新疆克拉玛依风克干渠4#渡槽反演地基沉降三维有限元计算分析

何 帅，吴俊杰

(1.新疆水利电力建设总公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.水利部新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆克拉玛依地区地处新疆西北的准噶尔盆地的西北缘，是一座现代化的石油工业城市。由于地处沙漠边缘，该地区干旱、少雨、风沙大，气候条件十分恶劣[1- 3]。新疆引水工程的建设运行解决了克拉玛依的工农业生产和城镇人民生活的用水问题。但在运行管理过程中，部分构筑物存在材料劣化、结构变形等与结构耐久性、安全性相关的缺陷[4- 8]。由于本工程4#渡槽在解决输水任务中起到了关键作用，同时运行时间超过20年渡槽各个段结构缝部位出现了较大的不均匀沉降变形，导致长时间漏水，因此，本次任务是对风克干渠4#渡槽结构、基础安全进行评价。

本工程基础正是位于侏罗系紫红色泥岩、砂岩地层内，该处存在季节性洪水及渡槽常年漏水下渗，对于软岩而言，面临最大的问题是遇水软化，导致基础出现不均匀沉降。由于软化后试件的室内压缩试验的条件与现场实际条件相差较大，导致室内试验得到的压缩系数和压缩指数一般比实际值偏小，而压缩模量则偏大，这样就造成了采用室内压缩指数和压缩模量计算的最终沉降量比实测沉降量要小。目前，还没有很好的方法从理论上对室内试验得到的压缩指标进行合理的修正，而现场实测沉降数据则较真实地反映了地基土层的变形特征[9- 12]。本文将利用实测的沉降数据来反算地基软化后岩层的各项指标参数，为评价一些老的水利工程结构安全性提供依据。

1 工程概况

本工程位于福海县至克拉玛依市中间段。需要利用三维有限元方法计算的风克干渠4#渡槽距克拉玛依市以东约30km，长约300m，钢筋混凝土结构，出露岩性为侏罗系紫红色泥岩、砂岩，为Ⅳ围岩，混凝土设计强度为C25。根据风克干渠4#渡槽根据监测资料及现场情况，以及渡槽基础所处的岩性及环境位于冲沟段，该段渡槽为混凝土条形基础，由于侏罗系软岩具有亲水膨胀，湿化崩解，承载力较低等特点，加之沟底的季节性洪流及降水、降雨对建筑物基础的影响，侏罗系泥岩、砂岩基础承载力建议值0.8～1.0MPa，遇水承载力降低。由于4#渡槽没有观测设施，2008年生产技术科安排布置了24个沉降观测点(膨胀螺丝)，并在渡槽两端布置两个固定桩，用于观测。当年没有测绝对沉降量，测得相对沉降量最大70mm，最小3mm。2013年3月18日相关技术人员测得相对沉降量最小2mm，最大69～73mm。详见风克干渠4#渡槽变形监测记录表1，4#渡槽现场照片如图1所示。

4#渡槽位于IV区(91+485.3—91+785.3m)，全长300m。该处地形起伏较大，冲沟底宽80m，高程393，深6～8m，沟坡坡度约15°沟底覆盖层厚1～3m，两沟坡属于侏罗系灰绿-紫红色泥岩，砂岩。据对同类地层的勘探，分析强风化层深度5～8m。

图1 4#渡槽现场照片

由于侏罗系软岩工程特性中具有亲水膨胀，湿化崩解，承载力较低等诸多不利因素。弱风化砂岩的干密度为2080kg/m3，干抗压强度1.43～2.35MPa，饱和抗压强度为0.12～0.35MPa，干抗剪强度40°，黏聚力为1.1MPa，弹性模量为0.76～0.88GPa，变形模量为0.55 ～0.67GPa，渡槽基础放在强风化岩体的下部，基础承载力为0.4MPa。

本次模拟的4#渡槽纵横剖面结构图如图2所示。

2 有限元计算模型

2.1 几何建模

几何建模主要通过Autodesk Inventor建立三维参数化渡槽模型。主要方法是利用参数化文件控制各个子模型，之后将子模型拼装成一个整体模型，用于后续计算。建立好的实体几何模型输出为*.sat文件导入有限元软件，导入之后为实体模型，通过几何划分将不可划分的实体模型变为可以划分网格的模型，赋予材料属性、设置输出变量，具体模型如图3—4所示。

2.2 边界条件、网格划分

边界条件及约束条件是对计算结果影响较大的因素，但一般的静力弹塑性计算边界及约束条件较为明确，模型底部约束X，Y，Z三个方向位移，渡槽顺河向限制X向位移，垂直渡槽方向限制Y向位移，具体模型如图5—6所示。渡槽共6段，渡槽网格个数为37080个，节点数为53712。地基和排架网格单元为78020个，节点数为91207个，全部网格一共115100个，采用一台服务器进行计算。

2.3 计算工况及荷载

本次计算采用静三维有限元法反演地基变形以及承载力情况，主要从目前提供资料来看，地基沉降比较明显，最为明显的两个地方是2- 2～3- 1段冲沟以及第5段渡槽槽身比较明显，控制工况为运行工况。

图2 4#渡槽纵横剖面结构图(单位：mm)

图3 4#渡槽、排架、基础三维实体有限元模型

图4 4#渡槽、排架三维实体有限元模型

图5 4#渡槽、排架、基础三维有限元网格模型

图6 4#渡槽、排架三维有限元网格模型

本次计算结构以上的主要荷载有：初始地应力、结构自重、水荷载、风荷载。

永久荷载：结构自重(钢筋混凝土衬砌自重)，荷载分项系数1.0。

可变作用(荷载)：水荷载、风荷载。

设计流量水深1.73m，加大流量水深2.00m。依据GB50009—2001《建筑结构荷载规范》，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值应按下式计算：

wk=βzμsμzwo

(1)

式中，wk—风荷载标准值，kN/m2；βz—高度Z处的风振系数；μs—风荷载体型系数；μz—风压高度变化系数；wo—基本风压，kN/m2。

现将单段10m渡槽风压力计算过程列于表1中，水平荷载计算过程见表2。

3 渡槽三维计算成果分析

通过反复组合地基材料参数反演渡槽与地基沉降值，拟合可知有限元计成果与2013、2014、2015年的成果拟合度为92%，基本可以认为反演成果已经接近实测值，具体计算参数见表1。

从图7—8可以得知，在冲沟两岸处竖向位移比较大，最大竖向位移值在第5段渡槽基础处为7.07cm，其次是第2段和第3段渡槽地基处，最大竖向位移值为3.90cm，地基反演材料参数见表3，地基沉降反演成果见表4。从表4可以得知，第5段渡槽基础处和第2段和第3段渡槽地基处的强度衰减最大分别达到90%和94%，由于冲沟内是侏罗系软岩工程特性中具有亲水膨胀，湿化崩解，承载力较低，当下雨或发生季节性洪水时，边坡两侧雨水汇集与第2段和第3段渡槽地基处和第5段渡槽基础处，之后下渗使得该处地基湿化崩解承载力较低导致地基刚度衰减，最终使得基础发生沉降，地基软化从而使得渡槽跟随基础一起沉降。

表1 单段10m每段渡槽风压力计算表

表2 水平向荷载计算表

图7 渡槽三维槽身竖向位移云图(单位：m)

图8 渡槽、地基沉降反演成果云图(单位：m)

表3 地基反演材料参数表

表4 地基沉降反演成果表

图9为运行工况渡槽槽身拉应力云图从中可以得知，渡槽两段属于悬挑式，中间属于简支梁，在运行工况时渡槽两端由于是悬挑在外的，那么渡槽悬挑根部上表面拉应力很大，最大值为1.123MPa小于C25混凝土的抗拉强度1.27MPa，渡槽槽身结构抗拉性能满足要求。

图9 运行工况渡槽三维槽身拉应力云图(变形放大1000倍，单位：Pa)

图10是运行工况渡槽基础地基反力及竖向位移云图，从该图可以得知渡槽基础的地基反力，通过抗滑稳定计算可以得知渡槽的抗滑稳定任然满足规范要求，具体过程见表5。

图10 运行工况渡槽基础地基反力及竖向位移云图(单位：m)

表5 抗滑稳定计算表

4 结语

(1)渡槽竣工后由于人为因素监测数据不连续，监测资料不是特别准确，但是通过拟合基本可以看出渡槽的变形规律，通过反复组合地基材料参数反演渡槽地基沉降值，基本可以认为反演成果已经接近实测值。

(2)在现有实测资料下，通过反演渡槽的最大竖向位移值在第5段渡槽基础处为7.07cm，其次是第2、3段渡槽地基处，最大竖向位移值3.90cm，据推测可能由于冲沟内的地基基础是侏罗系软岩，该软岩具有亲水膨胀、湿化崩解、承载力较低的特性，当下雨或发生季节性洪水及结构缝隙长期外渗水留向冲沟时，边坡两侧雨水汇集于第2、3、5段渡槽基础处，之后一部分水份蒸发，绝大部分下渗，使得侏罗系软岩地基湿化崩解，承载力降低，最终使得基础发生沉降，每处地基软化程度不一样从而使得渡槽跟随基础一起发生不均匀沉降，渡槽结构缝发生竖向、张拉以及紧缩变形。

(3)运行工况渡槽槽身拉应力云图中可以得知，渡槽两段属于双悬臂式等跨渡槽，中间属于简支梁，在运行工况时渡槽两端是悬挑在外，那么渡槽悬挑根部上表面拉应力很大，最大值为1.123MPa，小于C25混凝土的抗拉强度1.27MPa，渡槽槽身结构抗拉性能满足要求。

(4)通过抗滑稳定计算可以得知在目前情况下渡槽的抗滑稳定任然满足规范要求。

(5)由于渡槽基础较大，计算出目前地基最大压应力仍然小于地基容许承载力。第4、5、6段渡槽基础处交界处和第2、3段渡槽地基交界处偏心距快接近临界值，如不对地基进行处理后期水流继续下渗，可能导致地基继续不均匀沉降，影响渡槽的运行安全。