在役引水渠道安全稳定性评价与病害治理

王博宇，祝彦知，纠永志，田光辉，常 佳

（1.中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州 450007； 2.中原工学院 建筑设计研究院，河南 郑州 450007）

我国的大型灌区引水渠道多建于20 世纪五六十年代，由于建设年代久远，许多引水渠道不同程度出现了渠道边坡滑移、渗水漏水、衬砌结构裂缝、脱落及冻胀破坏等现象，严重威胁了灌溉工程的安全有效运行，因此针对在役引水渠道的健康诊断与评估已经成为重要研究内容之一。

李刚等［1］采用层次分析法对水工建筑物进行安全评估，为水工建筑物安全评价提供了技术支持；赵立庭［2］对某涵洞和山洪桥进行了安全复核，并使用数值分析法评估了泄洪闸受力状态；李信樵［3］基于可拓评价法进行迫切度分析，评价引水灌区等级，并利用SWPT 分析法为后续水利工程提出合理化的改造措施；李晨［4］针对YMD 电站引水渠道的裂缝问题，提出了合理的加固方案；曹晓毅等［5］通过现场调查、数值模拟和理论分析方法分析评价了多煤层开采对拟建灌溉排水渠道稳定性及渗漏的影响；熊厚庭［6］以引水渠道边坡为研究对象，用FLAC3D 软件分析了不同工况下渠道边坡的安全系数及滑移面位置，评价了引水渠道边坡的稳定性；刘翔［7］通过分析渠系工程存在的问题和细裂缝安全隐患成因，研究了兴建赵山渡引水工程采取输水渠系安全应急保证措施的必要性；许强［8］为保证引水渠道在施工时能够更好地贴近实际情况，在施工前用数值模拟的方法对低水位运行工况的渗流场进行分析，总结出采用输水渠旁设置防渗墙能够很好地提高输水渠的稳定性和安全性；陈立杰等［9］通过ADNA 对温度场、变形场和应力场进行数值模拟，为评价高地下水位地区灌排渠道的抗冻胀衬护结构的稳定性提供了理论依据；杨红娟等［10］对山东省位山灌区二干渠碱刘断面的地下水变化进行了动态模拟；胡丹等［11］以南水北调中线一期工程总干渠潮河段工程为例，利用得分函数和TOPSIS 法进行综合评价，为渠道风险管理提供了依据；吴梦娟等［12］为揭示西部干寒地区引水明渠在全寿命周期内的不安全因素，采用IAHP求解各指标权重，最后综合得到灰色Euclid 加权关联度；靳春玲等［13］以 PSR 模型为基础，采用AHP 法确定各PSR 指标的权重，将引水明渠的安全状态划分不同等级，用于综合评价引水明渠的安全状态；顾靖超等［14］结合宁夏灌区渠道工程破坏的类型、评价指标内容及权重、指标计分标准、分析评价方法、综合评价结论，提出了适合宁夏灌区特点、满足渠道安全运行、经济实用、防渗防冻胀效果显著的渠道安全评价方法；Li等［15］采用二维热传导和水分流模型分析了传统渠道衬砌结构中的温度特性，数值模型结果与渠道衬砌结构的现场温度测量结果一致；Eltarabily 等［16］以灌溉渠道之间的埃及伊斯梅利亚运河为主要研究对象，使用Geo Studio 有限元软件的SLOPE／W 模块建模并模拟土工布物理特性，表明土工织物在渗漏控制方面具有重要作用。 但目前尚无针对大型在役引水渠道结构健康诊断与安全评估的系统方法，且对处于地震影响区域的在役引水渠道数值模拟和病害治理尚无成熟的理论和工程经验可以借鉴。 因此，笔者针对焦作市引沁灌区总干渠在役引水渠道，进行现场检测与静、动力数值仿真分析，并对在役引水渠道的安全稳定性进行综合评价与病害治理措施研究。

1 引水渠道综合检测

引沁灌区河口段引水渠道为河南省焦作市引沁灌区总干渠渠首段，是素混凝土衬砌矩形断面渠道，其断面如图1 所示，渠道断面两侧高3 m，底板宽7.8 m，外侧由砂浆砌石砌筑而成，砌筑厚度为30 cm，内侧由素混凝土砂浆抹面，厚度为19 cm。 河口水渠洞口常年水深为2 m，流速为10 m3／s。 引沁灌区河口段引水渠道修建于半山腰，北侧为较高土山。 经多年输水运行，引水渠道多处出现了不同程度的裂缝、漏水、混凝土脱落等病害现象。

图1 引水渠道断面（单位：mm）

1.1 混凝土碳化检测

为了检测混凝土衬砌结构在长期工作状态下的碳化情况，对引沁灌区河口段引水渠道进行了碳化检测，实测结果见表1。 引沁灌区河口段引水渠道左侧和右侧碳化深度最小均值分别为16.0 mm 和52.9 mm，碳化深度较大，已对引水渠道造成影响，应尽快治理。

表1 引水渠道碳化深度实测值 mm

1.2 混凝土强度检测

河口段引水渠道较长，经实地考察选取混凝土脱落比较严重段进行实地回弹强度检测，引水渠道表面衬砌混凝土设计等级为C20，依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ／T 23—2011），根据实测结果（见表2），计算现龄期混凝土抗压强度左侧最小推定值为26.1 MPa，右侧最小推定值为27.8 MPa。 结果表明，引沁灌区河口段引水渠道混凝土回弹强度实测均值比混凝土强度推定值高，符合设计要求。

表2 引水渠道混凝土抗压强度检测结果

1.3 混凝土裂缝检测

根据现场检测，引沁灌区河口段引水渠道已经出现较为严重的结构型裂缝和混凝土脱落现象，此外通过检测发现引水渠道外侧出现严重漏水现象。 经过裂缝综合测试仪检测可知，渗水较为严重位置最大宽度为4 mm，深度为240 mm。 实测结果表明，此位置裂缝深度已经透过混凝土表面衬砌，达到砂浆砌石位置，深入结构内部，应加强监测，并及时进行加固修复。

1.4 砌筑砂浆强度检测

为了检测引水渠道浆砌石砂浆在长期工作状态下的抗压情况，现场对引沁灌区总干渠河口段引水渠道外侧按照规范要求选取8 个点分别开展贯入检测，结果见表3。

表3 引水渠道浆砌石砂浆贯入检测结果

经过实测可知，外露砂浆强度在长期复杂环境及荷载作用下逐渐降低，应该加强维修加固，阻止引水渠道发生渗漏。

2 引水渠道整体力学分析

2.1 静力分析

2.1.1 模型的建立

采用Midas GTS 有限元软件建立引沁灌区河口段引水渠道有限元模型。 模型坐标y轴为引水渠道的重力方向，x轴垂直于引水渠道轴线方向，底部采用固定约束，其他表面为自由边界。 有限元模型计算区域共划分2 222 个节点、2 111 个单元。 另外，为了在静力分析中更好地模拟引水渠道裂缝表面的闭合与张开及骨料咬合作用，在裂缝表面节点间布置了切向和法向弹簧单元，便于追踪引水渠道裂缝的扩展。

2.1.2 材料特性参数与计算工况

静力计算所需材料特性参数主要依据设计资料及相应规范来确定。 混凝土、砂浆砌石弹性模量均为2.0×104MPa，泊松比均为 0.2，容重均为 2.5×10-5N／mm3，不考虑结构渗透性。

土的本构模型选择修正摩尔-库仑模型，泊松比为 0.32，容重为 1.8×10-5N／mm3，饱和容重为 1.99×10-5N／mm3，初始孔隙比为0.84，非线性三轴割线刚度为24 MPa，主压密加载试验的切线刚度模量为24 MPa，卸载弹性模量为86.4 MPa，失效率为0.9，参考压力为0.1 MPa，应力相关幂指数为0.5，孔隙率为0.6，剪切破坏时的摩擦角为10.7°，最终膨胀角为0°，黏聚力为10.8 kPa，剪切硬化自动计算。

荷载仅考虑重力、水压力，荷载工况为自重、自重＋水压力，有限元数值模拟侧重于从整体上分析引沁灌区河口段引水渠道结构体系的位移和变形状况，并给出相对比较危险的区域。

本文仅列出河口段引水渠道在重力和水压力作用下的y向位移和最大主应力云图（见图2、图3）。 组合荷载作用下引沁灌区河口段引水渠道位移和应力分布规律与重力单独作用下的引水渠道数值计算结果相似，但是在量值上有所增大。 组合荷载作用与重力荷载单独作用情况相比，引水渠道x方向最大位移、y方向最大位移、第一主应力、第三主应力变化较小，在设计水深为2 m 的条件下，水压力影响不是很明显。

图2 引水渠道在重力和水压荷载共同作用下y 向位移（mm）

图3 引水渠道在重力和水压荷载共同作用下最大主应力（MPa）

数值分析结果表明：①在重力和水压力作用下，经过数值分析引沁灌区河口段引水渠道较高的土坡会有22 mm 的竖向位移。 根据现场实地考察，该土坡较高，且挡土墙已经年久失修，容易出现土坡滑移现象，可能会对引水渠道造成严重破坏。 因此，在加固时，要对引沁灌区河口段引水渠道重点关注，应采取必要措施降低土坡滑移对引水渠道的影响。 ②引沁灌区河口段引水渠道在重力和水压共同作用下，最大主应力和最小主应力均发生在引水渠道底板中间位置，这说明在重力和水压力共同作用下，引水渠道底板中间位置极易开裂，需要特别关注。 ③由有限元分析可以得出，混凝土衬砌的引水渠道在水压和自重的作用下会出现9 mm以下的位移，现场检测出现宽4 mm 的裂缝证明了有限元分析的准确性和材料取值的合理性。

2.2 动力分析

2.2.1 地震波选择

河口段引水渠道工程建设年代较早，为确保其在地震荷载作用下的安全性，本文采用时程分析法对河口段引水渠道进行抗震验算。 分别采用调整后的EICentro 南北向地震波、Taft 地震波、sanfer-h 地震波的地震加速度时程来确定地震作用效应。

2.2.2 材料特性参数与计算工况

抗震设防烈度为7 度（0.10g），场地土地类别为Ⅱ类，抗震设防分类为乙，分区特征周期为0.4 s，阻尼比为0.05，阻尼调整系数为1.0，重要系数为0.43。 动力计算选取的材料参数与静力计算相同。

经检测，引水渠道混凝土结构存在4 mm 宽裂缝，在动力有限元分析时，将引水渠道的裂缝视为单元边界，通过调整节点的位置或者增加新的节点来重新划分引水渠道的有限元网格，始终将裂缝处于单元边界与边界之间，该方法易于表现出裂缝面之间力的传递。

分别考虑沿引水渠道顺渠道X向、横渠道Y向两种工况对结构进行激励。 在3 种地震波X、Y向激励下，位移和加速度响应最大值分别在各自所激励的波形方向上，对其余方向影响较小，因此下面仅分析不同地震波在各自激励方向上对结构位移、速度和加速度的影响（见表4）。

表4 不同地震波激励下的位移、速度、加速度

结合《水电工程水工建筑物抗震设计规范》，由引沁灌区河口段引水渠道结构时程法动力分析结果可知：在X方向激励下，EI-Centro 波X向位移最大，出现在引水渠道右侧混凝土衬砌和砂浆砌石位置。 根据模拟结果，该地区一旦发生地震，最容易受到破坏的位置为右侧混凝土衬砌，并且河口混凝土衬砌相对较薄，砂浆砌石缝隙比较大，这就造成此处很容易出现漏水现象。 现场检测出来的4 mm 宽裂缝是引水渠道在重力和水压力的共同作用下产生的，在地震荷载影响下，会进一步加剧裂缝的扩展。

3 加固处理方案

3.1 混凝土损坏脱落处理

由于河口段部分引水渠道破损比较严重，渠道混凝土衬砌表面存在蜂窝麻面、脱落严重等问题，因此对引水渠道混凝土衬砌结构采用高一强度等级的细石混凝土进行修复。

在引水渠道混凝土损坏脱落部位，首先凿除基层混凝土及脱空的混凝土，直到露出坚硬的混凝土基面；然后用钢丝刷或加压水洗刷基层，处理完成后，在保持基面湿润的情况下，使用高一强度等级的细石混凝土将破损部位修整为设计形状；最后洒水养护直至达到混凝土设计强度。

3.2 裂缝及渗漏处理

3.2.1 引水渠道裂缝处理

采用环保型石油沥青聚氨酯接缝防渗材料（PTN）对引水渠道裂缝进行处理，这样既能够提高引水渠道的抗渗能力，又能够防止水渗漏导致混凝土内部钢筋锈蚀。

引水渠道质量缺陷修补处理采用PTN 砂浆，设计强度高于 M20，抗压强度＞5.0 MPa，抗拉强度＞1.0 MPa，吸水率＜0.1%，渗透系数＜ 0.236× 10-9cm／s，抗冻等级 F200。

在引水渠道裂缝修补时，需用打磨砂纸和吹风机清理裂缝里面存留的杂物，然后用PTN 防渗材料对引水渠道进行处理，必须保证防渗材料充分填充裂缝内部。

3.2.2 引水渠道防渗处理

（1）伸缩缝渗漏处理。 引水渠道伸缩缝渗漏处理按照先两边侧墙后底板的顺序施工，先拆除迎水面止水槽内现状各类填缝材料，待基层处理完成后将牛皮纸或塑料薄膜粘贴在橡胶止水带表面，采用PTN 防渗材料对裂缝进行填充。

（2）平面防渗处理。 在对引水渠渠道裂缝、施工缝及渠道混凝土破坏渗漏区域全部内表面现状基面处理后，涂刷PTN 防渗材料，其中：渠道两侧墙立面涂刷厚度为2.0 mm、用量为2.4 kg／m2，底板涂刷厚度为4.0 mm、用量为 4.8 kg／m2。

平面防渗处理需先处理基面，然后涂刷PTN 防渗材料，再对其进行养护，直至符合施工质量验收规范。

4 结 语

（1）灌区在役引水渠道建设年代较早，大部分施工工艺落后，图纸保存不完整，通过现场检测可为数值模拟分析提供较真实的模拟参数，使数值模拟分析的准确性得到提升。

（2）运用时程分析法进行引水渠道地震反应分析，并与静力分析相结合，可以更全面、准确地掌握引水渠道关键部位内力及变形情况。

（3）通过对引沁灌区河口段引水渠道进行系统分析研究，给出了科学的安全性评价与针对性的病害处理方案，并在实际工程中成功应用，研究成果可为其他类似工程提供参考。