考虑砂浆冻融劣化效应的浆砌石渠道抗震安全分析

姚皓铮沈振中马福恒胡 江

(1.河海大学 水利水电学院,南京210098；2.南京水利科学研究院,南京210029)

渠道是最为常用的开敞式输水建筑物,具有供水、灌溉、发电、过鱼等多种功能.浆砌石材料由于其来源方便,施工容易,在渠道建设中被广泛采用.根据统计,在浙江省小水电工程中,浆砌石结构的渠道约占71.71%,高于其他结构形式的渠道.此类渠道大部分建于20 世纪六、七十年代,普遍存在工程质量差、建设标准低等问题,再加上运行过程中长期受到各种环境因素的侵蚀,呈现出劣化和局部破损等病害,其正常使用功能受到影响,抗震安全性存在隐患.针对浆砌石渠道的劣化、局部破损等病害问题及其安全评价,已有不少研究成果.徐志丹等[1-3]总结了浆砌石渠道常见的破损类型,分析了破损形成的原因,并提出了相应的改造处理措施.徐存东,王燕[4]提出了一种新的套砌方法改造浆砌石渠底及坡脚的防冻胀加固方案.上述研究主要是对浆砌石渠道的破损原因及改造处理方法进行分析总结,而关于浆砌石渠道的抗震安全性,尤其是考虑水泥砂浆劣化影响浆砌石渠道抗震性能的分析尚未见报道.在地震高烈度区如何设计浆砌石渠道、评价其抗震安全性缺乏理论依据.

在建筑工程中,水泥砂浆呈薄层状态,主要起粘结作用,传递应力.因长期遭受外界环境的侵蚀作用,会导致砂浆力学性能降低而提前发生老化、开裂等现象,其劣化速率远大于块石,严重时可造成建筑物破坏.本文结合红旗渠工程,建立了考虑水泥砂浆劣化的渠段三维有限元模型,精细模拟砂浆和块石,计算分析渠道在设计地震作用下的应力和变形特性,并进一步研究水泥砂浆劣化效应对结构抗震性能的影响,提出有效的除险加固措施,这对类似渠道的结构设计和除险加固具有指导和借鉴意义.

1 水泥砂浆的劣化模型

红旗渠工程地处华北平原,冬季昼夜温差很大,冻融是引起水泥砂浆劣化的主要因素.许多学者对冻融作用下水泥砂浆的物理力学性能开展了深入研究[5-9].其中葛文杰,桂常清,王必元[5]采用快冻法对掺入不同类型纤维、不同纤维掺量的试件进行冻融循环试验,研究其力学性能.王振军,吴佳育,白敏,等[6]在配制砂浆试件过程中掺入适量温敏聚合物,然后进行冻融循环试验,并与未掺温敏凝胶的试件进行对比分析,测得水泥砂浆在不同冻融次数下的一些力学参数.张菊,刘曙光,闫长旺,等[7]将PVA-ECC 分别置于氯盐环境和淡水环境中进行快速冻融试验,研究表明氯盐环境中试件的抗冻性相对于淡水环境显著下降.李建新,王起才,李盛,等[8]测试了水泥砂浆在不同含气量情况下的孔结构及抗冻耐久性变化规律.陈松,李伟龙,王起才,等[9]通过试验测定了不同含气量下水泥砂浆的结构特征及抗冻性,得到了一些有益的规律.选取上述文献中的相关试验数据绘制曲线,如图1所示.可见,各文献成果中,砂浆的动弹性模量均随着冻融次数的增加而逐渐减小.

图1冻融作用下水泥砂浆的相对动弹性模量

实际上,渠道在长期运行过程中,冻融次数远大于200次.利用Origin软件对图1的5组试验数据进行回归分析,采用指数拟合,模型为Exp2PMod2,回归后的曲线如图2所示.建立的冻融作用下砂浆动弹性模量与冻融次数的关系如下:

式中:E0为未冻融时砂浆试块的动弹性模量(GPa)；En为冻融n 次后的砂浆试块的动弹性模量(GPa)；n为砂浆试块冻融次数,n≥0；a、b 为试验参数.

图2砂浆相对动弹模随冻融次数变化的回归曲线

经回归分析可得a≈1.01172,b≈0.00314.利用图1的冻融试验数据,建立了水泥砂浆冻融损伤的动弹性模量劣化模型.本文采用该模型研究水泥砂浆劣化对浆砌石渠道抗震性能的影响.

2 统计冻融循环次数与当量冻融循环次数

2.1 林州市历史气象资料的统计

本研究采用中国气象局网站资料,对红旗渠工程所在地林州市的历年气象数据进行统计,由于只能查询到2011～2018年间的气象资料,其中2012年为较冷年份,故按2012年的气象情况进行统计.参考快冻法试验要求,这里规定冻融循环次数统计方法:当日最低气温低于0℃、-5℃、-10℃,并在当日气温升高至0℃～5℃计为一次冻融循环.按此方法计算出了林州市在-5～+5℃、-10～+5℃、-15～+5℃三档的统计与当量冻融循环次数,具体数据见表1[10].

表1林州市的统计冻融循环次数

2.2 当量冻融循环次数

迄今为止,国内外对冻融循环次数的定义并无规范可循.人们约定温度由正变负即为一次循环.本文采用“当量冻融循环次数”概念[10],将这一工程环境特征参数用于浆砌石结构抗冻耐久性分析.定义如下:

式中:[N]为当量冻融循环次数(次/a)；N-15～+5℃为-15～+5℃的冻融循环次数(次/a)；N-10～+5℃为-10～+5℃的冻融循环次数(次/a)；N-5～+5℃为-5～+5℃的冻融循环次数(次/a).

3 渠道三维精细有限元模型

3.1 总干渠工程概况

红旗渠总干渠起点是山西省平顺县石城镇,经林县河口流入分水岭,全长70.6 km.总干渠渠底宽7.0 m,渠墙高4.3 m,多为矩形砌石断面.设计正常流量20 m3/s(水深3.5 m)；加大流量23 m3/s(水深4.0 m).总干渠分水闸于1965年3月修建,位于东南公路分水岭.分水闸上游是长102 m,高10 m的矩形防洪明渠.总干渠及第一、二分干渠为4级水工建筑物.本文取靠近闸室的一段矩形明渠作为研究对象.

经过54a的运行,红旗渠的当量冻融循环次数为216次,受侵蚀较严重,影响了渠道的安全运行,抗震安全性下降.砂浆作为其主要材料,在环境侵蚀下易发生劣化,因此需要考虑砂浆劣化效应对渠道抗震性能及安全的影响.

3.2 渠道三维有限元模型

浆砌石渠道由水泥砂浆和块石组成,水泥砂浆厚度约2～3 cm,砌体块石长约50 cm,宽约25 cm,厚约25 cm.为节省计算时间,在顺水流方向截取1 m,建立三维有限元模型,对水泥砂浆和块石加密细分后形成三维有限元网格.规定:垂直水流方向为x轴方向,指向右岸为正；顺水流方向为y轴方向,指向下游为正；垂直向为z 轴方向,指向上方为正.三维有限元模型与渠段结构图如图3、图4所示.

图3三维有限元模型

图4渠段结构图

3.3 渠道结构计算参数

红旗渠结构的物理力学参数见表2.

表2结构计算参数

根据参考文献[11]和现场检测数据,取水泥砂浆劣化前的初始静弹性模量E0=1.0 GPa,标号强度为10.0 MPa.参考《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[12],地震工况下,混凝土的动弹性模量在静态的基础上提高50%.水泥砂浆与混凝土类似,这里取水泥砂浆的动弹性模量为静弹性模量的1.5倍.本工程采用花岗岩块石砌筑,参考《浆砌石坝设计规范》(SL25—2006)[13],砌体结构抗压强度允许值为10.0 MPa,抗拉强度允许值为300 k Pa.

4 浆砌石渠道抗震性能研究

采用动力时程分析法对浆砌石渠道抗震性能进行研究.由于砂浆冻融劣化主要发生在渠道正常运行情况下,所以计算工况考虑正常运行加设计地震作用,荷载组合为自重、水压力、水重、扬压力、土压力及地震荷载.其中,地震动水压力折算为与单位地震加速度相应的附加质量.

4.1 地震波的选取

红旗渠所在地区的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.1g.根据模态分析结果,选择两条实测地震波和一条人工波进行渠道地震响应分析,即Taft波、EL波、人工波.这里给出EL 波作用下的成果,由于前20s的地震动加速度较大,因此截取0～20s时间段的加速度曲线,对EL 波按水平地震动加速度峰值0.1g调幅,以进行设防地震作用下的非线性动力时程分析,计算时间步长取为0.02 s.调幅后的EL波水平向加速度时程如图5所示.这里仅考虑最危险工况,即垂直水流向地震作用.动力分析时考虑地基质量,采用弹簧单元和阻尼单元实现黏弹性动力人工边界.

图5 EL-Centro地震波水平向加速度曲线

4.2 不考虑砂浆劣化效应的渠道地震响应特性分析

不考虑水泥砂浆劣化效应时,对浆砌石渠道进行动力分析.通过对渠道特征点的应力时程曲线分析,渠道的最大压应力、最大拉应力随时间的变化与地震波加速度时程曲线近似呈正相关,应力最大值均出现在地震峰值时刻.因块石的强度很高,一般浆砌石破坏均出现在砂浆位置,所以这里只单独拿出砂浆的云图进行分析.图6与图7分别为地震峰值时刻渠道的最大压应力与最大拉应力图.可见,在地震作用下,渠道底板处拉应力较大,并在底板与边墙交接部位出现应力集中现象.其中最大压应力为948.4 kPa,小于允许值10.0 MPa；最大拉应力为332.7 k Pa,最大拉应力大于允许值300 k Pa,不满足承载力要求.从渠道的应力图来看,在设计地震作用下,渠道底板与边墙交接处部分位置会发生抗拉破坏,但结构整体性未遭到破坏.渠道顶部水平向的相对位移时程曲线如图8所示.可以看出,渠顶相对位移随时间的变化与地震波加速度时程曲线近似呈正相关,水平向最大相对位移为-0.342 mm,很小,满足安全要求.

4.3 考虑砂浆劣化效应的渠道地震响应特性分析

依据推出的砂浆冻融损伤劣化模型,计算红旗渠目前劣化程度下的应力情况(即冻融次数为216次,劣化程度为49%).考虑砂浆劣化效应情况下,地震峰值时刻渠道的最大压应力与最大拉应力及渠道顶部水平向的相对位移时程曲线,如图9～11所示.从图中可以明显看出渠道底板处拉应力较大,并在底板与边墙交接部位出现应力集中现象,最大压应力与最大拉应力主要发生在交接处.考虑砂浆劣化效应后,渠道最大压应力与最大拉应力均变小；其中,最大压应力为730.0 kPa,最大拉应力为204.0 k Pa.渠顶水平向最大相对位移变大,为-0.397 mm.

图9考虑砂浆劣化效应的渠道最大压应力图

图10考虑砂浆劣化效应的渠道最大拉应力图

图11考虑砂浆劣化时渠顶相对位移时程曲线

经分析,出现这种现象主要原因是砂浆的动弹性模量越来越小,但这并不代表砌石体安全性随砂浆劣化而提高.根据参考文献[6],随着冻融次数增加,水泥砂浆动弹性模量与强度的变化基本成正相关.计算得出当冻融次数为216次时,砂浆动弹性模量为0.765 GPa,相应的水泥砂浆强度为3.37 MPa.参考《浆砌石坝设计规范》(SL25—2006)[13],砌体结构强度与水泥砂浆强度基本成正相关,见表3.

表3砌石坝设计规范

因此随着冻融次数增加,砌体结构强度也逐渐降低.根据换算,近似估计出红旗渠目前劣化程度下砌体结构抗压强度及抗拉强度,具体见表4.可以看出,两种情况下渠道在地震峰值时刻的最大压应力均小于允许值,满足承载力要求；但最大拉应力均大于允许值,不满足承载力要求.砂浆劣化程度为49%时,最大压应力与最大拉应力相对未劣化情况均减小,但这并不代表砌石体安全性提高.由承载力安全系数可知,由于砂浆劣化,渠道安全性降低,在设计地震作用下渠道将会发生抗拉破坏.随着局部砂浆老化缺失,可能会造成渠道块石的脱落,对结构造成破坏.

表4两种情况下渠道的主要参数结果

5 结论

本文针对水泥砂浆劣化对浆砌石渠道抗震性能的影响,结合实际工程,建立了总干渠渠段三维精细有限元模型,详细模拟了浆砌石结构,采用当量冻融循环次数的概念,计算得出运行54年的红旗渠的劣化程度,并分析研究了在此劣化程度下浆砌石渠道的动力响应,确定了渠道的薄弱部位,得出了相应的研究结论:

1)红旗渠经过54 a的运行,当量冻融循环次数为216次,砂浆劣化程度为49%.不考虑砂浆劣化和考虑砂浆劣化两种情况下,渠道的最大压应力均在允许范围内,但最大拉应力均超过允许值,渠道将会发生抗拉破坏.

2)考虑砂浆劣化后,渠道在设计地震作用下的渠顶相对位移变大,最大拉应力与最大压应力均减小,但相应的抗拉强度与抗压强度也随之降低.同时,渠道承载力安全系数降低,结构整体性将会受到破坏,动力响应明显变大,抗震能力显著下降.

3)底板与边墙交接处是浆砌石渠道的薄弱部位,需对薄弱部位进行加固处理,以减少可能发生的局部破坏；采用压力注入水泥砂浆的方法对劣化部位进行填充修补,同时在类似的浆砌石渠道设计过程中建议采用抗冻性能较好的水泥砂浆；在平时的运行检测中,对这些薄弱部位应予以足够重视.