張藝瓊

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧沈陽110166）

1 工程背景

遼寧省燈塔灌區(qū)始建于1974 年，建成后成為遼寧省中部地區(qū)重要的商品糧生產(chǎn)基地[1]。灌區(qū)的總干渠長43.5 km，控制流域面積約420 km2，水資源總量為3.13 億m3，可以使10 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)近26.4 萬人受益。由于灌區(qū)建成運行時間較長且始建標準不高，其損毀比較嚴重，對灌區(qū)功能的發(fā)揮造成明顯制約。因此，遼寧省及當?shù)卣e極籌措資金進行灌區(qū)的節(jié)水改造工程[2]。其中，總干渠范官渡槽移址重建工程，在原渡槽下游13 m 處，軸線平行布設。混凝土是渡槽等水利工程建設中的主要材料，具有價格低廉、施工方便以及抗?jié)B性能好的特點[3]。但是，渡槽建筑物需要在復雜的介質(zhì)環(huán)境下長期服役，確定其結構的最大性價比使用時間，對提高工程的安全性，有效避免人力和財力浪費具有重要的意義和價值[4]。在工程設計的前期調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，燈塔灌區(qū)原有渡槽的力學特征參數(shù)與室內(nèi)試驗推算的結果存在比較明顯的差距。究其原因，主要是室內(nèi)試驗僅可以考慮少數(shù)幾個關鍵因素的影響，而無法模擬實際工程應用中的復雜環(huán)境。因此，此次研究基于METS（Multiple environ?mental time similarity theory）理論，有效利用室外建筑耐久劣化規(guī)律與室內(nèi)試驗過程中的劣化規(guī)律，推算出目標建筑物的精確使用壽命。

2 室內(nèi)外試驗數(shù)據(jù)及回歸分析

2.1 室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)及回歸分析

研究中以新建范官渡槽為目標建筑物，選取總干3 號渡槽、二期總干4 號渡槽、3 號支渠5 號渡槽、11 號支渠1 號渡槽以及二期總干9 號渡槽等5個不同服役年限的典型渡槽為對照建筑物展開研究。通過對上述建筑物的設計資料和實地調(diào)查，獲得其材料的選擇和配合比，根據(jù)上述結果，設置如表1 所示的3 組不同配合比的試件進行室內(nèi)快速凍融試驗，獲取不同組別試件的動彈性模量以及抗壓指標。

表1 試件配合比分組實驗設計

利用Origin9.0 軟件對上述指標的變化過程進行擬合，獲取其衰減變化的實際規(guī)律[5]。在擬合過程中，結合相關研究成果，采用如下的二次擬合關系[6]：

式中：Ed為試件的動彈性模量，MPa；σn試件的抗壓強度，MPa；n 為凍融試驗次數(shù)；a，b，c，e，f，g 為擬合系數(shù)。

擬合結果如圖1 和圖2 所示。由圖1 可知，動彈性模量擬合曲線斜率最小的是A 組試件，其余兩組在前75 次實驗的結果基本相同，之后開始出現(xiàn)差異，且C 組的損失較小。從圖2 可以看出，3組試件的抗壓強度隨著水灰比的增大而增大，其下降的速率比較接近。相對而言，抗壓強度維持時間最長的是C 組試件，可以經(jīng)受約200 次的凍融循環(huán)試驗。

圖1 室內(nèi)試驗動彈性模量擬合曲線

圖2 室內(nèi)試驗抗壓強度擬合曲線

2.2 室外試驗數(shù)據(jù)及回歸分析

采用回彈法對目標建筑物和對照建筑物的6個典型測試區(qū)進行回彈試驗，利用超聲波對渡槽結構的關鍵部位進行無損檢測，以獲取實際工程背景下不同服役年限渡槽的力學性能結構損壞狀態(tài)?；谠囼灁?shù)據(jù)進行現(xiàn)場建筑的抗壓強度和超聲波波速的擬合，擬合公式仍舊采用類似于式（1）的二次表達式，擬合結果如圖3 和圖4 所示。由圖3 可知，擬合公式可以較好地反映渡槽結構的抗壓強度與服役時間之間的變化規(guī)律，而5～35 年的黃金服役期內(nèi)，渡槽的排架是導致整體破壞的主要部位。由圖4 可知，渡槽的排架狀態(tài)相對較差，在印證抗壓強度結果的同時也說明排架是影響整個渡槽服役年限的關鍵因素。

圖3 室外試驗抗壓強度擬合曲線

圖4 室外試驗超聲波波速擬合曲線

3 渡槽結構可使用壽命預測

3.1 多重環(huán)境時間相似理論

相似理論的研究對象為同類現(xiàn)象，是說明自然界和工程街中各類相似現(xiàn)象及其原理的學說[7]。該理論認為同類現(xiàn)象滿足同一規(guī)律的相似，則2 個研究對象的無量綱方程組與條件相同，其解也相同。相似理論的核心是3 個主要定理，其基礎為現(xiàn)象相似的定義，自然界中存在的現(xiàn)象所涉及的各物理量的變化受制于主宰這種現(xiàn)象的客觀規(guī)律，且這種規(guī)律不會任意變化。相似現(xiàn)象中所有涉及的物理量屬于客觀存在的，與測量方式和單位無關[8]。

此次研究以上述相似理論為基礎，通過對比分析、經(jīng)驗預測等各種方法的綜合運用，提出了基于相似系數(shù)推導目標建筑物使用壽命的多重環(huán)境相似理論（METS）。該理論不同于傳統(tǒng)相似理論的是，將第三方參照物納入考慮體系，不僅可以獲得更為符合實際的時間相似關系，有效避免耐久性參數(shù)在時間序列方面出現(xiàn)比較大的誤差。同時，該理論還可以綜合考慮混凝土材料參數(shù)的影響。目前，混凝土耐久性衰減研究方面的諸多推算公式，大多數(shù)是針對某一項或幾項混凝土參數(shù)提出的，難以滿足實驗過程中的相似性要求，也難以獲取準確的結果。利用METS 方法，混凝土結構在實現(xiàn)現(xiàn)場侵蝕環(huán)境與室內(nèi)加速試驗中的各項指標在時間序列方面的相似關系，進而通過室內(nèi)試驗中的混凝土試件在相關指標上的衰變關系，對實際服役條件下的衰變規(guī)律進行準確推斷，進而獲取更為精確的建筑物使用壽命，其預測原理如圖5 所示。

圖5 METS 原理示意圖

3.2 新建渡槽壽命預測

研究中基于METS 原理，以實測獲取的5 個對照建筑物各部位的耐久性參數(shù)，對室內(nèi)試驗中獲取的混凝土試件的耐久性參數(shù)進行修正。在修正過程中，將抗壓強度作為主要修正參數(shù)，將相對動彈性模量和超聲波波速作為修正過程中的輔助參數(shù)。其中，目標與對照建筑物的抗壓強度相似率計算公式：

式中：θYA( t )，θYB分別為目標建筑物和對照建筑物的時間相似系數(shù)；YA( t )，YB( t )分別為目標建筑物和對照建筑物的室內(nèi)試件現(xiàn)場抗壓強度，MPa；YA′( t )，YB′( t )分別為與目標建筑物和對照建筑物對應的室內(nèi)試件抗壓強度，MPa。

根據(jù)相關研究文獻，中國北方寒區(qū)的年均凍融循環(huán)次數(shù)為116 次，而室內(nèi)試驗過程中的一次凍融循環(huán)相當于現(xiàn)場環(huán)境下的10～15 次凍融循環(huán)?；谏鲜龀晒?，利用上述公式進行計算，獲得表2的相似率計算結果。

表2 渡槽各部位相似率計算結果

關于利用試件的抗壓強度損傷率對混凝土結構損傷進行判斷方面并沒有明確的研究成果和依據(jù)，因此文章研究利用GB 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》中的相關規(guī)定，認為相對動彈膜損失至原來的60%時，即認為試件開始產(chǎn)生明顯損壞。基于上述標準，研究中將抗壓強度值和超聲波波速等試驗數(shù)據(jù)轉變?yōu)閯訌椥阅Ａ浚M而轉換為實際環(huán)境中的凍融次數(shù)，最終確定出建筑物的實際使用壽命?；谝陨戏椒ǎ扑愠鲂陆ǚ豆俣刹叟偶芎筒凵聿课坏目墒褂脡勖謩e為67.53 年和69.10 年。因此，最終確定渡槽的整體使用壽命為67 年。

研究中，還利用了傳統(tǒng)的威布爾分布方法和有限元分析法對目標建筑物在凍融環(huán)境下的使用壽命進行預測計算，結果為72 年和70 年。顯然，與上述計算結果相比，文章基于METS 理論的計算結果相對保守。究其原因，主要是此次研究著重考慮了室內(nèi)試驗和實際工程之間的相似和轉換關系，同時還積極借助工程經(jīng)驗和試驗結果。因此可以最大限度保證客觀性條件在渡槽壽命預測過程中的作用發(fā)揮，進而在預測結果的準確性和實用性方面得到更多保證。

4 結語

文章研究以遼寧省燈塔灌區(qū)新建范官渡槽為例，基于室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，利用METS 方法，對渡槽的使用壽命進行預測研究，結果顯示渡槽的使用壽命為67 年。由于文章研究中將渡槽分為排架和槽身兩部分進行研究，因此研究結果更符合實際工程的使用環(huán)境，因此給出的服役時間更為具體和明確。在服役期內(nèi)，可以根據(jù)危險部位采取具體的維護措施，大幅節(jié)約維護成本，實現(xiàn)渡槽運行和管理性價比優(yōu)化。當然，渡槽結構的劣化是一個十分復雜的過程，在后續(xù)研究中，要進一步改進試驗方案，提高試驗數(shù)據(jù)和預測的準確度。