河道水閘閘墩裂痕的成因與防治方法研究

郭 萍

(安徽省亳州市譙城區(qū)水利局,安徽 亳州 236800)

0 引 言

隨著河道水閘工程的長(zhǎng)期使用和環(huán)境的變化,水閘閘墩逐漸出現(xiàn)裂痕是較為常見(jiàn)的現(xiàn)象[1]。因此,研究水閘閘墩裂痕的成因,探索裂痕的防治方法,對(duì)于提高水閘工程的質(zhì)量和安全性具有重要意義[2]。

有限元分析是常用的研究水閘閘墩裂痕的方法,通過(guò)建立合適的數(shù)學(xué)模型和邊界條件,預(yù)測(cè)閘墩的裂痕形成位置和程度。在水閘閘墩裂痕研究中,采用有限元分析和合理的冷凝管澆筑時(shí)間間隔等方法,可以有效預(yù)防和控制水閘閘墩裂痕的發(fā)生,為水閘工程的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

本文在有限元分析的基礎(chǔ)上,分析閘墩澆筑時(shí)間間隔與冷凝管設(shè)置對(duì)閘墩防裂的作用。本次研究的創(chuàng)新點(diǎn)為在建立閘墩有限元模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行溫度應(yīng)力和冷凝管試驗(yàn),冷凝管可以控制閘墩的溫度變化速度,減小溫度應(yīng)力產(chǎn)生的可能性,同時(shí)分析澆筑時(shí)間間隔與閘墩溫度應(yīng)力的關(guān)系,并制定相應(yīng)的措施。

1 水閘閘墩裂痕成因及防裂方法分析

1.1 工程概況

研究對(duì)象為安徽省某水庫(kù)某段上的水閘工程。該水庫(kù)建于2001-2005年,庫(kù)區(qū)流域面積為15 365km2,水庫(kù)樞紐工程主壩長(zhǎng)5 200m,副壩長(zhǎng)3 500m,最大壩高23m,總庫(kù)容5.12×108m3,其水閘工程由閘門(mén)、閘墩、溢流堰、導(dǎo)流設(shè)施組成。其中,閘門(mén)是水閘的核心部分,用于打開(kāi)或關(guān)閉水流通道;閘墩是支撐和固定閘門(mén)的結(jié)構(gòu),為混凝土澆筑;溢流堰用于調(diào)節(jié)和控制水位,以防止水流過(guò)高或過(guò)低;導(dǎo)流設(shè)施用于將水流引導(dǎo)到正確的通道或閘門(mén),以便進(jìn)行控制。目前,在水閘閘墩中已發(fā)現(xiàn)裂痕和滲漏問(wèn)題,亟需整治。

河道水閘工程的建設(shè)步驟通常包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)維管理[3]。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段主要包括對(duì)河道水閘的選址、規(guī)模、功能和技術(shù)方案等進(jìn)行研究和確定。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段,需要考慮河道水閘的功能需求,如調(diào)節(jié)水位、控制洪水、供水和航運(yùn)等,同時(shí)還需要考慮周邊環(huán)境和生態(tài)因素。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的工作還包括制定施工圖紙和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),以及進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估。施工建設(shè)階段主要包括土建施工和設(shè)備安裝等。土建施工包括水閘閘墩、閘門(mén)和溢洪道等建筑物的施工;設(shè)備安裝包括安裝水閘控制系統(tǒng)、電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備等。施工建設(shè)階段需要按照設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工,并進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和安全監(jiān)控。運(yùn)維管理階段主要包括水閘的日常運(yùn)行和維護(hù)管理。水閘的運(yùn)維管理包括定期巡視檢查、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、水位調(diào)節(jié)和閘門(mén)操作等。此外,還需要進(jìn)行水文監(jiān)測(cè)和水資源管理,保障水閘的正常運(yùn)行和安全性。

水閘可以調(diào)節(jié)河道水位,平衡水資源供需,防止洪水災(zāi)害和干旱災(zāi)害的發(fā)生,提供安全的航運(yùn)條件,同時(shí)還可以保護(hù)河道生態(tài)環(huán)境和水生物的生存[4],河道水閘工程的建設(shè)對(duì)水資源合理利用和水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。安徽省作為長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成部分,長(zhǎng)江和淮河自西向東貫穿全境,長(zhǎng)江在境內(nèi)全長(zhǎng)約416km;淮河從安徽北部流經(jīng),在境內(nèi)全長(zhǎng)430km;境內(nèi)河湖縱橫,巢湖面積近800km2。因此,水閘工程的建設(shè)可以提高水資源的利用效率,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定[5]。

1.2 河道水閘閘墩裂痕的成因分析及防裂措施探討

河道水閘閘墩在運(yùn)行過(guò)程中,受到外界溫度的影響,溫度的變化會(huì)引起閘墩的膨脹或收縮,從而產(chǎn)生應(yīng)力[6]。當(dāng)溫度變化較大時(shí),閘墩會(huì)受到較大的應(yīng)力,導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。在溫暖季節(jié),陽(yáng)光直射閘墩表面,使其受熱膨脹,產(chǎn)生熱應(yīng)力[7];在寒冷季節(jié),閘墩受冷卻作用收縮,產(chǎn)生冷應(yīng)力。這種溫度變化引起的應(yīng)力,如果超過(guò)閘墩的承受能力,就可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生[8]。圖1為某閘墩施工完成時(shí)截面溫度等值線分布圖。

由圖1可知,閘墩的溫度分布呈現(xiàn)出內(nèi)部溫度高、表面溫度低、由表及里溫度逐漸升高的規(guī)律,且閘墩的內(nèi)外最高溫差為34℃,溫差明顯。其原因?yàn)楹拥浪l長(zhǎng)期處于室外環(huán)境,而室外環(huán)境的溫差變化較大,白天受陽(yáng)光直射,閘墩受到較高的外界溫度影響;夜晚溫度較低時(shí),閘墩開(kāi)始散熱,表面溫度低于閘墩內(nèi)部溫度。此外,河道水閘通常用于調(diào)節(jié)水流,當(dāng)白天水體溫度較高時(shí),閘墩受到來(lái)自水體的輻射熱影響開(kāi)始吸熱;夜間水體溫度較低時(shí),則會(huì)對(duì)閘墩產(chǎn)生冷卻效應(yīng),而混凝土表面的散熱作用快于內(nèi)部,因此出現(xiàn)隨著溫度下降而帶來(lái)的閘墩內(nèi)部溫度高于表面溫度的情況。這種閘墩內(nèi)外溫差大,導(dǎo)致閘墩內(nèi)外不同部位的熱脹冷縮不一致,從而引起內(nèi)部應(yīng)力的累積和釋放,導(dǎo)致閘墩結(jié)構(gòu)的變形或裂縫的產(chǎn)生。

底板與閘墩的澆筑時(shí)間間隔,是閘墩裂縫的另一個(gè)重要影響因素。底板與閘墩的澆筑時(shí)間間隔不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致底板和閘墩在硬化過(guò)程中的溫度差異。當(dāng)溫度差異較大時(shí),產(chǎn)生熱應(yīng)力,引起閘墩的裂縫。此外,底板與閘墩在澆筑后,隨著硬化過(guò)程發(fā)生膨脹。如果底板與閘墩的澆筑時(shí)間間隔不當(dāng),底板的膨脹會(huì)導(dǎo)致位移差異,從而對(duì)閘墩施加不均勻的應(yīng)力,可能引起裂縫。如果底板與閘墩的澆筑時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致底板與閘墩之間存在空隙或界面不牢固,引起應(yīng)力集中,從而增加了閘墩出現(xiàn)裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述,溫度變化引起的應(yīng)力問(wèn)題以及底板與閘墩澆筑時(shí)間間隔,是導(dǎo)致河道水閘閘墩產(chǎn)生裂痕的兩個(gè)重要原因。因此,研究采用有限元模擬分析,計(jì)算溫度應(yīng)力場(chǎng)對(duì)水閘應(yīng)力場(chǎng)的影響變化。有限元分析的控制方程如下:

(1)

式中:λ為熱傳導(dǎo)系數(shù);c為比熱容;x、y、z為位置參數(shù);p為密度;T為初始瞬態(tài)時(shí)間。

有限元分析是一種常用的數(shù)值模擬方法,可以用于研究水閘閘墩裂痕的成因和分析裂痕對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[9-10]。有限元分析將閘墩結(jié)構(gòu)劃分為許多小的有限元單元,通過(guò)求解節(jié)點(diǎn)上的位移和應(yīng)力等參數(shù),得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。

水熱化作為閘墩應(yīng)力影響因素之一,其計(jì)算公式如下:

Q(t)=Qn(1-e-atb)

(2)

式中:Q(t) 為單位混凝土水熱化;Qn為單位混凝土的最終水熱化形態(tài);a、b為常數(shù),取值分別為0.69和0.56;t為時(shí)間。

通過(guò)分析模擬結(jié)果,可以評(píng)估水閘閘墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,并找出可能導(dǎo)致裂痕形成的原因。同時(shí),有限元分析還可以用于優(yōu)化閘墩的設(shè)計(jì),改善結(jié)構(gòu)的受力情況,減少裂痕的發(fā)生。圖2為閘墩有限元模型。

圖2 閘墩有限元模型

通過(guò)建立閘墩的數(shù)學(xué)模型,模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的受力情況,預(yù)測(cè)閘墩的應(yīng)力和變形情況,從而評(píng)估閘墩的安全性和穩(wěn)定性,并判斷是否存在裂紋的可能性,進(jìn)而采取相應(yīng)的加固措施。其工作原理為:對(duì)閘墩進(jìn)行建模和分析,將閘墩抽象為網(wǎng)格,每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表實(shí)際結(jié)構(gòu)中的一個(gè)位置,并計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的力和位移來(lái)分析結(jié)構(gòu)。根據(jù)定義的材料特性和溫度條件,進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析,計(jì)算出閘墩在不同溫度下的溫度分布情況,并根據(jù)閘墩的溫度分布情況和材料的力學(xué)特性,進(jìn)行熱應(yīng)力分析,計(jì)算出閘墩在不同溫度下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分析閘墩的應(yīng)力分布情況,評(píng)估其是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果發(fā)現(xiàn)應(yīng)力過(guò)高或存在應(yīng)力集中的情況,則需要采取相應(yīng)的加固措施。

2 水閘閘墩裂痕防治方法的應(yīng)用效果分析

2.1 閘墩澆筑時(shí)間間隔控制在裂痕防治中的作用

為了驗(yàn)證閘墩澆筑時(shí)間間隔對(duì)閘墩裂痕的影響,在有限元模型中,設(shè)定1、3、7、14、30和100d的6種施工間隔時(shí)間,用來(lái)模擬底板和閘墩的拉應(yīng)力變化。結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同施工間隔下底板和閘墩最大拉應(yīng)力

由圖3可知,間隔為1d的最大拉應(yīng)力為0.0～2.3MPa;第7天時(shí)最大拉應(yīng)力為1.1MPa;第14天時(shí)最大拉應(yīng)力增加了1.2MPa。而施工間隔為3d時(shí),底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了2.9MPa;施工間隔為7d時(shí),底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了3.3MPa;施工間隔為14d時(shí),底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了3.6MPa;施工間隔為30d時(shí),底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了3.7MPa;施工間隔為100d時(shí),底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了4.7MPa。

由此可以推斷,隨著施工間隔的增加,底板和閘墩的最大拉應(yīng)力呈遞增趨勢(shì),更容易產(chǎn)生裂縫。因此,為了避免水閘裂縫的產(chǎn)生,應(yīng)盡量控制閘墩的澆筑時(shí)間間隔,確保底板與閘墩的施工質(zhì)量一致,降低閘墩出現(xiàn)裂縫的風(fēng)險(xiǎn),從而提高閘墩的穩(wěn)定性和安全性。

將有限元模擬結(jié)果與實(shí)際場(chǎng)地觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)次數(shù)選為140次,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同澆筑時(shí)間間隔下閘墩最大拉應(yīng)力的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值對(duì)比圖

由圖4可知,當(dāng)澆筑時(shí)間間隔為1d時(shí),最大拉應(yīng)力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為90%;當(dāng)澆筑時(shí)間間隔為3d時(shí),最大拉應(yīng)力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為93%;當(dāng)澆筑時(shí)間間隔為7d時(shí),最大拉應(yīng)力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為84%;當(dāng)澆筑時(shí)間間隔為14d時(shí),最大拉應(yīng)力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為85%;當(dāng)澆筑時(shí)間間隔為30d時(shí),最大拉應(yīng)力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為89%;當(dāng)澆筑時(shí)間間隔為100d時(shí),最大拉應(yīng)力的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為92%。而且隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加,預(yù)測(cè)值越接近于真實(shí)值,表明底板與閘墩的澆筑時(shí)間越長(zhǎng),越容易導(dǎo)致閘墩裂痕的產(chǎn)生。因此,合理控制閘墩與底板之間的澆筑時(shí)間間隔是防治閘墩裂痕的重要措施之一。

2.2 設(shè)置冷凝管在裂痕防治中的作用

在閘墩內(nèi)外溫差大產(chǎn)生的熱應(yīng)力下,閘墩易產(chǎn)生裂痕,因此控制閘墩內(nèi)外溫差是防治閘墩裂痕的重要措施。研究在有限元模型的基礎(chǔ)上,在閘墩內(nèi)部鋪設(shè)冷凝管,將閘墩內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)至冷凝管中,然后通過(guò)冷卻介質(zhì)的冷卻作用將熱量散發(fā)出去,從而降低閘墩的溫度。試驗(yàn)對(duì)設(shè)置冷凝管與未設(shè)置冷凝管的閘墩應(yīng)力與溫度變化進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 設(shè)置冷凝管前后最大應(yīng)力與溫差變化圖

由圖5(a) 可知,閘墩應(yīng)力在第5天左右發(fā)生下降情況。其中,設(shè)置冷凝管的閘墩在第5天的最大應(yīng)力,相較于設(shè)置前的最大應(yīng)力減少100 kPa,在35天內(nèi)的最大應(yīng)力平均減少90～100kPa,表明設(shè)置冷凝管后可有效減少閘墩內(nèi)部的最大應(yīng)力值。由圖5(b)可知,隨著天數(shù)的增加,閘墩內(nèi)部的溫差值呈增加趨勢(shì),且相較于設(shè)置冷凝管前,閘墩的最大溫差值明顯減小。在第14天時(shí),設(shè)置冷凝管的閘墩相較于未設(shè)置冷凝管的閘墩的最大溫差值減少15 ℃,且隨著天數(shù)的增加,最大溫差減少值同樣呈增加趨勢(shì)。因此,設(shè)置冷凝管可以有效控制閘墩內(nèi)外的溫差值,避免因冷縮熱脹而帶來(lái)較大的應(yīng)力變化,防止河道閘墩產(chǎn)生裂縫。

為了驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確度,對(duì)有限元模擬結(jié)果與實(shí)際場(chǎng)地觀測(cè)數(shù)據(jù),即設(shè)置冷凝管試驗(yàn)的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 設(shè)置冷凝管前后閘墩最大拉應(yīng)力與最大溫差值的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值對(duì)比圖

由圖6可知,冷凝管設(shè)置前后最大應(yīng)力變化的預(yù)測(cè)精度平均值為87.2%,冷凝管設(shè)置前后最大溫差變化的預(yù)測(cè)精度平均值為87.9%,且隨著試驗(yàn)天數(shù)的增加,最大應(yīng)力預(yù)測(cè)精度與最大溫差預(yù)測(cè)精度均保持在85%以上。表明本次試驗(yàn)的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值相匹配,驗(yàn)證了冷凝管的敷設(shè)有利于河道閘墩對(duì)裂縫的防治。

敷設(shè)冷凝管后,當(dāng)閘墩內(nèi)部溫度升高時(shí),熱量通過(guò)冷凝管傳導(dǎo)至冷卻介質(zhì)中,然后被冷卻介質(zhì)帶走,從而降低閘墩的溫度。通過(guò)使用冷凝管,可以有效控制閘墩內(nèi)外溫差,減少溫度應(yīng)力的產(chǎn)生,從而降低閘墩裂痕的風(fēng)險(xiǎn)。由此可知,冷凝管在閘墩溫差控制中起到重要作用,能夠有效降低溫度應(yīng)力,減少閘墩裂痕的發(fā)生,保證閘墩的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié) 論

針對(duì)河道水閘閘墩裂縫問(wèn)題亟待解決的現(xiàn)狀,本文提出利用有限元模型進(jìn)行建模,從閘墩內(nèi)外溫差和閘墩澆筑時(shí)間間隔兩方面出發(fā),尋找閘墩防裂的有效防治方案。結(jié)果顯示,澆筑間隔為1天的閘墩最大拉應(yīng)力為0.0～2.3MPa,至間隔14天時(shí)最大拉應(yīng)力增加了1.2MPa,表明澆筑間隔時(shí)間越長(zhǎng),閘墩產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)越大。在解決閘墩溫差方面,設(shè)置冷凝管的閘墩第5天的最大應(yīng)力相較于設(shè)置前的最大應(yīng)力減少了100kPa,表明隨著天數(shù)的增加,設(shè)置冷凝管后的閘墩最大溫差值明顯減小。因此,減少澆筑時(shí)間間隔和設(shè)置冷凝管可以有效防止河道水閘閘墩裂痕問(wèn)題。