洺河渡槽的结构安全状态仿真分析研究

尚海龙，田苡菲，王天艺，罗 智，朱新民

(1.北京江河中基工程咨询有限公司，北京 100073；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 研究背景

长期以来，我国经济社会发展付出的水资源、水环境代价过大，导致一些地方出现水资源短缺、水污染严重、水生态退化[1-2]等问题。因此，加快推进水生态文明建设，从源头上扭转水生态环境恶化趋势，是水利工作者当前所面临的重要任务。其中，建设引调水工程，改善水生态环境是水生态文明建设的重要内容。2014年底建成的南水北调中线工程就为解决华北地区供水、改善京津冀地区生态环境做出了重大贡献。根据中央部署，我国在“十三五”期间分步建设纳入规划的172项重大水利工程[3]，其中包括鄂北调水、引汉济渭、引江济淮、引洮供水二期等大型引调水工程。

引调水工程的安全建设、运行和管理是保障水生态文明建设成果的基础。然而，由于工程建设规模大，进度快，同时工程建设中大量应用新技术、新工艺和新方法，工程建成后局部难免存在隐患，加上我国幅员广阔，工程建设和运行的气象、水文和地质环境复杂多样，局部隐患就有可能扩大、发展以至引发灾害。

目前水工程健康诊断和破坏预警方法包括3类。第一类是依据工程内部布设的安全监测仪器，通过安全监测资料分析，综合专家经验评估工程结构的工作性态，这一类方法目前主要应用在大坝安全管理上，引调水工程中的经验很少。不仅如此，由于引调水工程与大坝相比，有着显著的特点，其距离分布长，传统的安全监测仪器仅能布设在典型断面中，存在大量盲区，因此无法对工程安全进行全面监控。事实上，从已建工程的案例来看，引调水工程由于工程安全隐患导致停水、破坏的概率远大于大坝失事的概率。另一类方法是通过巡视检查和无损检测方法，对工程结构的表面缺陷和浅层隐患(比如裂缝、孔洞)进行排查，对于引调水工程来说，这类方法通常需要停水、放空或者降低水位运行以便进行检查，给工程实际运行带来很多困扰。而且，对于某些工程结构，反复多次的放空或者大幅调整水位，有可能会诱发结构内部损伤的继续扩大和发展，从而产生新的隐患乃至安全事故。第三类方法，结合工程结构仿真分析结果和监测、检测分析成果，实时预测结构工作性态。然而，引调水工程与大坝不同，其结构分布距离长，传统的计算分析手段仅能对典型断面和局部三维结构进行模拟，难以反映工程全貌，给应用数值仿真+监测、检测分析的方法带来了困难。由此可见，传统的水工程健康诊断和破坏预警方法既无法做到对工程安全隐患时空连续的监控，也无法在结构正常运行状态下进行检测分析，无法适应引调水工程的工作特点，难以满足新形势下的现实需要。

基于结构振动模态的损伤诊断是现阶段结构工程研究中的热点问题之一[4]。水工结构在实际运营中，由于设计、施工等先天缺陷或者使用载荷超出设计或者遭受强大的突加外在荷载(如地震作用等)的作用会使结构出现不同程度的损伤，结构发生损伤以后将严重影响结构的承载力及耐久性，甚至会发生严重的工程事故，不仅造成重大的人员伤亡和经济损失，而且会产生极坏的社会影响[5-6]。20世纪50年代末国际相继发生的著名垮坝事件[7]，以及大型水利水电工程运行中强烈的振动灾害[8]，使得大体积混凝土[9]水工结构物的安全和正常运行问题成为业界的焦点，因此，为了保证结构的安全性、完整性和耐久性，需采用有效的手段对结构进行健康状态[10]诊断。南水北调洺河渡槽位于河北省永年县城西邓底村与台口村之间的洺河上，距永年县城约10km[11]，是南水北调中线工程重要的输水建筑物，单跨跨度40m，宽25.5m[12]，为目前国内最大跨度渡槽[13]。本文针对洺河渡槽12#—16#跨渡槽槽身混凝土出现空鼓、裂缝等情况，采用渡槽整体三维有限元模型[14]，进行原有设计状态下的安全复核和缺陷状态下的安全评估。

2 渡槽实验平台搭建

在南水北调工程中，与其它水工建筑物相比，洺河渡槽具有跨度大、结构部件多等特点，其结构振动响应受水流因素影响较大，属于非平稳非线性低信噪比振动信号，其有效信息往往被低频水流噪声所淹没。因此，洺河渡槽的常规监测难以开展，只能通过一定的模型、监测数据推断损伤等发生的部位、规模和程度，难以准确把握整体建筑物工作性态。

中国水科院引调水工程缺陷诊断和风险预警研究项目组，基于流激振动探伤理论，开展高性能计算的渡槽健康诊断方法研究，通过与国内检测机构合作，构建了洺河渡槽现场流激振动探伤的原位试验和连续监测采集系统，构建渡槽现场流激振动探伤的原位试验和连续监测采集系统，完成了现场渡槽健康诊断实验平台搭建，通过建立渡槽结构三维有限元模型，模态分析诊断渡槽损伤部位和损伤程度，进行渡槽结构流激振动数据的采集和分析方法研究(本文不包含该部分研究内容)，并通过高性能数值仿真计算，对比分析验证渡槽原位流激振动损伤试验成果。渡槽结构三维有限元模型如图1所示。

为得到渡槽结构振动特征，采用基于二次滤波的模态参数辨识方法，该方法通过对流激振动数据进行预处理，提取结构振动有效信息，结合系统定阶，根据现场实测振动数据辨识渡槽结构运行模态参数，从而为渡槽结构安全运营和状态评估提供依据。

3 计算荷载及工况

根据洺河渡槽设计资料及运行情况，本次复核计算考虑了渡槽自重荷载、水荷载、人群荷载、风荷载、温度荷载、冰荷载以及预应力等。具体计算工况见表1。

表1 计算工况汇总表

首先对渡槽在正常运行时冬季和夏季两种情况下的整体应力进行分析，然后分别对设计工况下设置保温措施时渡槽内外壁应力进行分析，并通过分析对原有设计状态下渡槽的安全性进行复核。

4 整体应力分析

选取正常运行时冬季和夏季两种情况进行整体应力分析，具体应力分布如图2—5所示。

图2 工况1时渡槽结构第一主应力云图(单位：0.01MPa)

图3 工况1时渡槽结构第三主应力云图(单位：0.01MPa)

图4 工况2时渡槽结构第一主应力云图(单位：0.01MPa)

图5 工况2时渡槽结构第三主应力云图(单位：0.01MPa)

(1)温升+正常水深(工况1)条件下

第一主应力：渡槽拉应力主要分布在渡槽顶部翼缘表面、上部拉杆以及渡槽竖墙内壁与底板连接处。

第三主应力：渡槽内壁和外壁均为压应力，最大压应力出现在渡槽端部的竖墙底部。

总体上，在温升+正常水深条件下，渡槽竖墙内壁受拉，外壁受压。

(2)温降+正常水深(工况2)条件下

第一主应力：渡槽内壁基本上为压应力，渡槽顶部翼缘表面、上部拉杆以及渡槽外壁存在拉应力。

第三主应力：渡槽内壁和外壁均有压应力。

总体上，在温降+正常水深条件下，渡槽竖墙内壁受压，外壁受拉。

5 渡槽内壁及外壁面应力分析

鉴于《南水北调中线一期工程总干渠设计梁式渡槽土建工程设计技术规定》(2007-9-29)第7.2.3条规定：“在任何荷载组合[15]条件下，槽身内壁表面不允许出现拉应力，槽身外壁表面拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度设计值的0.9倍”的规定，因此，选取渡槽内外表面进行应力分析。

通过分析，本次选取了2个较危险的计算工况对渡槽内壁及外壁面进行应力分析，选取的计算工况为：温升+三孔过水+满槽水深+自重荷载+人群荷载+预应力(工况3)；温降+三孔过水+满槽水深+自重荷载+人群荷载+冰荷载+预应力(工况4)。

工况3条件下，渡槽边孔内壁纵向基本上为压应力，只有在槽身端部存在较小的拉应力，最大值约为0.20MPa；边墙内壁底部环向存在一定范围的拉应力区，最大拉应力约为2.18MPa；第一主应力：边墙内壁底部、八字墙以及底板端部存在一定的拉应力区，最大可达2.83MPa。渡槽中孔内壁纵向、环向均为压应力，第一主应力在竖墙顶部与底部存在受拉区，最大值约为1.50MPa。渡槽外壁纵向、环向应力基本上为压应力，外壁边墙中上部及外壁底部存在拉应力区，最大值约为2.00MPa。总体来看，工况3条件下，渡槽拉应力较大值主要分布在边墙内壁的下部以及外壁的底部。

工况3条件下的渡槽内壁及外壁面的应力分布规律如图6—8所示。

图6 工况3时边孔内壁应力分布云图(单位：0.01MPa)

图7 工况3时中孔内壁应力分布云图(单位：0.01MPa)

图8 工况3时外壁应力分布云图(单位：0.01MPa)

工况4条件下，渡槽边孔内壁纵向基本上为压应力，只有在槽身端部存在拉应力，拉应力最大值约为0.97MPa；环向应力均为压应力；第一主应力在槽端存在一定的拉应力区，最大约为0.88MPa。渡槽中孔内壁纵向、环向应力均为压应力，第一主应力在竖墙顶部、底部及底板端部存在拉应力区，最大值约为0.9MPa。渡槽外壁纵向、环向应力基本上为压应力，外壁边墙中上部及外壁底部存在拉应力区，最大值约为2.20MPa。总体来看，工况4条件下，渡槽拉应力区主要集中在边墙外壁的中上部以及外壁底部。

工况4条件下的渡槽内壁及外壁面的应力分布规律如图9—11。

图9 工况4时边孔内壁应力分布云图(单位：0.01MPa)

图10 工况4时中孔内壁应力分布云图(单位：0.01MPa)

图11 工况4时外壁应力分布云图(单位：0.01MPa)

6 渡槽典型断面环向及纵向应力分析

根据渡槽的受力特点，选定槽身跨中、1/4跨、1/8跨以及1/16跨支座断面作为环向、纵向应力分析的典型断面，每个典型断面上选取了7个断面作为特征位置，各断面及特征位置如图12—13所示。

图12 槽身横截面各典型部位

图13 渡槽各典型截面

将设置保温措施时，各工况一些典型断面部位的环向应力、纵向应力进行对比分析，以更好把握渡槽的应力情况。

表2给出了渡槽内外壁环向最大拉应力及压应力统计表，可以看出在温升+边孔通水(工况1、3)时，边孔内壁环向应力会出现拉应力，最大拉应值对应的工况为温升+边孔通水+满槽水深(工况3)，最大拉应力为0.98MPa，但拉应力面积很小，约为3.50m2，可能为应力集中现象。中孔内壁环向应力均为压应力；外壁在4个工况下均产生环向拉应力，最大拉应力为1.63MPa，拉应力面积约为20.00m2。渡槽内外壁最大压应力为16.33MPa，小于槽身允许主压应力19.2MPa。

表2 各工况下渡槽内外壁环向最大拉应力及压应力统计表

表3—6分别给出了4个工况典型断面关键部位环向应力表，可以看出，各工况下典型断面的各个关键部位的环向应力均为压应力，且压应力均小于槽身允许的主压应力19.2MPa。

表3 工况1下典型断面关键部位环向应力表 单位：MPa

表4 工况2下典型断面关键部位环向应力表 单位：MPa

表5 工况3下典型断面关键部位环向应力表 单位：MPa

表6 工况4下典型断面关键部位环向应力表 单位：MPa

采用与环向应力相同的方法，分析了4个工况典型断面关键部位纵向应力，各工况下典型断面的各个关键部位的纵向应力均为压应力，且压应力均小于槽身允许的主压应力19.2MPa。

7 结论

本次利用高性能计算仿真相关技术，通过采用渡槽整体有限元模型，在原有设计状态下，设计设置了保温措施，渡槽内壁环向和纵向均为压应力，第一主拉应力均在1.0MPa以内，外壁第一主应力均在2.00MPa以内，因此，槽身内壁应力状态满足“在任何荷载组合条件下，槽身内壁表面不允许出现拉应力”的技术规定，即满足“裂缝控制等级一级”的设计要求，外壁满足“裂缝控制等级二级”的设计要求。充分有效地对洺河渡槽原设计状态进行了安全复核，可为日后同类工程的安全复核提供参考和借鉴。