五強(qiáng)溪船閘裂縫穩(wěn)定性非線性模型分析

張 磊，付清潭，張國新，彭校初

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司，湖北 武漢 442700）

五強(qiáng)溪船閘裂縫穩(wěn)定性非線性模型分析

張 磊1，付清潭2，張國新1，彭校初1

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.南水北調(diào)中線水源有限責(zé)任公司，湖北 武漢 442700）

本文通過多非線性優(yōu)化方法，對(duì)五強(qiáng)溪船閘的裂縫開度監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，著重討論了水位和溫度效應(yīng)對(duì)船閘開度的影響機(jī)理，并且建立了開度的統(tǒng)計(jì)模型，通過非線性擬合的方法分離了水位效應(yīng)和溫度效應(yīng)對(duì)開度的影響度，明確了運(yùn)行水位是影響船閘開度的首要因素，且溫度變化也會(huì)影響縫開度變化，進(jìn)而影響水壓作用效果。最后結(jié)合對(duì)監(jiān)測資料的分析，指出五強(qiáng)溪船閘在EL.108 m水位以下運(yùn)行是安全的，但應(yīng)加強(qiáng)觀測，一旦觀測結(jié)果出現(xiàn)異?；蜈厔莅l(fā)生變化，應(yīng)限制運(yùn)行，進(jìn)行分析并考慮加固。

船閘；統(tǒng)計(jì)模型；非線性優(yōu)化；裂縫開度

1 研究背景

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是比較常見的現(xiàn)象，而船閘是一個(gè)擋水（盛水）建筑物，一旦出現(xiàn)裂縫，壓力水將進(jìn)入縫內(nèi)，以縫面壓力的形式作用于裂縫的表面，會(huì)引起水力劈裂，加大閘室的變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及閘室安全。另外，閘室出現(xiàn)裂縫進(jìn)水后，水可能會(huì)對(duì)鋼筋有侵蝕作用，引起鋼筋銹蝕，影響船閘的耐久性。五強(qiáng)溪船閘自1995年初投入運(yùn)行［1-4］，其側(cè)墻為重力式，即靠側(cè)墻的自重抵擋閘室內(nèi)的水壓力。在2000年10月，水位107.7 m時(shí)布置于閘頂?shù)囊龔埦€自動(dòng)觀測設(shè)備實(shí)測閘墻變化超出測量范圍報(bào)警，并伴隨結(jié)構(gòu)縫漏水明顯加大現(xiàn)象。經(jīng)人工觀測，閘室最大開度達(dá)40 mm，超過設(shè)計(jì)水位110.5 m時(shí)的設(shè)計(jì)開度22.1 mm近一倍。后放空閘室檢查，發(fā)現(xiàn)閘底板出現(xiàn)大量間距為0.8～1.0 m的軸向裂縫，側(cè)墻與底板相交處及部分閘段側(cè)墻在一定高度范圍內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了水平裂縫，部分裂縫開度有2～4 mm。閘墻外側(cè)也存在一定數(shù)量的水平裂縫。

為了分析船閘變形的影響因素并評(píng)價(jià)船閘運(yùn)行的安全性，本文對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合閘室應(yīng)力變形及反演分析，對(duì)船閘耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 監(jiān)測資料分析

現(xiàn)場船閘開度的監(jiān)測資料分析是評(píng)價(jià)船閘安全度的最直接手段，從現(xiàn)有的船閘開度監(jiān)測資料及以往的研究來看，在相同的水位條件下，五強(qiáng)溪船閘的開度呈夏天小冬天大的規(guī)律，因此從已有的船閘開度資料中選取夏季和冬季的6個(gè)月來進(jìn)行分析。資料表明，五強(qiáng)溪船閘月均氣溫在4.2℃～27.8℃之間變化，河水水溫在 7℃～25℃之間變化，且隨季節(jié)呈周期性變化，水溫和氣溫1月份最低，7月份最高。結(jié)合現(xiàn)有的觀測資料中開度的實(shí)測值，取夏天的分析月份為7月、8月、9月，冬天的分析月份為11月、12月和1月，對(duì)于資料不全的年份選取與該月份最近的月份。

船閘開度的實(shí)測資料選取還應(yīng)滿足監(jiān)測時(shí)的低水位相差不大的原則且監(jiān)測時(shí)高水位大于105 m的危險(xiǎn)情況，低水位85 m左右的實(shí)測資料較多，因此低水位取85 m±1 m。

圖1是根據(jù)以上原則選取閘室縱向中間部位SS58—SS43測點(diǎn)開度隨水頭變化曲線。

圖1 閘室開度與水頭關(guān)系曲線（SS58-SS43）

從圖1可以看到，曲線呈波動(dòng)狀且有很多平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)上的點(diǎn)為相同起始水位、相同水頭差作用下的開度，開度值并不相等且相差較大，反映了溫度的作用。根據(jù)以往的計(jì)算分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，溫度變化影響閘室內(nèi)的裂縫開度。夏天溫升使裂縫閉合［5］，裂縫內(nèi)不易進(jìn)水，減少了裂縫內(nèi)的滲透壓力，開度相對(duì)較?。欢鞙亟凳沽芽p張開［6］，水易滲入裂縫，從而增大了滲透壓力，隨著滲透壓力的增大，少量裂縫可能會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致開度變大。隨著水位升高，即使夏季裂縫也會(huì)張開，使閘室開度加大，從而使高水位時(shí)冬夏季開度差減小。

3 開度的敏感性分析

本文通過對(duì)監(jiān)測資料進(jìn)行分析建立相應(yīng)統(tǒng)計(jì)模型，剖析并分離水位和溫度對(duì)船閘開度的影響度。

由船閘開度監(jiān)測資料定性分析可知，船閘的開度受水壓、溫度和時(shí)效等因素的影響，因此船閘開度K的統(tǒng)計(jì)模型主要由水壓分量KH、溫度分量KT和時(shí)效分量Kθ組成。實(shí)際上，溫度變化對(duì)混凝土的裂縫的形成和擴(kuò)展較敏感，水位變化導(dǎo)致水溫變化，對(duì)裂縫開合度也有一定的影響，因此溫度影響分量選用周期項(xiàng)模擬船閘開合度的變化且受水頭項(xiàng)影響，即：KT=KH×Kt。船閘產(chǎn)生時(shí)效變形的原因極為復(fù)雜，它綜合反映閘體混凝土與基巖的徐變、蠕變以及巖體地質(zhì)構(gòu)造的壓縮變形等，船閘至今已經(jīng)運(yùn)行近20年，其時(shí)效分量已經(jīng)基本穩(wěn)定，在此不考慮此項(xiàng)影響。故考慮水壓分量對(duì)溫度分量的影響，船閘開度統(tǒng)計(jì)模型可表示為：

式中：a0為常數(shù)項(xiàng)；Hw、Hw0分別為監(jiān)測時(shí)刻、始測時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的閘室內(nèi)水頭，(Hw-Hw0)即閘室內(nèi)水頭差；ai為水壓因子系數(shù)，i=1～4；t為監(jiān)測時(shí)刻；t0為基準(zhǔn)時(shí)刻；ω為以月份，函數(shù)周期為12，ω=π6；b1為溫度和水頭因子系數(shù)。

根據(jù)船閘開度實(shí)測資料，以一閘室為特征閘室，以5組測點(diǎn)中的SS58-SS43測點(diǎn)的開度為樣本，選取2004—2008年夏季和冬季的、低水位85 m左右的、高水位大于105 m的開度實(shí)測資料進(jìn)行分析。建模時(shí)段取為整個(gè)測值系列，并剔除了明顯不合規(guī)律的測值。對(duì)于溫度的影響，本文以月份為單位輸入來反映溫度影響分量的作用，選取2004年12月15日為基準(zhǔn)時(shí)刻，始測時(shí)刻水頭取所有樣本的均值85.0 m。

根據(jù)資料分析，綜合考慮水壓分量KH和溫度影響分量KT的作用，通過非線性擬合，得出船閘開度的統(tǒng)計(jì)模型，同時(shí)也分離了水位效應(yīng)和溫度影響效應(yīng)。各參數(shù)值如表1所示。

開度統(tǒng)計(jì)模型如下：

表1 開度統(tǒng)計(jì)模型參數(shù)

式中：hw=( Hw-Hw0)。

圖2 開度統(tǒng)計(jì)模型擬合曲線與實(shí)測曲線

圖3為水壓分量與開度曲線。由圖3可以看出，船閘的開度隨著水頭的增大呈非線性增長，水頭越大，其開度增加越快，因此高水位運(yùn)行時(shí)開度對(duì)水位比較敏感。

圖4為107.7 m水頭作用下溫度與開度影響曲線。從圖4可以看出，在溫度荷載作用的綜合影響下閘墻頂部開合度的年變化約為9 mm。

圖3 水壓分量與開度曲線

圖4 溫度與開度曲線

4 安全度評(píng)價(jià)

通過以上統(tǒng)計(jì)分析可知，船閘的開度隨著水頭的增大呈非線性增長，水頭越大，其開度增加越快，因此高水位運(yùn)行時(shí)開度對(duì)水位比較敏感，水位是影響船閘開合度大小的主要因素。五強(qiáng)溪船閘冬季出現(xiàn)其開合度的最大值，因此為了評(píng)價(jià)船閘的總體安全度，可以從已有的船閘開合度資料中選取冬季的資料進(jìn)行分析。

圖5和圖6是從已有的監(jiān)測資料中選取的多年冬季相同起始水位、相同最大水頭差條件下船閘開合度的多年變化曲線。圖5、圖6表明，相同的工作環(huán)境下（相同最大水頭、相同季節(jié)）船閘的開合度并沒有隨著年份呈增加的趨勢，說明船閘在水位108 m以下運(yùn)行時(shí)船閘的開合度是可控和穩(wěn)定的。同樣，相同條件下，夏季船閘開合度的多年變化曲線也說明了這一點(diǎn)。

圖5 不同測點(diǎn)冬季開度曲線

圖6 不同測點(diǎn)夏季開度曲線

圖7 SS58-SS43測點(diǎn)的最大開度比較

圖7是SS58-SS43測點(diǎn)多年最大開合度的比較。從圖7可以看出，最低水位（85 m左右）和最高水位基本（107 m左右）一致的情況下，最大開合度出現(xiàn)在2005年，這也同樣反映出開合度并沒有隨著運(yùn)行年份的增加而呈變大。

本文分析說明，船閘目前在108 m水位以下運(yùn)行是穩(wěn)定可控的，但須加強(qiáng)觀測，一旦觀測結(jié)果出現(xiàn)異?；蜈厔莅l(fā)生變化，應(yīng)限制運(yùn)行，進(jìn)行分析并考慮加固。

5 結(jié)論

通過對(duì)船閘已有開合度監(jiān)測資料的分析，剖析了季節(jié)變化（溫度）對(duì)船閘開合度影響的本質(zhì)因素，通過非線性擬合得到了開合度統(tǒng)計(jì)模型并分離出影響船閘開合度的水位和溫度效應(yīng)。分析結(jié)果表明，在同樣水頭變化條件下，冬天開度大、夏天開度小，是由于溫度作用使已有裂縫冬季張開，水滲入而以表面水壓的形式作用于縫面，從而加大了水壓荷載所致。夏季則由于溫度作用使裂縫閉合，滲透水壓作用變?nèi)?。冬季高水位是閘室受力最惡劣的狀態(tài)，閘室應(yīng)盡量避免108 m以上高水位運(yùn)行。根據(jù)觀測結(jié)果和分析結(jié)果，水位108 m以下時(shí)，閘室安全可以保證，在運(yùn)行水位低于108 m前提下，加固可以暫緩，但是須加強(qiáng)觀測，一旦觀測結(jié)果出現(xiàn)異?；蜈厔莅l(fā)生變化，應(yīng)限制運(yùn)行，進(jìn)行分析并考慮加固。

［1］ 湖南五凌水電開發(fā)有限責(zé)任公司.五強(qiáng)溪水電站工程竣工階段驗(yàn)收資料匯編［R］.長沙：湖南五凌水電開發(fā)有限責(zé)任公司，1999.

［2］ 杭州大學(xué)土木工程檢測中心.五強(qiáng)溪水電站大壩船閘混凝土檢測報(bào)告［R］.杭州：浙江大學(xué)，2002.

［3］ 中國水利水電科學(xué)研究院.五強(qiáng)溪電站船閘變形問題研究報(bào)告［R］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2002.

［4］ 中國水利水電科學(xué)研究院.五強(qiáng)溪水電廠船閘綜合檢測及混凝土耐久性分析研究［R］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2008.

［5］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.

［6］ 張國新，許平，朱伯芳，等.龍灘重力壩三維仿真與劈頭裂縫問題研究［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2003，1（2）：34-40.

（責(zé)任編輯：王冰偉）

論文摘要編寫要點(diǎn)

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7.關(guān)鍵詞是為了文獻(xiàn)標(biāo)引工作，是從論文中選取出來用以表示全文主題內(nèi)容信息的單詞或術(shù)語，一般為3-8個(gè)詞，盡量用規(guī)范詞。

《中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》編輯部

Crack stability analysis of Wuqiangxi navigation lock by nonlinear model

ZHANG Lei1，F(xiàn)U Qing-tan2，ZHANG guo-xin1，PENG Xiao-chu1
（1.Department of Sturctures and Materiaes，IWHR，Beijing 100038，China；2.Water Source CO.，LTd of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project，Wuhan 442700，China）

This paper adopts nonlinear optimization methods to statistically analyze the crack opening moni?toring data of Wuqiangxi navigation lock.It focuses on the influence mechanism of water level and tempera?ture effects on the navigation lock crack opening，and establishes a statistical model for it.Through using the non-linear fitting method it isolates the impact of water level and temperature effects on crack opening and makes it explicit that the running water level is the primary factor affecting the crack opening of navi?gation lock，and the temperature changes may also affect the changes of crack opening，thereby affecting the effect of water pressure.Finally，combined with the analysis of monitoring data,it indicates that Wuq?iangxi navigation lock is running safely below the water level of EL.108m，and it also emphasizes that ob?servation shall be intensified so that the operations should be limited，analyzed and the navigation lock should be reinforced once exceptions appear in observations or changes happen in trend.

navigation lock；statistic model；nonlinear optimization；crack opening

TV698.1

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.016

1672-3031（2014）02-0211-04

2013-01-07

水利部行業(yè)公益專項(xiàng)（201201050）；973項(xiàng)目（2013CB036406，2013CB035904）；十二五科技支撐項(xiàng)目（SQ2013BAJY4138）；中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（1118，1208，1361，1353）

張磊（1980-），男，天津薊縣人，高級(jí)工程師，博士，主要從事大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫控防裂及智能監(jiān)控以及工程損傷檢測與加固等研究。E-mail：zhangl@iwhr.com