地面式鋼襯鋼筋混凝土管道過(guò)活斷層措施與地基接觸特性研究

彭越堯，馬 銖，張 彪

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

0 引 言

我國(guó)水資源總量豐富，但在時(shí)間和空間上分布極不均勻。為緩解地區(qū)之間的水資源供需矛盾，除了加大節(jié)水力度和推進(jìn)污水處理工程建設(shè)，有時(shí)還需要通過(guò)調(diào)水工程從外域調(diào)水，以推動(dòng)區(qū)域間協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。壓力管道作為輸送管線常見(jiàn)于引調(diào)水建筑物[2]，其布置形式主要有地面式、地下埋藏式和溝埋式等[3- 4]，根據(jù)所使用的材料又包括鋼管、鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管等。由于引調(diào)水輸送線路長(zhǎng)，穿越區(qū)域廣，經(jīng)過(guò)的地形地質(zhì)條件復(fù)雜，常常需要跨越高地震區(qū)域的活斷層，使得地面明鋼管在抗震和適應(yīng)活斷層變形等方面面臨許多難以解決的問(wèn)題，故近年來(lái)提出了使用鋼襯鋼筋混凝土管道的設(shè)想[5]。

由于活動(dòng)斷層上下盤(pán)之間會(huì)發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，布置其上的管道也會(huì)隨之發(fā)生軸向和垂向位移，可能導(dǎo)致管道內(nèi)產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變而失效，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)管線跨越斷層的適應(yīng)性進(jìn)行了研究[6-9]，但大多以直徑較小的埋地鋼管為主[10-15]，對(duì)地面式鋼襯鋼筋混凝土管跨活斷層的研究相對(duì)較少。

圖1 地質(zhì)縱剖面示意

由于地面式鋼襯鋼筋混凝土管身直接鋪設(shè)在地基之上，管道外包混凝土與地基巖石或土層直接接觸，二者之間的相互作用必然會(huì)對(duì)管道受力和變形產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)建基面的受力狀態(tài)也會(huì)隨著二者之間的接觸特性變化。影響管道與地基之間接觸特性的因素主要包括摩擦系數(shù)和粘聚力，對(duì)這兩個(gè)影響因素開(kāi)展敏感性分析具有重要的意義。

鑒于以上現(xiàn)狀，本文將結(jié)合某引水工程實(shí)際，采用有限單元法開(kāi)展鋼襯鋼筋混凝土管道過(guò)活斷層措施與地基接觸特性研究。

表2 主要巖石(體)物理力學(xué)參數(shù)

1 工程概況與基本資料

某引水工程等別為一等工程，建筑物級(jí)別為1級(jí)。該工程過(guò)活動(dòng)斷裂的倒虹吸管段擬采用鋼襯鋼筋混凝土管布置，鋼管直徑為4.2 m，管道外包500 mm厚鋼筋混凝土，直接敷設(shè)在地基之上。過(guò)斷層及影響帶的管道全長(zhǎng)784 m，沿線共設(shè)置2個(gè)鎮(zhèn)墩以及7個(gè)波紋管伸縮節(jié)，管道通過(guò)區(qū)域主要包括第三系粘土、白云巖類(lèi)各風(fēng)化帶，地質(zhì)剖面如圖1所示。斷裂帶以正左旋走滑為主，傾角84.52°，與管軸線夾角為66.48°。主要的土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，主要的巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 主要土體物理力學(xué)參數(shù)

鋼管鋼材采用Q345R，管道和鎮(zhèn)墩混凝土采用C25，伸縮節(jié)采用復(fù)式波紋管伸縮節(jié)，波紋管伸縮節(jié)設(shè)計(jì)軸向和橫向允許變形均為100 mm，伸縮節(jié)整體軸向剛度為1 000 kN/m。

2 計(jì)算模型及工況

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)管線布置方案，選取管道、活斷層和影響帶及上下盤(pán)部分巖體建立有限元模型。模型包括鋼管及外包混凝土、伸縮節(jié)、鎮(zhèn)墩及地基，模型網(wǎng)格、鎮(zhèn)墩和伸縮節(jié)編號(hào)如圖2所示。伸縮節(jié)將管道分隔成8段，由上游至下游分別標(biāo)記為管段A～管段H。坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系，X軸正方向?yàn)榇怪庇诠茌S線水平向左(面向下游)，Y軸正方向?yàn)殂U直向上，Z軸正方向沿管軸線，沿水流向?yàn)檎Ｓ?jì)算中管道底面與地基之間建立接觸關(guān)系，考慮接觸面上的摩擦力和粘聚力。摩擦系數(shù)取0.5，粘聚力取30 kPa。

圖2 有限元網(wǎng)格模型示意

2.2 計(jì)算荷載

計(jì)算中考慮的主要荷載有：①鋼襯鋼筋混凝土管道和鎮(zhèn)墩自重、管內(nèi)水重；②內(nèi)水壓力1.45 MPa，作用于鋼管內(nèi)壁；③斷裂帶蠕滑變形，根據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)百年最大垂直位移0.23 m，水平位移1.30 m。在對(duì)管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，假定蠕滑位移占最大位移的50%，即蠕滑水平位移按0.650 m計(jì)算，垂直位移按0.115 m計(jì)算，以此確定波紋管的數(shù)量及允許位移補(bǔ)償量。以上蠕滑位移假定在500 m斷層影響帶范圍內(nèi)線性分布，在計(jì)算中，將上述位移轉(zhuǎn)換到整體坐標(biāo)系下施加。經(jīng)計(jì)算，斷層下盤(pán)相對(duì)于上盤(pán)總的錯(cuò)動(dòng)位移為垂直管軸向錯(cuò)動(dòng)0.115 m、水平拉伸0.269 m、水平橫向錯(cuò)動(dòng)0.596 m。位移施加方式見(jiàn)圖3。

3 蠕滑錯(cuò)動(dòng)下管道結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析

3.1 伸縮節(jié)位移。

由于斷層錯(cuò)動(dòng)位移的作用，管道與地基之間產(chǎn)生了相對(duì)的位移，因而波紋管伸縮節(jié)也隨之產(chǎn)生了相應(yīng)的變形。波紋管伸縮節(jié)兩端部的位移差見(jiàn)表3。由表3可知，各波紋管伸縮節(jié)端部相對(duì)位移均不相同，其中X向最大為15.09 mm，Y向最大為12.66 mm，Z向最大為60.34 mm，均小于波紋管伸縮節(jié)的變形允許值100 mm。7個(gè)波紋管軸向(Z向)相對(duì)位移之和為283.71 mm，扣除正常運(yùn)行工況下的管道變形后，與斷層的錯(cuò)動(dòng)變形量接近，說(shuō)明波紋管伸縮節(jié)承擔(dān)了絕大部分的地基軸向變形及少量橫向變形。

圖3 蠕滑變形左旋斷層位移示意

圖4 接觸單元相對(duì)滑移值(單位：m)

表3 各工況波紋管伸縮節(jié)的兩端位移差 mm

3.2 建基面應(yīng)力

建基面上法向最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力出現(xiàn)在斷層影響帶邊緣，最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為-406 kPa和332 kPa，而X向剪應(yīng)力最大值為279 kPa，Z向剪應(yīng)力最大值為102 kPa，除局部范圍法向應(yīng)力超過(guò)了粘土地基的承載力200～300 kPa外，大部分區(qū)域均能滿足承載力要求。因此，對(duì)于超過(guò)地基承載力的局部區(qū)域，應(yīng)采取有效措施進(jìn)行加固處理。

3.3 建基面滑移狀態(tài)

圖4整理了各管段接觸單元的相對(duì)滑移值，即各段管道與建基面的相對(duì)滑移量。由圖4可知，中間各管段B、C、D、E、F、G、H均處于斷層影響帶上的軟弱地基上，各管段相對(duì)滑移量一般大于A管段；另外，這些管段呈現(xiàn)出管段中間滑移量較小，逐漸向兩端伸縮節(jié)處增大的規(guī)律，這是由于在管道端部有伸縮節(jié)，管道受到的約束較小，產(chǎn)生較大的滑移量，最大值為11.05 mm。

圖5 C、D段管道特征斷面示意

4 建基面接觸特性研究

為研究建基面上管道與地基間接觸特性對(duì)管道受力及穩(wěn)定性的影響，將針對(duì)建基面的摩擦系數(shù)與粘聚力展開(kāi)敏感性分析，根據(jù)巖石地基的好壞，對(duì)建基面設(shè)置了幾組摩擦系數(shù)與粘聚力進(jìn)行計(jì)算，選取典型管段C、D進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力和伸縮節(jié)位移變化分析。設(shè)計(jì)方案如表4所示。

表4 各方案摩擦系數(shù)和粘聚力組合

在典型管段C、D選取11個(gè)斷面為特征斷面，特征斷面位置如圖5所示，在每個(gè)斷面上選取若干特征點(diǎn)，即在管槽建基面上選取中部、左側(cè)、右側(cè)3個(gè)特征點(diǎn)，依次為a、b、c，如圖6所示。

圖6 管槽斷面特征點(diǎn)示意

圖7列出了不同參數(shù)組合條件下，建基面各特征斷面沿X向和Z向剪應(yīng)力以及法向應(yīng)力的變化規(guī)律。由圖7可知，建基面b點(diǎn)的X向剪應(yīng)力基本沿管線均勻分布，在靠近伸縮節(jié)附近(8號(hào)斷面)應(yīng)力數(shù)值有所增加，其應(yīng)力數(shù)值由方案A-1至方案A-3逐漸減小。建基面b點(diǎn)Z向剪應(yīng)力僅在伸縮節(jié)上下游斷面(7號(hào)、8號(hào))附近數(shù)值較大，在管道中間部位應(yīng)力數(shù)值較小。從方案A-1至方案A-3，隨著摩擦系數(shù)和粘聚力的增大，僅8號(hào)斷面(伸縮節(jié)部位)Z向剪應(yīng)力絕對(duì)值逐漸變小，其余斷面Z向剪應(yīng)力絕對(duì)值逐漸增大；建基面中部a點(diǎn)法向應(yīng)力沿管線分布比較均勻，隨著受摩擦系數(shù)和粘聚力影響的增大，其大小幾乎不受影響，僅略有增加。

圖7 建基面各特征斷面應(yīng)力

圖8為3種方案下C、D管段接觸單元的相對(duì)滑移值。由圖8可知，隨著摩擦系數(shù)和粘聚力的增大，管道與基地之間相對(duì)滑移值逐漸減小，這是因?yàn)榈鼗鶎?duì)管道的約束作更強(qiáng)。

圖8 C、D管段接觸單元的相對(duì)滑移值(單位：m)

圖9列出了不同方案下7個(gè)伸縮節(jié)波紋管端部位移差的變化規(guī)律。由圖9可知，伸縮節(jié)兩端水平橫向位移差除了斷層影響帶以外的1號(hào)和7號(hào)伸縮節(jié)外，均呈現(xiàn)隨著摩擦系數(shù)和粘聚力的增大而增大的規(guī)律；而伸縮節(jié)兩端沿管軸向的位移差隨著摩擦系數(shù)和粘聚力的增大而減小，個(gè)別伸縮節(jié)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，摩擦系數(shù)和粘聚力越大，地基對(duì)管道的約束越強(qiáng)，管道和地基之間的相對(duì)滑移越小，波紋管伸縮節(jié)承擔(dān)的活斷層軸向變形越小而承擔(dān)的橫向變形越大。盡管摩擦系數(shù)和粘聚力對(duì)管道結(jié)構(gòu)的變形有一定影響，但影響幅度很小，管道系統(tǒng)主要依靠波紋管伸縮節(jié)來(lái)適應(yīng)活斷層變形的基本規(guī)律不會(huì)改變。

圖9 伸縮節(jié)波紋管端部各向位移差

5 結(jié) 論

(1)管道在常規(guī)荷載作用(自重、水重、內(nèi)水壓力)及蠕滑錯(cuò)動(dòng)的作用下，采用鋼襯鋼筋混凝土管道并在沿線設(shè)置一定數(shù)量的伸縮節(jié)能較好適應(yīng)活斷層的蠕滑位移。

(2)管道與地基之間摩擦系數(shù)和粘聚力的大小體現(xiàn)了地基對(duì)管道的約束作用，這種約束作用越強(qiáng)，管道與地基之間相對(duì)滑移越小，地基傳遞給管道沿軸向的力也越大。隨著摩擦系數(shù)和粘聚力的降低，伸縮節(jié)兩端軸向位移差越大，說(shuō)明管道地基條件越差，波紋管伸縮節(jié)更能發(fā)揮其調(diào)節(jié)位移的作用，但摩擦系數(shù)和粘聚力的影響程度非常有限。