溫度變化對(duì)水閘混凝土裂縫的影響分析

孫 勇

(費(fèi)縣三和水源工程服務(wù)中心,山東 臨沂 273400)

0 引 言

在眾多復(fù)雜的工程環(huán)境中,影響裂縫發(fā)展的因素很多。如果不重視裂縫的維護(hù)而任由其發(fā)展,將會(huì)影響結(jié)構(gòu)物的正常使用［1］。

近年來(lái),許多學(xué)者采用數(shù)值擬合、工程檢測(cè)等多種方式,對(duì)混凝土裂縫可逆性進(jìn)行了相關(guān)研究。王暢［2］對(duì)裂縫尖端出現(xiàn)的塑性變形進(jìn)行分析,探究了時(shí)間因素、拓展?fàn)顟B(tài)與裂縫發(fā)展之間的關(guān)系,并將裂縫發(fā)展的過(guò)程劃分為3個(gè)階段。胡少偉等［3］采用小波提取裂縫的變形量,并使用空間重構(gòu)的方法對(duì)裂縫發(fā)展的階段進(jìn)行識(shí)別。李雪紅等［4］根據(jù)實(shí)地測(cè)量的數(shù)據(jù),建立裂縫寬度與裂縫展開(kāi)的相對(duì)位移關(guān)系,并根據(jù)擬合數(shù)據(jù)提出了裂縫失穩(wěn)模型,將突變理論與統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合,分析了裂縫發(fā)展與裂縫灰色尖點(diǎn)處突變間的關(guān)系。

本文在某水閘裂縫處布置傳感器與測(cè)縫計(jì),監(jiān)測(cè)和記錄裂縫的寬度變化和相對(duì)位置變化,分析溫度變化和時(shí)效分量對(duì)裂縫的影響,以達(dá)到閘門(mén)裂縫檢測(cè)的目的。

1 工程概況

某水利樞紐的主要作用是發(fā)電,建設(shè)過(guò)程中水壩圍擋、泄水閘、電站廠區(qū)的建筑物等級(jí)為3級(jí)。該水庫(kù)的常規(guī)蓄水水位86.5m,設(shè)計(jì)洪水位88.1m。在安全巡查中發(fā)現(xiàn),水庫(kù)泄水閘門(mén)上方的交通橋左側(cè)有多處裂縫,產(chǎn)生原因不詳。裂縫中,有兩條從交通橋的上游貫穿到下游,在建筑物胸墻88m處終止。在泄水閘門(mén)庫(kù)上游有一條豎直裂縫,且裂縫周?chē)嬖诿黠@的析鈣現(xiàn)象,裂縫一直延伸至交通橋底板處。

2 裂縫計(jì)布置

裂縫的發(fā)展貫穿了整個(gè)泄水閘的門(mén)庫(kù)胸墻,主要發(fā)生在庫(kù)門(mén)的上游位置,嚴(yán)重影響到門(mén)庫(kù)對(duì)水流的阻攔效果。

2020年第二季度,在裂縫發(fā)生處設(shè)置了雙向測(cè)縫計(jì)。共設(shè)置9組,編號(hào)分別為Mkj-1～Mkj-9。上游側(cè)面設(shè)置Mkj-1和Mkj-2,泄水閘門(mén)庫(kù)側(cè)面設(shè)置Mkj-6和Mkj-7。兩只測(cè)縫計(jì)為一組,相互交叉垂直布置,用于監(jiān)測(cè)和記錄裂縫的寬度變化。與測(cè)縫計(jì)相連接的傳感器型號(hào)為NVJ-5,測(cè)量精度0.001mm,該型號(hào)傳感器的測(cè)試精度高,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),數(shù)據(jù)測(cè)試傳輸性能穩(wěn)定。

Mkj-1～Mkj-9測(cè)縫計(jì)位置布置平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)縫計(jì)位置布置平面圖

3 建模與數(shù)據(jù)分析

3.1 統(tǒng)計(jì)模型的建立

在宏觀領(lǐng)域,混凝土裂縫的時(shí)效分量是表征混凝土構(gòu)件的主要指標(biāo)之一。因此,為了便于描述水庫(kù)閘墩處的裂縫發(fā)展對(duì)閘墩工作性能的影響,建立裂縫寬度計(jì)算模型?；炷亮芽p的發(fā)展會(huì)隨溫度的升降表現(xiàn)出非線性的變化趨勢(shì),綜合考量溫度變化對(duì)裂縫產(chǎn)生的非線性變化,本文參考相關(guān)文獻(xiàn)［4］構(gòu)建的混凝土裂縫寬度統(tǒng)計(jì)計(jì)算模型［5］如下:

(1)

式中:δ(t)為裂縫的實(shí)測(cè)寬度值,mm;Ti為測(cè)點(diǎn)序號(hào)為i時(shí)的實(shí)測(cè)溫度值,℃;K為測(cè)點(diǎn)總數(shù);L為多項(xiàng)式的溫度階次;c為回歸因子;H為水深,m;t為時(shí)間,s;θ=0.01t(s-1);a0為時(shí)效分量;b為常系數(shù)。

3.2 裂縫統(tǒng)計(jì)模型建立及回歸分析

統(tǒng)計(jì)測(cè)縫計(jì)2020年6月至2021年4月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。文中選取的數(shù)據(jù)包含高溫、低溫、汛期等多種環(huán)境,不同的環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)縫計(jì)造成不同的環(huán)境荷載。在進(jìn)行泄水閘的安全檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),門(mén)庫(kù)處出現(xiàn)較為明顯的裂縫,嚴(yán)重影響了泄水閘的正常交通管理工作,導(dǎo)致重型卡車(chē)不能通行。

已有研究表明,導(dǎo)致泄水閘門(mén)出現(xiàn)裂縫的主要因素是溫度變化,由于熱脹材料的熱脹冷縮,導(dǎo)致閘門(mén)的裂縫寬度和新的位置發(fā)生變化。采用9組測(cè)縫計(jì)記錄監(jiān)測(cè)裂縫的變化情況,并記錄測(cè)縫計(jì)設(shè)置處的溫度,作為溫度影響數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位K為9。采用已有研究經(jīng)驗(yàn),使用L值進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算,對(duì)9個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度值進(jìn)行一次方函數(shù)、二次方函數(shù)、三次方函數(shù)的擬合計(jì)算。運(yùn)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),進(jìn)行三次方擬合計(jì)算時(shí)得到的數(shù)據(jù)相關(guān)性最好。因此,在分析溫度變化對(duì)其他因素的影響時(shí),采用三階函數(shù),取L=3。在進(jìn)行裂縫統(tǒng)計(jì)擬合時(shí),采用分步線性回歸法運(yùn)算得到計(jì)算模型。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)和誤差見(jiàn)表1。在9組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中,傳感器J6-1的數(shù)據(jù)擬合精度高,規(guī)律明顯,繪制溫度變化對(duì)實(shí)測(cè)值與模型擬合數(shù)值的影響趨勢(shì),見(jiàn)圖2。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值變化幅度和影響比例見(jiàn)表2。由表2可知,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的擬合精度為0.88～0.99,相對(duì)位置平方根誤差為0.05～0.5mm,數(shù)據(jù)的擬合精度較高,并且均方的平方根誤差較小,表明采用的擬合公式能夠較好預(yù)測(cè)裂縫的發(fā)展情況。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)和誤差

圖2 溫度變化對(duì)實(shí)測(cè)值與模型擬合數(shù)值的影響

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值變化幅度和影響比例

每年的6-8月份處于汛期,6-10月份處于高溫季節(jié),11月份至次年2月份處于低溫季節(jié)。其中,一年的高溫季節(jié)最高溫度可達(dá)35.1℃,在該溫度環(huán)境中可以檢測(cè)到的裂縫最大寬度為0.08mm;一年的低溫季節(jié)最低溫度僅有0.3℃,在該溫度環(huán)境中可以檢測(cè)到的裂縫最大寬度為0.21mm。從裂縫的總體變化趨勢(shì)來(lái)看,裂縫寬度的發(fā)展與環(huán)境溫度呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)溫度上升時(shí),裂縫的寬度逐漸減小;溫度下降時(shí),裂縫的寬度增大。比較各變化因素對(duì)裂縫寬度的影響所占比例發(fā)現(xiàn),溫度的改變對(duì)裂縫的寬度影響最為顯著,影響比例在57%～85%范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可見(jiàn),溫度變化是造成裂縫發(fā)展的主要因素,裂縫寬度計(jì)算模型擬合效果好,精度高,可用于泄水閘門(mén)裂縫預(yù)測(cè)［6-7］。

3.3 時(shí)效分量分離

根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型的計(jì)算,時(shí)效分量隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)圖3。

圖3 時(shí)效分量隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)

由圖3可以發(fā)現(xiàn),若監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于同一側(cè)面,則時(shí)效分量的發(fā)展趨勢(shì)保持同樣的規(guī)律。位于門(mén)庫(kù)上游的監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬合得到的時(shí)效分量,表現(xiàn)出隨時(shí)間的增長(zhǎng)先增大后減小的變化趨勢(shì)。其中,位于門(mén)庫(kù)頂端上游側(cè)的J4-1的時(shí)效分量變化最小,僅在剛開(kāi)始階段有小幅下降,之后隨時(shí)間的變化,時(shí)效分量基本保持水平發(fā)展,而其他幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的失效分量均表現(xiàn)出隨時(shí)間的增長(zhǎng)先增大后減小的趨勢(shì)。位于門(mén)庫(kù)內(nèi)測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均表現(xiàn)出逐漸減小的發(fā)展趨勢(shì)。位于門(mén)庫(kù)頂端下游側(cè)的J8-1時(shí)效分量變化最小,僅在剛開(kāi)始階段有下降,之后隨時(shí)間的變化,時(shí)效分量基本保持水平發(fā)展;J9-1測(cè)點(diǎn)的失效分量均表現(xiàn)出隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小的趨勢(shì)。

由表2可以看出,測(cè)點(diǎn)J3-1處的時(shí)效分量受到的影響最大。裂縫寬度的時(shí)效分量發(fā)展規(guī)律與日變幅的發(fā)展規(guī)律十分接近,當(dāng)裂縫的寬度增長(zhǎng)幅度較大時(shí),測(cè)點(diǎn)的時(shí)效分量變化趨勢(shì)就越顯著。在接近閘墩位置的測(cè)點(diǎn)時(shí)效分量要明顯小于距離閘墩較遠(yuǎn)處的測(cè)點(diǎn)。閘墩位于基巖上,在進(jìn)行門(mén)庫(kù)的泄水閘檢修時(shí),會(huì)受到左側(cè)庫(kù)岸的沉降影響,導(dǎo)致接近庫(kù)岸的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)得到的裂縫寬度值更大。

由圖3還可以看出,除J8-1測(cè)點(diǎn)外,其他幾個(gè)測(cè)點(diǎn)的失效分量均表現(xiàn)閉合的發(fā)展趨勢(shì)。表明裂縫的發(fā)展在減緩,寬度在逐漸變小,但其變化的穩(wěn)定性難以由圖3觀察得到。

3.4 裂縫工作性態(tài)診斷

根據(jù)裂縫統(tǒng)計(jì)模型,計(jì)算獲得時(shí)效分量,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3可知,傳感器J4-1、傳感器J6-1、傳感器J8-1監(jiān)測(cè)到的裂縫寬度時(shí)效分量要小于傳感器的可視精度0.01mm。因此,判定一階導(dǎo)數(shù)值為零,裂縫處于可正常工作狀態(tài)。傳感器J4-1的一階導(dǎo)數(shù)為負(fù),二階導(dǎo)數(shù)為正,處于收斂趨勢(shì),裂縫處于可正常工作狀態(tài)。傳感器J1-1、傳感器J2-1、傳感器J3-1、傳感器J5-1、傳感器J9-1的計(jì)算結(jié)果均呈現(xiàn)出不收斂,裂縫寬度的發(fā)展呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。由此可見(jiàn),該水利樞紐泄水閘門(mén)庫(kù)處的裂縫目前處于穩(wěn)定,后續(xù)應(yīng)保持持續(xù)監(jiān)測(cè)和分析,并著重關(guān)注溫度變化的影響,做好預(yù)防措施。

表3 裂縫統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算

4 結(jié) 論

本文在某水利樞紐的泄水閘裂縫發(fā)生處設(shè)置9組傳感器,分析了因常年在不利環(huán)境荷載作用下受溫度變化產(chǎn)生的裂縫變化規(guī)律。結(jié)論如下:

1)當(dāng)溫度上升時(shí),裂縫的寬度逐漸減小;溫度下降時(shí),裂縫的寬度增大。比較各變化因素對(duì)裂縫寬度的影響所占比例發(fā)現(xiàn),溫度的改變對(duì)裂縫的寬度影響最為顯著,影響比例在57%～85%范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可見(jiàn),溫度變化是造成裂縫發(fā)展的主要因素。

2)裂縫寬度的時(shí)效分量發(fā)展規(guī)律與日變幅的發(fā)展規(guī)律十分接近,當(dāng)裂縫的寬度增長(zhǎng)幅度較大時(shí),測(cè)點(diǎn)的時(shí)效分量變化趨勢(shì)就越顯著。后續(xù)應(yīng)保持持續(xù)監(jiān)測(cè)和分析,并著重關(guān)注溫度變化的影響,做好預(yù)防措施。