关炜 李楠楠 孟路遥

摘 要：工程运行期的材料劣化对输水暗涵的长期安全性及损伤模式具有重要影响。为了给暗涵工程的建设和运行管理提供参考，以南水北调某穿河倒虹吸三孔一联暗涵工程为研究对象，基于裂缝带理论和微平面本构模型，采用数值模拟方法对其建模，分析了正常运行工况和极端荷载条件下暗涵混凝土结构长期运行安全性、损伤模式及缺陷（裂缝）随材料长期劣化的发展情况。结果表明：在内水压力和不均匀沉降的持续作用下，随着材料性能长期劣化，暗涵不同部位相继出现局部裂缝，裂缝总体上深度较大但宽度较小，长期运行中材料性能劣化不会影响工程的安全运行;当枯水期超负荷运行和检修期河道出现超大洪水时，暗涵侧墙外侧裂缝的总宽度和最大宽度均显著增大;初始缺陷（裂缝）的存在对暗涵的最终损坏形式没有显著影响，但对局部裂缝扩展有明显的促进作用，因此及时处理初始缺陷、定期对暗涵进行检修非常重要。

关键词：暗涵;长期安全性;混凝土;材料劣化;裂缝

中图分类号：TV672+.5;TV331

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.024

引用格式：关炜，李楠楠，孟路遥.穿河暗涵工程长期安全性及损伤模式研究[J].人民黄河，2021，43（12）：123-127.

Abstract： The material deterioration during the operation period of a project has an important impact on the long-term safety and damage mode of the water conveyance culvert. In order to provide reference for the construction and operation management of underground culvert project， taking a river crossing inverted siphon three hole one combination underground culvert project as the research object， based on the crack zone theory and micro plane constitutive model， the numerical simulation method was used to model it， and the long-term operation safety， damage mode and defects （cracks） of underground culvert concrete structure under normal operation conditions and extreme load conditions were analyzed with the development of long-term deterioration of materials. The results show that under the continuous action of internal water pressure and uneven settlement， with the long-term deterioration of material properties， local cracks appear one after another in different parts of the culvert. Generally， the depth of the cracks is larger but the width is smaller. The deterioration of material properties will not affect the safe operation of the project in long-term operation; The total width and the maximum width of cracks on the outside of the side wall of the culvert are increased significantly when the overload operation in the dry season and the super flood occurs in the river channel during the maintenance period; The existence of initial defects （cracks） has no significant impact on the final damage form of the concealed culvert， but it can significantly promote the local crack propagation. Therefore， it is very important to deal with the initial defects in time and repair the concealed culvert regularly.

Key words： concealed culvert; long term safety; concrete; material deterioration; crack

穿河倒虹吸输水工程运行时为压力涵洞，其受力条件较为复杂，因属地下隐蔽工程，故对其监控和检修都较为困难。国内许多学者对暗涵工程的安全性开展了相关研究，如：张川等[1]对鄂北地区水资源配置工程暗涵混凝土裂缝控制技术进行了总结，翟明杰等[2]研究了北京某地铁隧道下穿暗涵工程的变形和应力状态，丁艳辉等[3]分析了南水北调中线北京段西四环暗涵的结构内力分配机制，黄福才等[4]采用数值分析方法研究了现浇钢筋混凝土箱涵的安全问题，崔铁军[5]对滹沱河倒虹吸箱涵工程安全监测布置方案进行分析并根据监测成果对其安全性进行了评价，毕然[6]采用三维有限元方法对某穿桥倒虹吸箱涵进行了外力与温度荷载耦合分析，杨阳[7]把灰狼算法与BP神经网络结合起来对某箱涵的地基沉降进行了分析，黄腾飞[8]利用TOPSIS多属性决策分析方法对箱涵结构厚度进行了参数比选及安全性分析，石菊等[9]对南水北调工程输水混凝土箱涵的施工方法及质量保障措施进行了总结，李文江等[10]研究了暗涵结构混凝土限裂温控标准，付云升[11]对复杂环境条件下有压输水暗涵的修建技术进行研究，王子甲[12]分析了雙线暗涵近距离下穿既有地铁车站的变形控制措施。上述研究较好解决了暗涵设计、施工的有关技术难题，但对暗涵混凝土长期服役损害特征及损伤模式的研究很少。因此，笔者基于宏观裂缝带模型和微观微平面模型耦合，根据混凝土劣化规律，对南水北调工程某穿河倒虹吸暗涵在正常运行工况和极端荷载条件下的混凝土结构应力响应进行了有限元数值模拟分析，并研究了长期劣化条件下混凝土初始缺陷的发展情况，以期为暗涵工程的建设和运行管理提供参考。

1 数值分析方法

1.1 宏细观耦合

本研究基于裂缝带模型[13-16]和微平面本构模型[17-20]来进行。裂缝带模型的基本思路是：采用有限元法研究混凝土裂缝扩展时，假设一个包含密集、平行裂缝的条带来模拟实际裂缝和断裂区，这一条带具有一定的宽度，将断裂能视为材料的基本参数（断裂能弥散于裂缝带宽度范围内且不会随网格的剖分而发生改变），同时根据不同的离散网格对应力应变曲线进行一定调整以保证断裂能的唯一性。微平面模型的基本思路是：放弃张量及其不变量的本构模型，用材料不同平面上的应力应变矢量来表示应力应变关系，在微平面模型中（见图1，图中：n为任一微平面的单位法向量，ε为应变、εn为法向总应变，σ为应力、σn为法向总应力），本构方程都是建立在空间中一系列具有任意方向的平面上，这些平面被称为微平面，单一微平面任意方向的单位法向量用ni表示，单位切向量用mi、li表示，微平面中法向应变εN、切向应变εM和εL以及切向应变的和εT都是宏观应变张量ε的投影。

宏细观耦合（宏观裂缝带模型和微观微平面模型耦合）[21-24]的关键在于局部化单元（见图2，图中：iL为Xi方向上等效单元的长度，ih为Xi方向上局部化单元的长度，1εuij、2εuij、3εuij为三个方向上弹性应变，1σuij、2σuij、3σuij为三个方向上弹性应力，εbij为局部化单元的应变，σbij为局部化单元的应力），将单个单元划分为只发生弹性变化的区域（弹性区）和可能发生塑性破坏的局部化区域（应变软化区），通过迭代使应变软化区与弹性区的应力应变达到耦合，使得单元发生损坏时释放出更为准确的能量、非线性响应更加符合实际。

1.3 数值模型

该暗涵横向为三孔一联钢筋混凝土结构，孔宽、高均为6.9 m，侧墙厚1.2 m、内墙厚1.1 m，底板厚1.2 m、顶板厚1.2 m。为解决应力集中问题，在暗涵顶、底板与侧墙及内墙交接部位设置0.6 m×0.6 m贴角。暗涵混凝土标号为C30，初始弹性模量E0为30 000 MPa，泊松比为0.167，密度为2 400 kg/m3。选取长15 m的一段暗涵进行分析，数值模型如图3所示。

为了确保数值模型计算的稳定，在模型底部施加全约束、四周施加法向约束。考虑4种计算工况：①运行期（材料劣化70 a）;②考虑材料劣化且遭遇枯水期超负荷运行;③考虑材料劣化且遭遇检修期超大洪水;④考虑初始缺陷的结构损伤演化。其中：工况①考虑设计条件下内水压力和外水压力对暗涵的作用;工况②考虑外部河流枯水情况下，暗涵内部遭遇最大可能内水压力，属于内水压力最不利情况;工况③分别考虑中孔单孔检修、侧孔单孔检修、中侧孔双孔检修、两侧孔双孔检修情况，在检修过程中，取遭遇300 a一遇特大洪水为最不利情况，即检修孔不施加静水压力、过水孔施加静水压力荷载;工况④对初始裂缝在材料劣化时期的开展情况进行模拟研究，即在设置初始裂缝的情况下进行数值模拟分析，观察初始裂缝走向情况并进行分析。各工况具体荷载（即在对应水位以下施加静水压力）组合见表1。

2 结果及讨论

2.1 考虑材料时变的暗涵长期安全性及损伤模式

在运行期间考虑的主要荷载为自重、上覆及周围土压力、上覆河道外水压力和暗涵内水压力，同时在时程上考虑运行中期（35 a）和运行末期（70 a）暗涵的安全性及損伤模式。

在暗涵运行中期，混凝土性能经35 a劣化，部分易损区域的抗拉强度会降低到所处拉应力区的最大主应力以下，因而产生新的裂缝。随着自身弹性模量的降低，旧裂缝会出现进一步扩展和延伸，但新裂缝的产生抑制了旧裂缝的进一步扩展。

在暗涵运行末期，混凝土性能经70 a劣化，其抗压强度、弹性模量分别衰减为初始值的59%、84%。在持续恒定的荷载下材料性能降低，运行中期位于主拉应力区的混凝土在运行末期均发生了开裂，同时此前已经开裂的区域进一步发生了缓慢的开展，运行末期最大主应变数值模拟结果见图4、运行期裂缝开展情况见图5（图中①②③④⑤⑥为典型部位编号）。随着混凝土性能的劣化，虽然应变处于逐渐积累中，但压应力区混凝土最小主应力保持稳定，最小主应变处于安全范围内，穿河暗涵总体上处于长期安全状态。

在混凝土性能退化过程中，处于拉应力区的易损区域逐渐生成并出现裂缝，对于预先存在或后期出现的裂缝，会在之后的劣化过程中继续开展。暗涵在长期运行中会发生不均匀沉降和材料劣化，在侧孔顶部内侧角（图4中①所示位置）最容易发生裂缝开展，其次容易发生裂缝开展的位置是侧孔侧墙外侧中部靠近底部区域（图4中②所示位置），最后是内墙顶部外侧和侧孔底部内侧（图4中⑤和⑥所示位置）。内水压力对已经存在裂缝的作用差异明显，对于内侧角（图4中③所示位置）的裂缝，内水压力对其开展产生拮抗作用;而对于侧墙外侧（图4中④所示位置）的裂缝，内水压力对其开展起到协同作用。钢筋受力与混凝土拉压区域相适应，钢筋最大主应力小于其屈服应力，处于安全范围内。

2.2 长期服役遭遇极端荷载的安全性及损伤模式

2.2.1 考虑材料劣化且枯水期遭遇超负荷

长期服役的暗涵结构会发生明显的性能退化，在最不利的极端情况下（受自重荷载、上覆及周围土压力荷载、上覆河道进入枯水期即外水压力为0、内水压力水头由设计值101.314 m增大到103.380 m），典型部位开裂总宽度和最大宽度相对于枯水期初期的变化幅度见图6、图7。与不考虑材料劣化的模拟结果[3]相比，侧墙外侧裂缝总宽度和最大宽度均显著增长;侧孔内侧底部裂缝的总宽度随内水压力变化而增长的同时，最大宽度有所降低，说明已存在的裂缝在应力消散和内水压力平衡的情况下发生了回弹;侧孔内侧顶部和内墙顶部外侧的裂缝随内水压力增大其总宽度和最大宽度均降低，说明在这两个部位内水压力的竖向平衡作用超越了对侧墙的横向作用。

2.2.2 考虑材料劣化且遭遇检修期超大洪水

考虑外水压力最不利因素，主要受自重荷载、上覆及周围土压力荷载、上覆河道出现300 a一遇洪水，三孔过流检修组合工况（见表2）的数值模拟结果如图8所示（裂缝真实开展宽度不足0.1 mm，为便于直观地观察和分析其变形情况，图中将检修前和检修后的结构形变位移放大了500倍，图中灰色和红色分别为检修前、检修后的结构）。

2.3 考虑初始缺陷的结构损伤演化

在暗涵运行初期，侧孔内侧顶部转角处是结构易损伤的部位，因此假定该部位预先产生了一条深度为0.3 m、宽度为0 mm的初始裂缝，模拟在设计工况下运行70 a后该裂缝及周围区域的开裂情况，见图9（图中①②③④⑤为裂缝编号，编号①对应的黑线为预设的初始裂缝）。

有关研究[6-8]表明，初始裂缝对箱涵安全具有重要影响。本研究预设初始裂缝处于拉应力较大的区域，初始裂缝在暗涵运行初期便进一步发生了扩展。图10为图9中各裂缝最大宽度随时间的变化情况。

由图10可以看出：在运行10 a后，初始裂缝附近出现了第②条裂缝，在运行至第30、40、70 a时出现了第③④⑤条裂缝，随着新裂缝的产生和开展①号裂缝宽度逐步发生回弹（减小）。与无初始裂缝的情况相比（见图11），初始缺陷（裂缝）的存在，使新裂缝生成的时间明显提前、最大宽度和平均宽度均有所增大。

3 结 论

对穿河输水三孔一联暗涵70 a运行期材料劣化及结构损伤的数值模拟研究表明：内水压力和不均匀沉降的持续作用，以及材料性能长期劣化，使暗涵不同部位相继出现裂缝，裂缝总体上深度较大但宽度较小，长期运行中材料性能劣化不会影响工程的安全运行;在枯水期超负荷运行时，暗涵侧墙外侧裂缝总宽度和最大宽度均显著增大;在检修期遭遇超大洪水時，暗涵裂缝区及裂缝宽度会发生扩展，两侧孔过流中孔检修时对暗涵结构的安全性影响较大;结构初始缺陷（裂缝）的存在，对暗涵的最终损坏形式没有显著影响，但对局部裂缝扩展有明显的促进作用，因此及时处理初始缺陷、定期对暗涵进行检修非常重要。

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【责任编辑 张智民】