摘要：为合理模拟渡槽损伤，客观评价渡槽结构安全，依据渡槽破坏实例，结合他人数值仿真、模型试验研究成果，归纳总结渡槽地震、风致、水毁、耐久性典型破坏特征。重点分析简支梁式渡槽桩基、支撑结构、槽身可能破坏模式。结果表明：桩基存在土体支承不足、桩身抗压能力不足、桩顶位移超限破坏模式;墩底易发生弯曲或剪切破坏，牛腿易剪切破坏，排架柱两端、连梁节点附近易破坏;槽身纵梁可能发生弯曲、剪切、弯剪组合失效，端横梁易损伤，底板跨中及两端、侧墙与肋板底部、上部拉杆易开裂;渡槽还存在开裂、碳化、剥落剥蚀、渗漏、钢筋锈蚀、接缝止水等耐久性破坏。
关键词：渡槽结构;破坏特征分析;破坏模式;简支梁;综述
引言
我国是农业大国，过去修建了大量用于灌溉的中小型渡槽，流量、跨度较小，结构设计参照当时水工建筑及桥梁规范，未对结构问题作专题研究。随着南水北调工程与国内水利基础建设的兴建，渡槽被广泛采用，大型渡槽常采用预应力新技术，相关研究成果相继出现。国外渡槽建造较少，研究文献不多，且大多关注渡槽抗震问题，强调结构抗震设计。长距离调水工程中，渡槽是一种重要的水工建筑物，一旦失效，直接和间接经济损失不可估量，社会影响深远，有必要开展大跨度高架渡槽结构安全评价技术研究。
1渡槽破坏特征分析
1.1地震破坏特征
依据收集到的国内部分渡槽破坏实例，结合他人部分数值仿真、模型试验研究成果，分析渡槽典型破坏特征。王博采用拟静力法得到高强混凝土渡槽支架模型破坏过程。研究得出当水平荷载增至最大荷载的 45%-64%时，远端排架连梁顶部和近端连梁底部出现垂直弯曲裂缝;荷载反向后，裂缝贯通。随着水平荷载的反复施加，连梁端出现约 45°方向交叉斜裂缝，远端排架上端外侧和下端内侧、近端排架上端内侧和下端外侧相继出现水平裂缝。随着荷载的继续增大与循环次数的增多，排架梁端剪切斜裂缝和柱脚处弯曲裂缝出现并发展，柱脚截面受压侧混凝土保护层剥落，之后相应位置处纵向受力钢筋屈服并向外凸出，形成以裂缝为中心逐步向两侧扩展的塑性铰。试验表明，排架两端产生塑性铰，呈延性破坏，进入处于非弹性阶段后，变形主要集中在塑性铰区。
1.2风致破坏特征
从调查到的渡槽（湖北枣阳滚河渡槽、湖北孝感下分场渡槽、广西上思县那布渡槽和湖北宜昌宋家嘴渡槽）风致破坏实际状况看，渡槽均是在顺风向风力作用下，沿渡槽横向（与输水方向垂直）倒塌，顺风向破坏为结构的主要破坏形式。这主要是由于风载作用于渡槽槽体，造成槽体横向位移过大，从而导致槽墩或支撑排架无法承受而出现破坏。渡槽风致破坏具有突发毁灭性。目前渡槽设计已对风载作用有较为清楚的认识，抗风设计得到重视，一般情况下这类新建渡槽风致破坏的可能性不大，除非出现实际风载远大于设计值的极端台风天气。
1.3水毁破坏特征
根据甘肃白银市靖会电力提灌工程总干二泵祖厉河渡槽和陕西宝鸡市冯家山水库灌区北干渠肖家桥渡槽工程实例并结合其他水毁破坏情况，渡槽水毁破坏最终是由地基变形引起，主要有以下两种情况：大多数渡槽修建于河床上，基础往往会遭遇水流冲刷、挖沙船挖沙、洪水袭击，地基易被掏空，加之洪水长时间浸泡，地基承载力下降且不均匀，导致基础不均匀沉降，引起槽身倾斜或开裂，甚至出现基础被冲毁，渡槽整体倒塌的现象；对于非河床式渡槽，若遭遇暴雨洪涝灾害，地基被洪水长时间浸泡，同样会导致基础不均匀沉降，甚至会引发滑坡、泥石流等地质灾害，造成槽身倾斜或开裂，甚至基础被冲毁，渡槽整体倒塌。
2简支梁式渡槽结构破坏模式
2.1桩基破坏模式
桩基按承载性状分为摩擦型桩和端承型桩两大类。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆摩擦型桩在承载能力极限状态下，桩顶传来的竖向荷载全部或大部分由桩侧摩阻力承担，根据桩侧摩阻力分担比不同，摩擦型桩又分为摩擦桩和端承摩擦桩两种：摩擦桩，竖向荷载全部由桩侧摩阻力承担，端承力可忽略不计；端承摩擦桩，荷载大部分由桩侧摩阻力承担，端承力只占一小部分。端承型桩在承载能力极限状态下，竖向荷载全部或大部分由桩端承担，同样端承型桩又分为端承桩和摩擦端承桩两种：端承桩，竖向荷载全部由端承力承担，桩侧摩阻力可忽略不计；摩擦端承桩，荷载大部分由端承力承担，桩侧摩阻力只占其中一小部分。
2.2支撑结构破坏模式
渡槽支撑结构，支撑渡槽上部结构并将上部荷载传递至基础，在地震中易损伤破坏，其抗震性能直接影响渡槽整体结构抗震能力。拟重点分析重力式槽墩、排架两种支撑结构破坏模式。
2.3槽身破坏模式
结合槽身耐久性破坏实例分析，槽身往往存在开裂、碳化、混凝土剥落或剥蚀、渗漏、钢筋锈蚀等破坏。此外，槽身接缝止水也经常发生老化破坏。对于一般矩形截面渡槽，槽身各部件破坏模式分析如下：侧墙，侧墙有可能由于底部弯矩过大遭受破坏或迎水面开裂；底板，底板跨中截面最易拉裂；纵梁，纵梁两端搁置于承台上，梁上作用槽身传递的自重和水重，可视为简支梁，纵梁可能在弯曲或剪切、弯剪组合作用下失效。跨中截面、临近支座截面及两者之间分别存在弯曲、剪切及弯剪组合失效的可能性；肋板与拉杆，只有当其他部分变形破坏后才会发生肋板与拉杆破坏。肋板可按悬臂梁考虑，承担侧板传递的静水压力，其底部可能因抗弯能力不足而破坏。顶部拉杆可按杆件考虑，主要承受轴力，可能因抗拉能力不足被拉断。
3渡槽结构典型破坏特征治理方案
由于护栏裂损情况比较严重，维修难度大，因此应全部更换护栏；槽身顶板的面上部分（人行面）砂石外露过多的地方，可以先使用水泥砂浆铺设一层，然后涂刷防碳化材料。（例如可以选择的 CPC 涂料、WSP涂料、TB － 混凝土宝涂料等，这些材料都是较好的防碳化涂料）；也可以直接在顶板表面涂刷丙乳砂浆（丙烯酸酯共聚乳液砂浆），丙乳砂浆具有良好的抗腐蚀抗碳化能力、较好的防水效果，并且施工简单，力学性能佳。经实验配比研究，可采取的配比为：丙乳：水泥：砂子 =0.3∶1∶1；由于整个渡槽内外表面、支墩、拱身等皆已严重碳化，应使用防碳化材料在其表面进行涂刷；渡槽结构体系整体处于稳定状态。但是有 2点需要注意：第一，Ⅰ# 主墩下游侧基础结构拉应力量值为1.75MPa，渡槽输水过程中压力达到了2.5MPa，需要重视；第二，大部分拉应力区域主要在拱圈上分布，由于拱圈中没有配筋，因此需要进一步加固拱圈，建议在涂刷防碳化材料前使用整体粘贴碳纤维布的方法加固拱圈，碳纤维布加固施工过程中要求可以延伸至和拱圈连接的各个支墩根部的小段范围内。对于槽身以及各支墩跨中部出现的拉应力区域，由于拉应力值不高，而且矩形槽体布置的钢筋比较密集，所以可以使用碳纤维进行加固，只需要使用防碳化材料在其表面进行刷涂即可；制定渡槽及两端边坡的监测方案，实现对渡槽及两端边坡的长期监控，准确了解边坡受力变化情况及槽身的变形情况等。
结束语
笔者依据收集到的国内部分渡槽破坏的例子，结合他人部分数值仿真、模型试验研究成果，分析我国渡槽典型破坏特征。渡槽运行过程中，除存在一般性破坏外，还会遭遇地震、台风、洪涝导致的突发性破坏。针对多厢矩形或多槽 U 形预应力简支梁式重力槽墩或排架渡槽结构，重点分析了桩基、支撑结构、槽身可能的破坏模式。桩基存在土体支承力不足、桩身抗压能力不足、桩顶位移超过设计允许值 3 种破坏模式。槽墩在强震作用下，槽墩底部易发生弯曲或剪切破坏，牛腿易发生剪切破坏;排架在强震、大风作用下，排架柱两端、连梁与排架柱节点附近易发生破坏。槽身下部纵梁可能发生弯曲、剪切、弯剪组合失效，槽身下部端横梁易损伤，槽身底板跨中及两端、侧墙底部、肋板底部、上部拉杆易开裂。除此之外，渡槽还不可避免存在开裂、碳化、混凝土剥落或剥蚀、渗漏、钢筋锈蚀、接缝止水等耐久性破坏。
参考文献：
［1］袁纯强．大型渡槽剪力滞效应的研究［D］．上海：同济大学，2017．
［2］顾培英，黄勤红，邓昌，等．基于重整化群的水工混凝土结构整体破坏概率研究［J］．水利水运工程学报，2017.
论文作者:徐朝虎
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/22
标签：渡槽论文; 排架论文; 荷载论文; 结构论文; 拱圈论文; 桩基论文; 两端论文; 《基层建设》2018年第5期论文;