壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫成因與防治措施

陳藝超

（縉云縣水務(wù)投資有限公司，浙江 縉云 321400）

1 問(wèn)題的提出

鎮(zhèn)墩主要位于管道水平轉(zhuǎn)角，是為解決管線(xiàn)在投入使用后發(fā)生位移而設(shè)置的一種水工建筑物，鎮(zhèn)墩通常用混凝土澆筑而成[1]。通常情況下，鎮(zhèn)墩布設(shè)在管道轉(zhuǎn)折處，當(dāng)直線(xiàn)管道過(guò)長(zhǎng)時(shí)，也會(huì)選擇在管道中間處布設(shè)鎮(zhèn)墩[2]。鎮(zhèn)墩所起作用明顯，但管道所受的作用力是多方的，屬于一種聯(lián)合作用力。一旦作用力超出鎮(zhèn)墩自身可承載范圍，不僅會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力結(jié)構(gòu)變形的問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)因作用力的影響而出現(xiàn)鎮(zhèn)墩裂縫[3]。當(dāng)壓力鋼管鎮(zhèn)墩出現(xiàn)裂縫后，水管將發(fā)生開(kāi)裂，從而影響水電站或水利工程的持續(xù)運(yùn)行[4]，因此，相關(guān)壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫的研究十分重要。但研究中發(fā)現(xiàn)，部分水利單位在出現(xiàn)壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫問(wèn)題時(shí)，僅對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的填補(bǔ)，沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。因此，本文將在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫的成因進(jìn)行綜合分析，提出解決鎮(zhèn)墩裂縫的防治方法。

2 壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫成因

2.1 壓力鋼管鎮(zhèn)墩受力分析

為進(jìn)一步掌握壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫的成因，需要對(duì)鎮(zhèn)墩受力進(jìn)行計(jì)算分析。在計(jì)算分析前，應(yīng)掌握鎮(zhèn)墩在結(jié)構(gòu)中的負(fù)載受力[5]。圖1 為某壓力鋼管鎮(zhèn)墩的負(fù)載受力圖。

圖1 壓力鋼管鎮(zhèn)墩的負(fù)載受力圖 單位：mm

鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中受到的負(fù)載壓力為：

式中：FS為鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中受到的負(fù)載壓力（MPa）；a為鎮(zhèn)墩水平管重（kg）。在此基礎(chǔ)上，鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)投入使用后受到的負(fù)載壓力為：

式中：FZ為鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)投入使用后受到的負(fù)載壓力（MPa）；b為彎管水重（kg）。綜合工程地基表面垂直應(yīng)力、整體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)的確定，可得出鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)在壓力作用下的基礎(chǔ)偏心面距離[6]。表1 為某壓力鋼管鎮(zhèn)墩偏心面距離計(jì)算結(jié)果。

表1 壓力鋼管鎮(zhèn)墩偏心面距離計(jì)算結(jié)果表

由表1 可知：壓力鋼管鎮(zhèn)墩在投入使用過(guò)程中，其基礎(chǔ)抗滑能力與強(qiáng)度承載力可滿(mǎn)足工程實(shí)際需求[7]。地基面的壓力在距離壓力鋼管鎮(zhèn)墩底部距離最近時(shí)較高，并且也相對(duì)小于C20 結(jié)構(gòu)混凝土的壓力承載值[8]。此時(shí)，在施加聯(lián)合作用力的情況下，壓力鋼管鎮(zhèn)墩的偏心距離相對(duì)較小，因此壓力鋼管鎮(zhèn)墩的地面結(jié)構(gòu)不會(huì)受到拉應(yīng)力的影響，此種情況不作為鎮(zhèn)墩自身承載強(qiáng)度的計(jì)算范圍[9]。并且，鎮(zhèn)墩配筋只要按照應(yīng)力鋼筋需求布設(shè)即可（除鎮(zhèn)墩自身內(nèi)部管道彎曲部分）。

2.2 結(jié)合鎮(zhèn)墩負(fù)載能力輸出裂縫形成邊界條件

在完成壓力鋼管鎮(zhèn)墩受力的分析后，需要結(jié)合鎮(zhèn)墩自身的負(fù)載能力，明確裂縫形成的邊界條件，并采用建立空間函數(shù)的方式，對(duì)裂縫邊界進(jìn)行彈性分析[10]。在空間彈性表達(dá)函數(shù)中，將每一個(gè)塊體作為一個(gè)單元，并在此過(guò)程中考慮到在鎮(zhèn)墩施工期與鎮(zhèn)墩投入使用期2 個(gè)階段，內(nèi)外部存在溫差（溫差約10.0℃）。以此輸出壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫形成的邊界條件：基礎(chǔ)鎮(zhèn)墩為無(wú)重力彈性支撐體，底部位置為固結(jié)單位，Z方向受到2 個(gè)法向約束力，垂直面X表示為自由面[11]。此時(shí)，鎮(zhèn)墩的負(fù)面則可以表示為法向約束面，而鎮(zhèn)墩外部表層均可定位為自由面。

在不考慮溫度應(yīng)力的條件下，可對(duì)X、Y、Z3 個(gè)受力面的最大拉應(yīng)力進(jìn)行分析[12]。但在鎮(zhèn)墩外部表層區(qū)域的拉應(yīng)力檢測(cè)中，仍發(fā)現(xiàn)存在不規(guī)則作用力。此時(shí)，輸出鎮(zhèn)墩外部與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間拉應(yīng)力的差值，根據(jù)差值的大小，評(píng)估壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫數(shù)量，以此完成對(duì)其裂縫成因的提取。

3 壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫防治方法設(shè)計(jì)

3.1 合理裂化范圍

為解決壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫問(wèn)題，根據(jù)鎮(zhèn)墩實(shí)際使用需求，對(duì)鎮(zhèn)墩合理裂化范圍進(jìn)行計(jì)算[13]。在此過(guò)程中，需要先考慮壓力鋼管鎮(zhèn)墩內(nèi)流體介質(zhì)的含量，在鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)受力層面分析，一旦流體存在較高的含堿物質(zhì)量時(shí)，鎮(zhèn)墩便會(huì)受到流體的侵蝕。因此，要解決鎮(zhèn)墩裂縫問(wèn)題，還需要對(duì)鎮(zhèn)墩允許開(kāi)裂結(jié)構(gòu)現(xiàn)象進(jìn)行分析。

以鋼管16.0#鎮(zhèn)墩為例，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算可得，鋼管可承受的內(nèi)部最高水壓在9.0～10.0 MPa，鎮(zhèn)墩混凝土方量為450.0 m3，鎮(zhèn)墩混凝土的最大環(huán)向應(yīng)力在3.0～4.0 MPa[14]。根據(jù)工程要求計(jì)算需配備的鎮(zhèn)墩鋼筋質(zhì)量，即鎮(zhèn)墩鋼筋長(zhǎng)度、鎮(zhèn)墩鋼筋內(nèi)管直徑、流體流速和流體介質(zhì)密度的乘積，其計(jì)算公式為：

式中：m為鎮(zhèn)墩鋼筋質(zhì)量（kg）；A為鎮(zhèn)墩鋼筋長(zhǎng)度（m）；B為鎮(zhèn)墩鋼筋內(nèi)管直徑（m）；P為流體流速（m/s）；ρ為流體介質(zhì)密度（kg/m3）。

壓力鋼管鎮(zhèn)墩在發(fā)生開(kāi)裂時(shí)還受到鋼管內(nèi)力的影響，在投入使用過(guò)程中，壓力鋼管鎮(zhèn)墩僅起到部分壓力支撐作用，并未起到拉應(yīng)力作用。因此，當(dāng)壓力鋼管鎮(zhèn)墩受到的拉應(yīng)力超出其可承受的極限范圍后，鎮(zhèn)墩將發(fā)生開(kāi)裂。而大部分施工方為避免開(kāi)裂問(wèn)題，選擇在布設(shè)壓力鋼管鎮(zhèn)墩過(guò)程中，為其配備對(duì)應(yīng)的鋼筋作為支撐[15]。因此，要掌握壓力鋼管鎮(zhèn)墩的合理裂化范圍，需要對(duì)外部鋼筋可承受的拉應(yīng)力范圍進(jìn)行分析。從管內(nèi)水壓與鋼筋數(shù)量層面（包括結(jié)構(gòu)鋼筋數(shù)量），基于流體動(dòng)力學(xué)，對(duì)外部鋼筋可承受的拉應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：f(x)為外部鋼筋可承受的拉應(yīng)力（MPa）；D為壓力鋼管直徑極值范圍（m）；c為構(gòu)造作用力（MPa）；y為管內(nèi)水壓（MPa）；s為鋼筋數(shù)量（個(gè)）。輸出f(x)的具體值，以此作為壓力鋼管鎮(zhèn)墩可承受作用力的取值范圍，從而完成對(duì)合理裂化范圍的導(dǎo)出。

3.2 鎮(zhèn)墩裂縫細(xì)部處理

在完成對(duì)壓力鋼管鎮(zhèn)墩合理裂化范圍的計(jì)算后，需要綜合鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)，對(duì)其細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，以解決壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫問(wèn)題。

當(dāng)鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)整體在內(nèi)水壓力作用下，外部混凝土結(jié)構(gòu)將先感應(yīng)到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。在此條件下，鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)承載力薄弱區(qū)域（通常鎮(zhèn)墩承載力薄弱區(qū)域位于沿管線(xiàn)的縱向水平方向），可能會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂縫，但由于此種裂縫整體較微弱，因此在測(cè)定或后期養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，極易忽視此部分裂縫。尤其在鎮(zhèn)墩上部呈現(xiàn)凸起后，除了內(nèi)部水壓力產(chǎn)生環(huán)向外應(yīng)力外，壓力鋼管對(duì)鎮(zhèn)墩施加的作用力還可以被劃分為水平層面的分力與垂直層面的向上作用力。當(dāng)鎮(zhèn)墩在受力管線(xiàn)軸上所承受的重力大于向上分作用力時(shí)，鎮(zhèn)墩整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，即不需要進(jìn)行細(xì)部處理[16]。反之，當(dāng)鎮(zhèn)墩在受力管線(xiàn)軸上所承受的重力小于向上分作用力時(shí)，鎮(zhèn)墩整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，需要在其細(xì)部配置局部鋼筋作為支撐，此種處理方式即為對(duì)鎮(zhèn)墩的細(xì)部處理。以壓力鋼管16.0#鎮(zhèn)墩為例，在管內(nèi)流體流速發(fā)生變化時(shí)，垂直向上的分力應(yīng)呈現(xiàn)一種受力上升的趨勢(shì)。此時(shí)，在鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)外部布設(shè)鋼筋的重量計(jì)算公式為：

式中：Ag為鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)外部布設(shè)鋼筋的質(zhì)量（kg）；K為鎮(zhèn)墩細(xì)部設(shè)計(jì)安全系數(shù)；Fc為鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)在垂直向上時(shí)的分作用力（MPa）；Gz為鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)在中心線(xiàn)以上的重力（kg）；γ為布設(shè)鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度（MPa）。根據(jù)式（5）輸出Ag的實(shí)際值，當(dāng)壓力鋼管鎮(zhèn)墩存在可承受壓力超出其極限負(fù)載范圍時(shí)，對(duì)外部進(jìn)行鋼筋布設(shè)。以此提高壓力鋼管鎮(zhèn)墩整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而完成壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫的細(xì)部處理。

4 仿真實(shí)驗(yàn)分析

以某工程建設(shè)項(xiàng)目為例，針對(duì)該項(xiàng)目中的壓力鋼管鎮(zhèn)墩建筑物在施工過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫問(wèn)題，分別采用壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫防治方法和傳統(tǒng)防治方法進(jìn)行處理，以此驗(yàn)證2 種防治方法的實(shí)際效果。該工程項(xiàng)目共包含2 條壓力鋼管，設(shè)計(jì)引用流量為2.85 m3/s，結(jié)構(gòu)參數(shù)均完全相同，直徑為1 200 mm，長(zhǎng)度為2 520 m，共設(shè)置鎮(zhèn)墩建筑物10 個(gè)。工程實(shí)施過(guò)程中，鎮(zhèn)墩壓力鋼管已產(chǎn)生垂直方向上的裂縫，但裂縫的長(zhǎng)度均未超過(guò)規(guī)定的控制要求，所有裂縫均正常，可進(jìn)行后續(xù)的施工操作。但為保證施工整體質(zhì)量和安全，仍采用2 種不同的治理方法分別對(duì)鎮(zhèn)墩裂縫進(jìn)行防治。利用本文防治方法對(duì)項(xiàng)目中的5 個(gè)鎮(zhèn)墩裂縫進(jìn)行防治，并將其設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組；利用傳統(tǒng)防治方法對(duì)另外5 個(gè)鎮(zhèn)墩裂縫進(jìn)行防治，并將其設(shè)置為對(duì)照組。從再次出現(xiàn)裂縫的數(shù)量和最長(zhǎng)裂縫長(zhǎng)度變化情況分析2 種方法的效果。實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表

從表2 可看出，對(duì)照組在第15 天已經(jīng)出現(xiàn)6 條長(zhǎng)度不等的裂縫，并且最長(zhǎng)裂縫長(zhǎng)度為16.54 mm，在后續(xù)記錄當(dāng)中裂縫數(shù)不斷增加，并且裂縫呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)的趨勢(shì)。而實(shí)驗(yàn)組僅在第45 天開(kāi)始出現(xiàn)1 條裂縫，并且在后續(xù)記錄當(dāng)中裂縫長(zhǎng)度并沒(méi)有進(jìn)一步延長(zhǎng)，說(shuō)明已得到有效控制。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)組最長(zhǎng)裂縫長(zhǎng)度符合不超過(guò)9.00 mm 的要求，對(duì)工程施工質(zhì)量不會(huì)造成影響。因此，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的壓力鋼管裂縫防治方法在實(shí)際應(yīng)用中能有效填補(bǔ)裂縫，并且能減少裂縫再次出現(xiàn)的數(shù)量，裂縫長(zhǎng)度也能有效控制。

5 結(jié)語(yǔ)

從計(jì)算壓力鋼管鎮(zhèn)墩受力、鎮(zhèn)墩負(fù)載能力輸出裂縫形成邊界條件等2 方面因素，對(duì)壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫成因進(jìn)行提取，并結(jié)合鎮(zhèn)墩使用需求計(jì)算合理裂化范圍，處理壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫細(xì)部，解決鋼管鎮(zhèn)墩裂縫問(wèn)題。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，提出的壓力鋼管鎮(zhèn)墩裂縫防治方法，能有效填補(bǔ)裂縫，并且能減少裂縫再次出現(xiàn)的數(shù)量，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫長(zhǎng)度也能有效控制。相比傳統(tǒng)方法，實(shí)用性與價(jià)值性更高。