取0.5，粘聚力取30 kPa。

图2 有限元网格模型示意

2.2 计算荷载

计算中考虑的主要荷载有：①钢衬钢筋混凝土管道和镇墩自重、管内水重；②内水压力1.45 MPa，作用于钢管内壁；③断裂带蠕滑变形，根据预测，未来百年最大垂直位移0.23 m，水平位移1.30 m。在对管道进行设计时，假定蠕滑位移占最大位移的50%，即蠕滑水平位移按0.650 m计算，垂直位移按0.115 m计算，以此确定波纹管的数量及允许位移补偿量。以上蠕滑位移假定在500 m断层影响带范围内线性分布，在计算中，将上述位移转换到整体坐标系下施加。经计算，断层下盘相对于上盘总的错动位移为垂直管轴向错动0.115 m、水平拉伸0.269 m、水平横向错动0.596 m。位移施加方式见图3。

3 蠕滑错动下管道结构适应性分析

3.1 伸缩节位移。

由于断层错动位移的作用，管道与地基之间产生了相对的位移，因而波纹管伸缩节也随之产生了相应的变形。波纹管伸缩节两端部的位移差见表3。由表3可知，各波纹管伸缩节端部相对位移均不相同，其中X向最大为15.09 mm，Y向最大为12.66 mm，Z向最大为60.34 mm，均小于波纹管伸缩节的变形允许值100 mm。7个波纹管轴向(Z向)相对位移之和为283.71 mm，扣除正常运行工况下的管道变形后，与断层的错动变形量接近，说明波纹管伸缩节承担了绝大部分的地基轴向变形及少量横向变形。

图3 蠕滑变形左旋断层位移示意

图4 接触单元相对滑移值(单位：m)

表3 各工况波纹管伸缩节的两端位移差 mm

3.2 建基面应力

建基面上法向最大压应力和拉应力出现在断层影响带边缘，最大压应力和拉应力分别为-406 kPa和332 kPa，而X向剪应力最大值为279 kPa，Z向剪应力最大值为102 kPa，除局部范围法向应力超过了粘土地基的承载力200～300 kPa外，大部分区域均能满足承载力要求。因此，对于超过地基承载力的局部区域，应采取有效措施进行加固处理。

3.3 建基面滑移状态

图4整理了各管段接触单元的相对滑移值，即各段管道与建基面的相对滑移量。由图4可知，中间各管段B、C、D、E、F、G、H均处于断层影响带上的软弱地基上，各管段相对滑移量一般大于A管段；另外，这些管段呈现出管段中间滑移量较小，逐渐向两端伸缩节处增大的规律，这是由于在管道端部有伸缩节，管道受到的约束较小，产生较大的滑移量，最大值为11.05 mm。

图5 C、D段管道特征断面示意

4 建基面接触特性研究

为研究建基面上管道与地基间接触特性对管道受力及稳定性的影响，将针对建基面的摩擦系数与粘聚力展开敏感性分析，根据岩石地基的好坏，对建基面设置了几组摩擦系数与粘聚力进行计算，选取典型管段C、D进行结构的受力和伸缩节位移变化分析。设计方案如表4所示。

表4 各方案摩擦系数和粘聚力组合

在典型管段C、D选取11个断面为特征断面，特征断面位置如图5所示，在每个断面上选取若干特征点，即在管槽建基面上选取中部、左侧、右侧3个特征点，依次为a、b、c，如图6所示。

图6 管槽断面特征点示意

图7列出了不同参数组合条件下，建基面各特征断面沿X向和Z向剪应力以及法向应力的变化规律。由图7可知，建基面b点的X向剪应力基本沿管线均匀分布，在靠近伸缩节附近(8号断面)应力数值有所增加，其应力数值由方案A-1至方案A-3逐渐减小。建基面b点Z向剪应力仅在伸缩节上下游断面(7号、8号)附近数值较大，在管道中间部位应力数值较小。从方案A-1至方案A-3，随着摩擦系数和粘聚力的增大，仅8号断面(伸缩节部位)Z向剪应力绝对值逐渐变小，其余断面Z向剪应力绝对值逐渐增大；建基面中部a点法向应力沿管线分布比较均匀，随着受摩擦系数和粘聚力影响的增大，其大小几乎不受影响，仅略有增加。

图7 建基面各特征断面应力

图8为3种方案下C、D管段接触单元的相对滑移值。由图8可知，随着摩擦系数和粘聚力的增大，管道与基地之间相对滑移值逐渐减小，这是因为地基对管道的约束作更强。

图8 C、D管段接触单元的相对滑移值(单位：m)

图9列出了不同方案下7个伸缩节波纹管端部位移差的变化规律。由图9可知，伸缩节两端水平横向位移差除了断层影响带以外的1号和7号伸缩节外，均呈现随着摩擦系数和粘聚力的增大而增大的规律；而伸缩节两端沿管轴向的位移差随着摩擦系数和粘聚力的增大而减小，个别伸缩节呈现增大趋势。由此可见，摩擦系数和粘聚力越大，地基对管道的约束越强，管道和地基之间的相对滑移越小，波纹管伸缩节承担的活断层轴向变形越小而承担的横向变形越大。尽管摩擦系数和粘聚力对管道结构的变形有一定影响，但影响幅度很小，管道系统主要依靠波纹管伸缩节来适应活断层变形的基本规律不会改变。

图9 伸缩节波纹管端部各向位移差

5 结 论

(1)管道在常规荷载作用(自重、水重、内水压力)及蠕滑错动的作用下，采用钢衬钢筋混凝土管道并在沿线设置一定数量的伸缩节能较好适应活断层的蠕滑位移。

(2)管道与地基之间摩擦系数和粘聚力的大小体现了地基对管道的约束作用，这种约束作用越强，管道与地基之间相对滑移越小，地基传递给管道沿轴向的力也越大。随着摩擦系数和粘聚力的降低，伸缩节两端轴向位移差越大，说明管道地基条件越差，波纹管伸缩节更能发挥其调节位移的作用，但摩擦系数和粘聚力的影响程度非常有限。