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摘 要：结合某在役大型石拱渡槽工程实例，在借鉴桥梁结构及类水工建筑物评价的基础上，依据石拱渡槽结构自身特点，运用现场检测分析、静力分析、动力分析三位一体的分析方法，对该在役大型石拱渡槽工程安全性及病害机理进行了全面综合分析，并给出了有针对性的病害治理方案。指出：结合石拱渡槽结构特点全面布置检测与数值模拟分析相结合的全新检测分析评价方案，可从整体到局部、外部到内部充分分析渡槽病害产生的机理，对石拱类渡槽具有普遍适用性。
关键词：石拱渡槽;工程检测;数值模拟;动力分析;病害分析
Abstract：Based on the evaluation of bridge structure and similar hydraulic structures and the characteristics of stone arch aqueduct structure， the safety and disease mechanism of a large-scale stone arch aqueduct in service were studied by using the trinity analysis method of field test analysis， static analysis and dynamic analysis. A comprehensive and inclusive analysis was conducted. It is pointed out that the structural analysis and the evaluation plan of the stone arch aqueduct， which combining comprehensive testing with numerical simulation analysis， can fully analyze the aqueduct disease generation mechanism from the whole to the local and from the external to the internal. This method has universal applicability to stone arch aqueducts.
Key words： stone arch aqueduct; engineering inspection; numerical simulation; dynamic analysis; disease analysis
渡槽作為常见的输水建筑物，不仅可以发挥城镇生活用水、工业用水的跨流域、跨地区调配作用，还可以达到排洪、导流的目的。渡槽在建成投入使用后，随着时间的推移，在荷载及恶劣环境作用下，不可避免地会产生病害损伤。根据相关资料，对我国195处大型灌区10 213座渡槽调查分析显示，其中：2 882座严重病害老化，973座已经失效，683座已完全报废。随着时间的发展，渡槽工程病害老化问题日趋严重。20世纪50年代初期我国建设的渡槽多用木、石结构，其中石拱结构渡槽最为常见，是当今渡槽病害最为严重的一种类型。近年来，国内外一些学者针对渡槽病害采用新技术和方法进行了研究。潘洪科等[1]结合某大型渡槽工程实例，对渡槽进行了工程检测、评价与病害处理并结合检测信息进行了三维数值模拟分析，提出了相应的治理方案。Suarez等[2]对阿尔罕布拉渡槽进行几何建模，通过崩溃的风险概率几何定义，研究了渡槽崩溃风险概率，并优化了拱截面的厚度。陈国昕[3]对西安市黑河输水渠道渡槽进行检测、分析，提出了合理的处理方案。李华强[4]针对引沁灌区咽喉工程东方红渡槽，阐述了丙乳砂浆与碳纤维技术在渡槽加固中的运用。李斌等[5]通过检测渡槽混凝土结构保护层中铁离子含量推断钢筋的锈蚀程度，并对锈蚀检测仪的有效性进行了研究。马斌等[6]针对南水北调工程中渡槽混凝土裂缝问题进行了统计分析，对裂缝的产生机理进行了论述，并针对不同形式的裂缝提出了相应的处理措施。李小东等[7]针对大型灌区，介绍了明渠混凝土衬砌的施工方法，通过分析长距离混凝土明渠衬砌施工中存在的问题，探讨了渠道混凝土衬砌施工方案和质量控制措施。雷宇[8]对水工混凝土建筑物病害检测与修补技术进行了分析与探讨。练伟东等[9]分析了水工混凝土建筑物的病害成因，对常见的混凝土病害和渗漏问题防治措施进行了详细分析。洪华[10]对圬工拱桥病害产生机理进行全面、深入剖析，总结出圬工拱桥可能产生的各种病害，并对每种病害可能产生的原因进行了详尽阐述，探讨了拱桥加固相关理论。陆采荣等[11]结合南水北调中线工程中三个主要渡槽，提出了适合于上述工程的高性能混凝土原材料品质控制指标。以上检测分析方案都是针对混凝土渡槽的，目前尚缺少一种针对大型石拱类渡槽的完整检测分析方案。本文基于引沁灌区新愚公渡槽，在借鉴桥梁结构及类水工建筑物评价的基础上，依据石拱渡槽结构自身特点，运用现场检测分析、静力分析、动力分析方法，研究确立一套完整的石拱渡槽整体健康评价方案，以期从根源上分析石拱渡槽病害机理，并针对病害给出相应的治理措施。
1 工程概况及检测情况
1.1 工程简介
新愚公渡槽位于蟒河支流五指河中上游的李八庄村附近，是引沁总干渠上最长的一座渡槽，全长648 m，设计纵坡1/750，设计流量16.2 m3/s，整个渡槽为石拱结构，渡槽共有42孔，其中：跨度为15 m的有21孔，10 m的有14孔，8.5 m的有1孔，6 m的有6孔。最大跨度为15 m，最大高度为24 m，另在15 m跨两孔间设肋孔21孔，41个中墩宽1.5～6.0 m。新愚公渡槽于1966年11月开工，到1968年10月竣工，经过50 a的运行，渡槽多处出现了不同程度的病害（裂缝、漏水、混凝土脱落及铁栅栏严重锈蚀等）。 1.2 拱圈检测
对渡槽全长范围进行检测，并对裂缝宽度进行测量，检测的病害统计结果见表1。
根据表1和相关检测结果，渡槽拱圈漏水现象较为严重，拱圈上出现了宽度为1.3～4.2 mm的裂缝，裂缝最大长度超过2 m，已影响到渡槽的安全稳定运行，急需进行加固处理。
1.3 槽墩检测
渡槽设1#～43#共43个槽墩，槽墩宽度为1.5～6.0 m。部分槽墩问题较为严重，裂缝较宽而且较长，亦有个别砌石被压裂，存在贯通裂缝。其中12#槽墩全部为湿润状态，说明12#槽墩以上槽身漏水较为严重;13#槽墩上部设有肋孔，肋孔上部裂缝一直延伸至槽身位置，在结构内部应该已引起槽身开裂，使其出现渗水漏水现象;14#槽墩的角部砌石存在明显的竖向裂缝，17#槽墩的侧面砌石内部存在较为明显的水平裂缝，如果是单独的砂浆裂缝，则可认为是渡槽长期运行过程中的老化以及水流的侵蚀造成的，在后续处理时仅对砂浆进行合理的治理即可，但槽墩砌石自身出现竖向裂缝和水平裂缝，说明渡槽基础存在一定的位移，产生了一定的错动，应提出合理的诊治方案。
1.4 砂浆强度检测
经过50 a的运行，新愚公渡槽的砌石砂浆存在一定的老化，为了研究其当前的强度，依据《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》（JGJ/T 136—2017），使用SJY-800B贯入式砂浆强度检测仪对渡槽的砂浆强度进行检测。贯入仪贯入力为800±8 N;工作冲程为20±0.1 mm;数字测量尺量程为0～20.00 mm;测钉长度为40 mm，测钉直径为3.5 mm;量规槽长度为39.5 mm。针对该渡槽的情况，选取了6个槽墩（13#、17#、24#、27#、28#和29#）进行砂浆强度检测，部分检测结果见表2。
1.5 槽身检测
通过对渡槽槽体进行查验和检测，发现槽身内侧存在较多的贯通裂缝，而且裂缝宽度较大，漏水、渗水问题严重，已影响到渡槽的正常运行。
1.6 钢筋混凝土面层
渡槽已运行50 a，钢筋混凝土面层老化问题较为严重，面层混凝土裂纹较多，而且脱落问题严重，部分钢筋已外露，锈蚀严重。
2 整体力学分析
2.1 渡槽静力分析
新愚公渡槽工程建设年代较早，为了更准确地对渡槽力学特性进行分析，本文采用大型商用有限元软件Midas FEA对其进行模拟。整个模型采用Midas FEA实体单元建模，模型计算区域共剖分了210 259个单元，942 396个节点。静力分析采用弹性计算方法，材料力学参数如下：Mu30块石抗壓强度为3.59 MPa，弹性模量为7.3 GPa，泊松比为0.3，重度为24 kN/m3。对渡槽拱圈进行编号，全桥模型见图1，部分区域离散模型见图2。
计算荷载为重力及重力与水压力组合荷载，由于全桥过长，因此除整体分析外还选取8个典型区域进行了细部分析，这里仅列出组合荷载工况下部分典型区域位移云图及第三主应力云图，如图3和图4所示。
计算结果表明：组合荷载作用下渡槽位移和应力分布规律与重力单独作用下的渡槽弹性计算结果相似，但是在量值上有所增大。渡槽在组合荷载作用下与重力荷载单独作用下相比，x方向
最大位移由0.21 mm增大到0.30 mm，y方向最大位移由0.14 mm增大到0.20 mm，z方向最大位移由1.15 mm增大到1.66 mm，第一主应力最大值由0.46 MPa增大到0.66 MPa，第三主应力最大值由1.52 MPa增大到2.19 MPa，这说明水压力的影响较明显。渡槽10号区域左右两侧拱圈变化较明显，墩柱基础部位产生了较大的压应力，在组合荷载作用下石拱圈z方向位移在整体分析中最大，且该区域石砌拱圈下面是道路，应适当对该区域进行加固和加强监测。
2.2 渡槽动力分析
据规范《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB35047—2015）中13.1.1条规定，设计烈度为7度及7度以上时，应同时考虑顺桥向、横桥向和竖向地震作用;13.1.2条规定，对于1级渡槽，应建立考虑相邻结构和边界条件影响的三维空间模型，采用动力法进行抗震分析，对于2级渡槽，可对渡槽和其上部槽身结构分别按悬臂梁和简支梁结构单独采用动力法进行抗震分析;13.1.5条规定，渡槽的动力分析一般可采用振型分解反应谱法求解，对于1级渡槽，应用时程分析法进行计算。新愚公渡槽设计流量为16.2 m3/s，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）中4.7.1条规定，该渡槽级别为2级，但是新愚公渡槽工程建设年代较早，为了更为全面地分析新愚公渡槽的动力特性，确保其在地震动作用下的安全性，对新愚公渡槽按1级渡槽进行了动力计算，即对新愚公渡槽进行了反应谱法和时程分析法双重验算。
2.2.1 反应谱法
本文所采取的地震影响系数曲线如图5所示。
抗震烈度基本参数：设防烈度为7度（加速度为0.10g），斜率调整系数为0.02，阻尼调整系数为1.0，曲线衰减指数为0.90，地震调整系数为2.20，峰值加速度为0.220g;反应谱最大值Smax=2.25a=0.50g（其中a为地震影响系数）。
反应谱法分析只考虑结构在加速度反应谱激励下的应力变形情况，重力荷载代表值取恒载。采用多重Ritz向量法分析特征值，分别在地面加速度x、y、z方向各添加30条Ritz向量，计算渡槽前90阶模态，保证结构振型参与质量大于总质量的90%，采用CQC法进行震型叠加。分别考虑渡槽顺槽向x、横桥向y、垂直桥向z 3种工况对结构进行激励。
结果显示：在y向激励下渡槽整体响应y方向位移最大，达到5.82 mm，发生在21号区域渡槽侧墙处，这说明该区域渡槽的侧向刚度较小;采用反应谱法进行动力分析时，横向地震波激励下渡槽位移和加速度偏大，加速度峰值和位移最大值均出现在渡槽中部，与水荷载作用下的纵向应力叠加非常不利，为确保渡槽结构安全，应对渡槽中部进行加固和加强监测。 2.2.2 时程分析法
时程分析法在数学上称步步积分法，抗震设计中也称为“动态设计”。通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间结构的内力和变形状态变化全过程，并以此进行结构构件的截面抗震承载力验算和变形验算。
由《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）可知，选择输入的地震加速度时程曲线应满足地震动三要素，即频谱特性、有效峰值和持续时间均应符合要求。本文采用调整后的EI-Centro南北向地震波、T1-I-3波及一条人工模拟地震波Sfs_48_w波进行计算，计算结果见表3。
由分析计算结果可知：
（1）采用时程法进行动力分析时，在3种地震波作用下位移和加速度变化规律基本一致。在x方向激励下，EI-Centro波x向位移最大，最大值达到-4.15 mm;在y方向激励下，Sfs_48_w波y向位移最大，最大值达到13.77 mm;在z方向激励下，Sfs_48_w波z向位移最大，最大值达到-2.54 mm。可见y方向侧向位移偏大。
（2）采用时程法进行动力分析时，在x方向激励下，EI-Centro波x向速度和加速度随时间变化，峰值发生在2.62 s时刻，节点编号189 670，量值分别为-0.18 m/s和8.89 m/s2;在y方向激励下，Sfs_48_w波y向速度和加速度随时间变化，峰值发生在3.44 s时刻，节点编号161 549，量值分别为-0.42 m/s和-14.23 m/s2;在z方向激励下，Sfs_48_w波z向速度和加速度随时间变化，峰值发生在4.92 s时刻，节点编号24 459，量值分别为-0.16 m/s和-14.25 m/s2。
（3）不同工况和不同计算方案所得的规律基本一致，整体而言，动位移比较大的部位在渡槽的中部、槽体边墙和立柱，但时程法计算的位移结果偏大。总的来讲，在地震烈度为7度条件下应力和位移较小，渡槽结构是安全的。
（4）取渡槽首部、中部、尾部三个典型区域进行位移与加速度以及速度与加速度随时间变化的分析，从结果可以看出，在EI-Centro波3个方向激励下，9～11号区域和20～22号区域位移、速度及加速度值圴较大。
3 加固处理方案
通过对新愚公渡槽进行综合评价分析，针对目前渡槽存在的病害，拟采取如下治理措施。
（1）对于护栏，采取全部更换的办法，原新愚公渡槽只在一侧设置了护栏，出于对渡槽维护管理过程中安全性的考虑，建议在渡槽两侧均设置护栏。
（2）新愚公渡槽为明渠输水，渡槽两侧用钢筋混凝土面板进行连接，但钢筋混凝土面板老化严重，混凝土大面积脱落，钢筋裸露而且锈蚀严重。对于槽身混凝土剥蚀或剥落较严重的部位，可先铺上一层较薄的水泥砂浆，再以防碳化材料涂刷（如CPC涂料、WSP涂料、TB-混凝土宝涂料等，皆是较好的防碳化涂料）。
（3）根据原伸缩缝止水结构实际情况，结合以往在役渡槽伸缩缝处理工程实践经验，经充分研究，采取的处理措施为对原渡槽止水结构进行局部清除，将原伸缩缝两侧混凝土切割成矩形凹槽，缝内嵌压SR塑性止水材料及表面黏贴SR盖片，并用膨胀螺栓把压条固定，最后用水泥、砂和903聚合物混合抹平，砂浆设置诱导缝，用弹性聚氨酯密封胶填充。
（4）采用碳纤维补强加固技术处理渡槽槽身渗漏。碳纤维补强加固技术是将高强度或高弹性模量的连续碳纤维单向排列成束，用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合片材，将片材用专用环氧树脂胶黏贴在结构外表面受拉或有裂缝部位，固化后与原结构形成统一整体。这样碳纤维可与原结构共同受力，分担部分荷载，降低钢筋混凝土结构的应力，从而使结构得到补强加固。
4 结 语
（1）针对在役大型石拱渡槽提出了一套高效且简易的运营检测方案，分析石拱渡槽的材料力学性能。
（2）采用大型商用有限元软件Midas FEA对渡槽进行了模拟，对不同荷载工况下渡槽静力及动力反应特性进行了分析。将数值模拟结果与现场检测结果相结合，综合分析了渡槽病害产生的原因，对渡槽现役状态进行了评估，并针对渡槽存在的病害，给出了治理方案。
（3）结合石拱渡槽结构特点全面进行检测，并与数值模拟分析相结合的分析评价方案可从整体到局部、外部到内部充分分析渡槽病害产生的机理，对石拱类渡槽具有普遍适用性。
参考文献：
[1] 潘洪科，李业学，王爱勤.渡槽工程的病害分析与防治研究[J].河南大学学报（自然科学版），2015（4）：493-498.
[2] SUAREZ F J， BRAVO R. Historical and Probabilistic Structural Analysis of the Royal Ditch Aqueduct in the Alhambra （Granada）[J]. Journal of Cultural Heritage，2014，15（5）：499-510.
[3] 陈国昕.西安黑河输水渠道渡槽工程病害成因分析与处理方法研究[D].西安：長安大学，2016：7-48.
[4] 李华强.引沁灌区东方红渡槽除险加固工程设计[J].河南水利与南水北调，2012（20）：42-43.
[5] 李斌，袁群，常向前.钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的检测与评估[J].人民黄河，2005，27（2）：34-35.
[6] 马斌，姜仁贵，王春燕.南水北调中线渠道混凝土裂缝成因分析及处理[J].水利水电技术，2009，40（3）：39-42.
[7] 李小东，侯善中，邓学刚.引沁灌区总干渠混凝土衬砌施工方案[J].河南水利与南水北调，2007（7）：37-39.
[8] 雷宇.水工混凝土建筑物的病害检测与修补技术[J].黑龙江科技信息，2013（6）：257.
[9] 练伟东，厉其贵.水工混凝土建筑物的病害原因与预防措施[J].科技创新导报，2008（3）：89-90.
[10] 洪华.圬工拱桥病害机理及耐久性加固技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2013：7-32.
[11] 陆采荣，吴健，梅国兴，等.南水北调工程高性能混凝土抗裂技术研究[J].南水北调与水利科技，2009，7（6）：94-97.
【责任编辑 张华岩】
关键词：石拱渡槽;工程检测;数值模拟;动力分析;病害分析
Abstract：Based on the evaluation of bridge structure and similar hydraulic structures and the characteristics of stone arch aqueduct structure， the safety and disease mechanism of a large-scale stone arch aqueduct in service were studied by using the trinity analysis method of field test analysis， static analysis and dynamic analysis. A comprehensive and inclusive analysis was conducted. It is pointed out that the structural analysis and the evaluation plan of the stone arch aqueduct， which combining comprehensive testing with numerical simulation analysis， can fully analyze the aqueduct disease generation mechanism from the whole to the local and from the external to the internal. This method has universal applicability to stone arch aqueducts.
Key words： stone arch aqueduct; engineering inspection; numerical simulation; dynamic analysis; disease analysis
渡槽作為常见的输水建筑物，不仅可以发挥城镇生活用水、工业用水的跨流域、跨地区调配作用，还可以达到排洪、导流的目的。渡槽在建成投入使用后，随着时间的推移，在荷载及恶劣环境作用下，不可避免地会产生病害损伤。根据相关资料，对我国195处大型灌区10 213座渡槽调查分析显示，其中：2 882座严重病害老化，973座已经失效，683座已完全报废。随着时间的发展，渡槽工程病害老化问题日趋严重。20世纪50年代初期我国建设的渡槽多用木、石结构，其中石拱结构渡槽最为常见，是当今渡槽病害最为严重的一种类型。近年来，国内外一些学者针对渡槽病害采用新技术和方法进行了研究。潘洪科等[1]结合某大型渡槽工程实例，对渡槽进行了工程检测、评价与病害处理并结合检测信息进行了三维数值模拟分析，提出了相应的治理方案。Suarez等[2]对阿尔罕布拉渡槽进行几何建模，通过崩溃的风险概率几何定义，研究了渡槽崩溃风险概率，并优化了拱截面的厚度。陈国昕[3]对西安市黑河输水渠道渡槽进行检测、分析，提出了合理的处理方案。李华强[4]针对引沁灌区咽喉工程东方红渡槽，阐述了丙乳砂浆与碳纤维技术在渡槽加固中的运用。李斌等[5]通过检测渡槽混凝土结构保护层中铁离子含量推断钢筋的锈蚀程度，并对锈蚀检测仪的有效性进行了研究。马斌等[6]针对南水北调工程中渡槽混凝土裂缝问题进行了统计分析，对裂缝的产生机理进行了论述，并针对不同形式的裂缝提出了相应的处理措施。李小东等[7]针对大型灌区，介绍了明渠混凝土衬砌的施工方法，通过分析长距离混凝土明渠衬砌施工中存在的问题，探讨了渠道混凝土衬砌施工方案和质量控制措施。雷宇[8]对水工混凝土建筑物病害检测与修补技术进行了分析与探讨。练伟东等[9]分析了水工混凝土建筑物的病害成因，对常见的混凝土病害和渗漏问题防治措施进行了详细分析。洪华[10]对圬工拱桥病害产生机理进行全面、深入剖析，总结出圬工拱桥可能产生的各种病害，并对每种病害可能产生的原因进行了详尽阐述，探讨了拱桥加固相关理论。陆采荣等[11]结合南水北调中线工程中三个主要渡槽，提出了适合于上述工程的高性能混凝土原材料品质控制指标。以上检测分析方案都是针对混凝土渡槽的，目前尚缺少一种针对大型石拱类渡槽的完整检测分析方案。本文基于引沁灌区新愚公渡槽，在借鉴桥梁结构及类水工建筑物评价的基础上，依据石拱渡槽结构自身特点，运用现场检测分析、静力分析、动力分析方法，研究确立一套完整的石拱渡槽整体健康评价方案，以期从根源上分析石拱渡槽病害机理，并针对病害给出相应的治理措施。
1 工程概况及检测情况
1.1 工程简介
新愚公渡槽位于蟒河支流五指河中上游的李八庄村附近，是引沁总干渠上最长的一座渡槽，全长648 m，设计纵坡1/750，设计流量16.2 m3/s，整个渡槽为石拱结构，渡槽共有42孔，其中：跨度为15 m的有21孔，10 m的有14孔，8.5 m的有1孔，6 m的有6孔。最大跨度为15 m，最大高度为24 m，另在15 m跨两孔间设肋孔21孔，41个中墩宽1.5～6.0 m。新愚公渡槽于1966年11月开工，到1968年10月竣工，经过50 a的运行，渡槽多处出现了不同程度的病害（裂缝、漏水、混凝土脱落及铁栅栏严重锈蚀等）。 1.2 拱圈检测
对渡槽全长范围进行检测，并对裂缝宽度进行测量，检测的病害统计结果见表1。
根据表1和相关检测结果，渡槽拱圈漏水现象较为严重，拱圈上出现了宽度为1.3～4.2 mm的裂缝，裂缝最大长度超过2 m，已影响到渡槽的安全稳定运行，急需进行加固处理。
1.3 槽墩检测
渡槽设1#～43#共43个槽墩，槽墩宽度为1.5～6.0 m。部分槽墩问题较为严重，裂缝较宽而且较长，亦有个别砌石被压裂，存在贯通裂缝。其中12#槽墩全部为湿润状态，说明12#槽墩以上槽身漏水较为严重;13#槽墩上部设有肋孔，肋孔上部裂缝一直延伸至槽身位置，在结构内部应该已引起槽身开裂，使其出现渗水漏水现象;14#槽墩的角部砌石存在明显的竖向裂缝，17#槽墩的侧面砌石内部存在较为明显的水平裂缝，如果是单独的砂浆裂缝，则可认为是渡槽长期运行过程中的老化以及水流的侵蚀造成的，在后续处理时仅对砂浆进行合理的治理即可，但槽墩砌石自身出现竖向裂缝和水平裂缝，说明渡槽基础存在一定的位移，产生了一定的错动，应提出合理的诊治方案。
1.4 砂浆强度检测
经过50 a的运行，新愚公渡槽的砌石砂浆存在一定的老化，为了研究其当前的强度，依据《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》（JGJ/T 136—2017），使用SJY-800B贯入式砂浆强度检测仪对渡槽的砂浆强度进行检测。贯入仪贯入力为800±8 N;工作冲程为20±0.1 mm;数字测量尺量程为0～20.00 mm;测钉长度为40 mm，测钉直径为3.5 mm;量规槽长度为39.5 mm。针对该渡槽的情况，选取了6个槽墩（13#、17#、24#、27#、28#和29#）进行砂浆强度检测，部分检测结果见表2。
1.5 槽身检测
通过对渡槽槽体进行查验和检测，发现槽身内侧存在较多的贯通裂缝，而且裂缝宽度较大，漏水、渗水问题严重，已影响到渡槽的正常运行。
1.6 钢筋混凝土面层
渡槽已运行50 a，钢筋混凝土面层老化问题较为严重，面层混凝土裂纹较多，而且脱落问题严重，部分钢筋已外露，锈蚀严重。
2 整体力学分析
2.1 渡槽静力分析
新愚公渡槽工程建设年代较早，为了更准确地对渡槽力学特性进行分析，本文采用大型商用有限元软件Midas FEA对其进行模拟。整个模型采用Midas FEA实体单元建模，模型计算区域共剖分了210 259个单元，942 396个节点。静力分析采用弹性计算方法，材料力学参数如下：Mu30块石抗壓强度为3.59 MPa，弹性模量为7.3 GPa，泊松比为0.3，重度为24 kN/m3。对渡槽拱圈进行编号，全桥模型见图1，部分区域离散模型见图2。
计算荷载为重力及重力与水压力组合荷载，由于全桥过长，因此除整体分析外还选取8个典型区域进行了细部分析，这里仅列出组合荷载工况下部分典型区域位移云图及第三主应力云图，如图3和图4所示。
计算结果表明：组合荷载作用下渡槽位移和应力分布规律与重力单独作用下的渡槽弹性计算结果相似，但是在量值上有所增大。渡槽在组合荷载作用下与重力荷载单独作用下相比，x方向
最大位移由0.21 mm增大到0.30 mm，y方向最大位移由0.14 mm增大到0.20 mm，z方向最大位移由1.15 mm增大到1.66 mm，第一主应力最大值由0.46 MPa增大到0.66 MPa，第三主应力最大值由1.52 MPa增大到2.19 MPa，这说明水压力的影响较明显。渡槽10号区域左右两侧拱圈变化较明显，墩柱基础部位产生了较大的压应力，在组合荷载作用下石拱圈z方向位移在整体分析中最大，且该区域石砌拱圈下面是道路，应适当对该区域进行加固和加强监测。
2.2 渡槽动力分析
据规范《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB35047—2015）中13.1.1条规定，设计烈度为7度及7度以上时，应同时考虑顺桥向、横桥向和竖向地震作用;13.1.2条规定，对于1级渡槽，应建立考虑相邻结构和边界条件影响的三维空间模型，采用动力法进行抗震分析，对于2级渡槽，可对渡槽和其上部槽身结构分别按悬臂梁和简支梁结构单独采用动力法进行抗震分析;13.1.5条规定，渡槽的动力分析一般可采用振型分解反应谱法求解，对于1级渡槽，应用时程分析法进行计算。新愚公渡槽设计流量为16.2 m3/s，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）中4.7.1条规定，该渡槽级别为2级，但是新愚公渡槽工程建设年代较早，为了更为全面地分析新愚公渡槽的动力特性，确保其在地震动作用下的安全性，对新愚公渡槽按1级渡槽进行了动力计算，即对新愚公渡槽进行了反应谱法和时程分析法双重验算。
2.2.1 反应谱法
本文所采取的地震影响系数曲线如图5所示。
抗震烈度基本参数：设防烈度为7度（加速度为0.10g），斜率调整系数为0.02，阻尼调整系数为1.0，曲线衰减指数为0.90，地震调整系数为2.20，峰值加速度为0.220g;反应谱最大值Smax=2.25a=0.50g（其中a为地震影响系数）。
反应谱法分析只考虑结构在加速度反应谱激励下的应力变形情况，重力荷载代表值取恒载。采用多重Ritz向量法分析特征值，分别在地面加速度x、y、z方向各添加30条Ritz向量，计算渡槽前90阶模态，保证结构振型参与质量大于总质量的90%，采用CQC法进行震型叠加。分别考虑渡槽顺槽向x、横桥向y、垂直桥向z 3种工况对结构进行激励。
结果显示：在y向激励下渡槽整体响应y方向位移最大，达到5.82 mm，发生在21号区域渡槽侧墙处，这说明该区域渡槽的侧向刚度较小;采用反应谱法进行动力分析时，横向地震波激励下渡槽位移和加速度偏大，加速度峰值和位移最大值均出现在渡槽中部，与水荷载作用下的纵向应力叠加非常不利，为确保渡槽结构安全，应对渡槽中部进行加固和加强监测。 2.2.2 时程分析法
时程分析法在数学上称步步积分法，抗震设计中也称为“动态设计”。通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间结构的内力和变形状态变化全过程，并以此进行结构构件的截面抗震承载力验算和变形验算。
由《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）可知，选择输入的地震加速度时程曲线应满足地震动三要素，即频谱特性、有效峰值和持续时间均应符合要求。本文采用调整后的EI-Centro南北向地震波、T1-I-3波及一条人工模拟地震波Sfs_48_w波进行计算，计算结果见表3。
由分析计算结果可知：
（1）采用时程法进行动力分析时，在3种地震波作用下位移和加速度变化规律基本一致。在x方向激励下，EI-Centro波x向位移最大，最大值达到-4.15 mm;在y方向激励下，Sfs_48_w波y向位移最大，最大值达到13.77 mm;在z方向激励下，Sfs_48_w波z向位移最大，最大值达到-2.54 mm。可见y方向侧向位移偏大。
（2）采用时程法进行动力分析时，在x方向激励下，EI-Centro波x向速度和加速度随时间变化，峰值发生在2.62 s时刻，节点编号189 670，量值分别为-0.18 m/s和8.89 m/s2;在y方向激励下，Sfs_48_w波y向速度和加速度随时间变化，峰值发生在3.44 s时刻，节点编号161 549，量值分别为-0.42 m/s和-14.23 m/s2;在z方向激励下，Sfs_48_w波z向速度和加速度随时间变化，峰值发生在4.92 s时刻，节点编号24 459，量值分别为-0.16 m/s和-14.25 m/s2。
（3）不同工况和不同计算方案所得的规律基本一致，整体而言，动位移比较大的部位在渡槽的中部、槽体边墙和立柱，但时程法计算的位移结果偏大。总的来讲，在地震烈度为7度条件下应力和位移较小，渡槽结构是安全的。
（4）取渡槽首部、中部、尾部三个典型区域进行位移与加速度以及速度与加速度随时间变化的分析，从结果可以看出，在EI-Centro波3个方向激励下，9～11号区域和20～22号区域位移、速度及加速度值圴较大。
3 加固处理方案
通过对新愚公渡槽进行综合评价分析，针对目前渡槽存在的病害，拟采取如下治理措施。
（1）对于护栏，采取全部更换的办法，原新愚公渡槽只在一侧设置了护栏，出于对渡槽维护管理过程中安全性的考虑，建议在渡槽两侧均设置护栏。
（2）新愚公渡槽为明渠输水，渡槽两侧用钢筋混凝土面板进行连接，但钢筋混凝土面板老化严重，混凝土大面积脱落，钢筋裸露而且锈蚀严重。对于槽身混凝土剥蚀或剥落较严重的部位，可先铺上一层较薄的水泥砂浆，再以防碳化材料涂刷（如CPC涂料、WSP涂料、TB-混凝土宝涂料等，皆是较好的防碳化涂料）。
（3）根据原伸缩缝止水结构实际情况，结合以往在役渡槽伸缩缝处理工程实践经验，经充分研究，采取的处理措施为对原渡槽止水结构进行局部清除，将原伸缩缝两侧混凝土切割成矩形凹槽，缝内嵌压SR塑性止水材料及表面黏贴SR盖片，并用膨胀螺栓把压条固定，最后用水泥、砂和903聚合物混合抹平，砂浆设置诱导缝，用弹性聚氨酯密封胶填充。
（4）采用碳纤维补强加固技术处理渡槽槽身渗漏。碳纤维补强加固技术是将高强度或高弹性模量的连续碳纤维单向排列成束，用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合片材，将片材用专用环氧树脂胶黏贴在结构外表面受拉或有裂缝部位，固化后与原结构形成统一整体。这样碳纤维可与原结构共同受力，分担部分荷载，降低钢筋混凝土结构的应力，从而使结构得到补强加固。
4 结 语
（1）针对在役大型石拱渡槽提出了一套高效且简易的运营检测方案，分析石拱渡槽的材料力学性能。
（2）采用大型商用有限元软件Midas FEA对渡槽进行了模拟，对不同荷载工况下渡槽静力及动力反应特性进行了分析。将数值模拟结果与现场检测结果相结合，综合分析了渡槽病害产生的原因，对渡槽现役状态进行了评估，并针对渡槽存在的病害，给出了治理方案。
（3）结合石拱渡槽结构特点全面进行检测，并与数值模拟分析相结合的分析评价方案可从整体到局部、外部到内部充分分析渡槽病害产生的机理，对石拱类渡槽具有普遍适用性。
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