某长距离输水渠道工程隧洞抗震安全性研究

傅 柯，周八军

（西安水务（集团）黑河输水渠道管理有限公司，陕西西安 710061）

引言

20世纪70年代末，日本学者针对软土层隧道和成层土抗震问题，先后提出了应变传递法、反应位移法，丰富了地下结构抗震研究方法[1]。我国的地下结构抗震研究工作开展已久，但相关设计方法几乎都在1980年以后才被列入相关规范之中。目前我国现行涉及地下工程的设计规范多数仍采用了基于地面建筑抗震设计的拟静力方法，但运用该方法计算得到的结果与实际地震发生时的结构动力响应存在较大差异。输水隧洞作为典型的地下工程结构体，其地震响应分析方法和前述其他形式的地下结构的研究方法基本相同[2]。

某长距离输水渠道隧洞工程通水运行三十余年，建设期未考虑引入安全监测系统，自工程运行至今，受城市供水需求影响，从未进行过抗震安全性能评估。为进一步掌握工程本体结构安全现状，有必要利用停水时机，在人工调查的基础上，采用有限元结构分析软件Midas/FEA从抗震承载力验算、隧洞内水压力计算、反应位移法抗震计算、地震组合工况下内力、地震组合工况下剪力、地震组合工况下弯矩等指标角度对影响隧洞结构地震响应的关键因素以及结构的抗震薄弱部位进行安全性分析研究，详细了解隧洞抗震结构安全现状，为后期及时建立安全监测系统提供理论数据及现实依据，同时为管理单位科学管护隧洞工程提供理论支撑。

1 研究背景

1.1 工程概况

某长距离输水渠道工程自蔺家湾汇流池起，自西向东跨越五个行政区，全长122km。渠首汇流池引水高程510.2m，末端出口高程460.5m，渠道比降1/2 500，为重力自流输水。渠线沿秦岭北麓坡脚和山前洪积扇而行，沿途横跨就峪、田峪、涝峪、沣峪等河流，沟道70余条，穿越神禾、少陵等黄土塬，主要建筑物60余座。穿越山梁或高地时采用隧洞通过，进出口选在围岩比较稳定的区域，便于和其他建筑物衔接。其中隧洞工程占渠道总长25%，比降1/2 500，断面形式分为3.4×4.1m蛋型断面、3.1×4.0城门洞型断面、2.7×2.7m马蹄型断面、2.5×2.5m马蹄型断面，穿越介质岩性分为石质隧洞与土质隧洞两类。

1.2 参考规范依据

由于该长距离输水渠道工程隧洞所在的区县在工程设计时期（20世纪80年代）参考《中国地震动参数区划图》（1977年版），所属地震区抗震设防要求为7度区。而目前该地区水工建筑物地震设防等级参考《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)标准规范，该所属区域抗震设防要求统一提高至8度（0.2g）。同时结合《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)规范要求，为保证此次抗震性能安全研究的准确性及严谨性，本文中隧洞工程安全性研究参考第五代《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)。

1.3 研究内容

1.3.1 查阅资料

现场资料收集整理：收集并查阅排查设施的竣工图纸、工程验收文件等资料，并对现有资料按场地地段、结构形式、材质、结构尺寸进行分类、整理和归纳。其次，经过对设施资料整理，根据隧洞断面形式、结构材质和地震设防烈度进行分类[4]。

1.3.2 现场调查

对某长距离输水渠道隧洞工程进行现场调查，了解其结构构件、单元特性，填写初步调查表。

1.3.3 结构抗震性能分析

（1）对隧洞主体结构现状进行调查，按该隧洞的后续使用年限根据《构筑物抗震鉴定标准》（GB 50117-2014）中的相关规定进行分类；

（2）按照工程所在地的地震设防烈度、结构本身的构造情况等条件对结构抗震措施及抗震承载力进行鉴定。

（3）根据抗震措施的满足情况及抗震验算的结果对结构目前所具有的抗震性能作出评价。

2 现状调查

通过人工进入隧洞内部观察，发现隧洞内部均存在不同程度裂缝、渗漏、冲刷坑等缺陷和问题。

2.1 裂缝

存在部位：大部分存在于隧洞底板混凝土表面，部分存在于隧洞洞顶附近混凝土表面等部位。

具体描述：利用某水厂东线管道施工停水期间，进入某1#隧洞、2#隧洞检查发现：1#隧洞底板存在水平裂缝一条（侧墙、底板施工分缝处），裂缝尺寸：长度17m、最大开度4cm、深度25cm。2#隧洞底板存在一条纵向裂缝（长度80m、最大开度4cm、深度25cm），底板局部错台（最大开度近6cm）；存在5条环向裂缝。

2.2 渗漏

存在部位：大部分存在于隧洞顶部、侧壁表面。

具体描述：渗漏点位于隧洞洞身施工分缝处，因施工分缝橡皮、刨花板等止水材料老化过期、破损导致；部分渗漏点因施工混凝土冷缝保护层不够，碳化、裂缝综合作用导致。施工分缝处混凝土面渗或点渗，局部集中渗漏，个别呈射水状态。

2.3 冲刷坑

存在部位：大部分存在于隧洞水面线以下侧壁、底板表面等部位。

具体描述：受施工工艺落后、设计标准低、水流长期冲刷气蚀作用等因素影响，部分隧洞水面线以下洞表面出现冲刷坑。首先在1#隧洞内发现侧墙水面以下条带状破损20余处，长度3—5m、宽度4—10cm、深度3—7cm；侧墙水面以下冲刷坑130余处，长度6—8cm、宽度4—10cm、深度3—8cm；地板鼓包两处，呈三角形，面积0.17m2。其次在2#隧洞内发现侧墙两侧水面线以下长50m、宽30cm、深0.5—1cm片状冲刷破坏两处。

3 研究过程

鉴于隧洞工程原设计未考虑抗震设计或考虑抗震设计的构筑物所处地区抗震设防烈度提高，从抗震设防烈度角度看，整个渠道工程隧洞无法达到现行国家抗震规范标准要求的设防目标。为减轻地震破坏，减少损失，拟采用有限元结构分析软件Midas/FEA从抗震承载力验算、隧洞内水压力计算、反应位移法抗震计算、地震组合工况下内力、地震组合工况下剪力、地震组合工况下弯矩等指标角度对影响隧洞结构地震响应的关键因素以及结构的抗震薄弱部位进行抗震安全性分析研究，为抗震加固或采取其他抗震减灾对策提供依据[3]。

3.1 结构抗震鉴定分类

该长距离输水渠道工程隧洞主要用于向城市主城区输送原水，地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL250-2017）第4.2.1条规定，隧洞级别为2级，根据《水工建筑物抗震设计标准》（GB51247-2018）第3.0.1条，隧洞抗震设防类别属于丙类建筑，其抗震措施核查和抗震验算按本地区的抗震设防烈度进行。同时，根据《构筑物抗震鉴定标准》（GB 50117-2014）中1.0.4条和1.0.5条之规定，结构的后续使用年限为50年，属于C类建筑，应采用C类建筑的抗震鉴定方法，按照现行国家规范《建筑抗震设计规范》（GB50011）的要求进行鉴定。

3.2 抗震承载力验算

本文中采用通用有限元结构分析软件Midas/FEA进行结构分析，混凝土采用C20，混凝土轴心抗压强度设计值fc=9.6N/mm2，轴心抗拉强度设计值ft=1.10N/mm2；隧洞顶部覆土厚度不小于30m，基准面取至30m土层位置；隧洞周边20m及3倍洞高范围内自由场，选取粘弹性边界，平面应变整体模型底部边界为固定约束；计算模型按现有设计图及现场踏勘情况，选取典型隧洞建立[5-6]。

运用Midas FEA建立的隧洞断面有限元模型如图1所示。

图1

3.3 隧洞内水压力计算

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）水工建筑物级别划分，隧洞工程等级为Ⅱ级主要建筑物，工程规模为大（2）型。

采用Midas FEA施加流体压力的模型见图2。

图2 动水压力布置

《水工建筑物抗震设计标准》（GB51247-2018）规定，水工建筑物由其重要性和工程场地地震基本烈度按下表确定其工程抗震设防类别为丙类。如表1所示：

表1 工程抗震设防类别

3.4 反应位移法抗震计算

抗震设防标准：本工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，抗震设防类别为丙类，当计及地震、人防或其他偶然荷载作用时，可不验算结构的裂缝宽度。抗震计算按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）采用反应位移法进行计算[7]。

荷载组合根据 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）等规定及可能出现的最不利情况确定，组合类型如表2所示：

表2 荷载组合及分项系数表

采用反应位移法进行隧洞结构横向地震反应计算时，考虑土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力作用，可将周围土体作为支撑结构的地基弹簧；先由特征值分析求得三和九阶特征周期Tg为0.43s和0.3s，以此特征周期构造瑞利阻尼用于时程分析；EL-center波地震时程分析曲线如图3所示。

图3

为节省成本，隧洞洞顶水平位移时程仅选取前30s进行分析，由时程曲线计算结果可知，在2.5s时隧洞顶部已达到水平最大位移18mm，隧洞整体变形满足《建筑抗震设计规范（GB50011-2010）》要求。

3.5 隧洞强度验算

3.5.1 地震组合工况下内力

荷载效应选用偶然组合，考虑X、Y向地震作用时，流体对隧洞断面侧壁的冲击作用，隧洞内力验算结果如图4所示：

图4 组合工况结构内力图

根据计算结果，最大内力出现在隧洞底部，最大内力为-688.9kN＜fc，A=2 880kN，构件强度满足《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）要求。

3.5.2 地震组合工况下剪力

根据计算结果如图5所示，最大剪力出现在隧洞底部，最大剪力为470.6kN＜fc，A=2 880kN，构件强度满足《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）要求。

图5 组合工况结构剪力图

3.5.3 地震组合工况下弯矩

根据计算结果如图6所示，最大弯矩出现在隧洞底部，最大弯矩为-282.6kN·m；隧洞壁板图纸配筋φ为14@125，由，最小配筋率As=1 032mm2，隧洞壁板配筋验算符合设计要求[8]。

图6 组合工况结构弯矩图

3.6 分析总结

（1）经过现场实勘及核对图纸，本隧洞工程基础结构完好，未发现裂缝及沉降，结构体系及连接处未产生明显的扭曲或不均匀沉降的变形现象；埋置地面以下的部分上方无可观察到的漏水或塌陷，可见无明显的裂缝和变形；

（2）由承载力复核结果可知，正常使用条件下，隧洞壁板结构内力及变形满足《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）与《水工建筑物抗震设计标准（GB51247-2018）》设计要求；

（3）在地震反应谱水平相当的8度中震水平地震下，在最不利的满水工况下，由模型分析结果可知，隧洞整体结构强度满足《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）与《水工建筑物抗震设计标准（GB51247-2018）》抗震承载力要求；

（4）在抗震承载力复核中，考虑地震组合工况下弯矩，隧洞壁板最大弯矩处的计算配筋，经与原设计图纸验算比对，满足规范安全性要求。

4 结论及建议

4.1 结论

通过以上对某长距离输水渠道工程隧洞进行的地震灾害排查及抗震鉴定，从技术性、经济性综合考虑，在正常使用状态下，各结构主体适于继续承载，但当遭遇本地区设防烈度地震时，可能出现混凝土构件强度不足、变形过大等情况，从而影响整个渠道正常运行。

4.2 建议

根据抗震鉴定结果，对某长距离输水渠道工程隧洞目前存在的问题处理建议如下：

（1）组织具有资质的检测单位，对上述抗震承力载力存在地震下安全隐患的渡槽、箱涵进行进逐一检测，查明混凝土强度、构件尺寸、钢筋数量及直径、混凝土碳化深度等现状情况。

（2）组织具有资质的勘察单位，对于缺失地质勘察资料的构筑物进行补勘。在完善上述检测及勘察的基础上，组织具有资质的设计单位结合现有设计资料，对存在隐患进行进一步计算复核，筛选存在地震隐患的构筑物。

（3）对于经抗震承载力复核后仍不满足要求的构筑物进行结构加固设计。在采取进一步鉴定加固措施前，维持目前使用状态下情况下，应定期进行维护和观察，一旦出现异常情况应及立即组织某长距离输水渠道工程管理部门采取应急措施。□