小型水閘加固技術(shù)及有限元分析

摘 要：為了提升小型水閘的安全性，本文進(jìn)行了閘體受力分析和加固技術(shù)研究。首先，確認(rèn)了水閘安全隱患是由上、下游水體施加的復(fù)合作用力導(dǎo)致的，并構(gòu)建了水閘閘體的受力分析模型，對上游水體和下游水體施加給水閘的水平作用力、垂直作用力和復(fù)合力分別進(jìn)行了計算公式推導(dǎo)。其次，針對水閘閘體的不安全狀況給出了具體的加固方案。最后，在有限元分析平臺下構(gòu)建了小型水閘模型，并進(jìn)行應(yīng)力分析和加固性能測試，證明了本文研究的有效性。

關(guān)鍵詞：水利工程；小型水閘；加固處理；有限元分析

中圖分類號：TV 66" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水利資源是蓄能發(fā)電、農(nóng)業(yè)灌溉、改善自然生態(tài)環(huán)境以及參與水空體系循環(huán)的重要資源，具有可再生、可循環(huán)利用的特點，是清潔的環(huán)保型能源[1]。為了加大水利資源的利用范圍，改革開放以來，我國興建了眾多水利工程項目。在水利工程中，水閘具有非常重要的地位。水閘可以阻擋水流、對水能進(jìn)行人為控制，還可以調(diào)節(jié)水位、調(diào)節(jié)流量，是水利工程中蓄能和泄洪的重要單元[2]。據(jù)統(tǒng)計，我國在江河湖泊和大型水庫等水利工程項目中的大中型水閘已經(jīng)超過7000座，小型水閘的數(shù)量更多[3]。需要注意的是，水閘在長期使用過程中會受沉積、風(fēng)化、侵蝕和滲流等危害的持續(xù)影響，面臨極大的安全風(fēng)險。一旦水閘出現(xiàn)強度降低甚至結(jié)構(gòu)破損現(xiàn)象，就無法正常發(fā)揮其功能和作用，必須進(jìn)行加固處理以提高其強度和安全性。本文將針對小型水閘的加固問題進(jìn)行技術(shù)性分析，并加固效果的有限元仿真驗證。

1 小型水閘的應(yīng)力分析

由于水閘自身體積較大、所受的水的持續(xù)沖擊力較大且不均衡以及閘體所在地基土壤土質(zhì)發(fā)生變化等，因此水閘在長時間的使用過程中會受各種不安全因素的影響。這些不確定因素最終導(dǎo)致各種應(yīng)力的出現(xiàn)和變化。為了提出有針對性的水閘加固方案，必須對水閘進(jìn)行應(yīng)力分析。

水閘的主要受力是上游和下游水壓力的不同導(dǎo)致的壓力差。從方向上看，水閘受力包括水平壓力和垂直壓力。因此水閘的受力包括4個維度，分別是水閘上游的水平壓力、水閘上游的垂直壓力、水閘下游的水平壓力和水閘下游的垂直壓力。這些壓力的計算又涉及諸多參數(shù)，包括對水閘起沖擊和擠壓作用的水的容量、來自水閘上游的水頭高度、來自水閘上游的水頭寬度、水閘閘門面板曲率半徑和來自水閘下游的水頭寬度。

2 小型水閘的加固方案

由上文分析可知，水閘在持續(xù)工作狀態(tài)下會受到來自上游和下游水體的各種力的作用，這些力的復(fù)合作用將轉(zhuǎn)變?yōu)樗l所承受的各種載荷。隨著水流涌動，這些載荷并不均衡，進(jìn)一步增加了水閘出現(xiàn)孔洞、裂隙、局部破損和閘體不穩(wěn)等問題的可能性，因此需要通過加固處理提升水閘性能。本文以小型水閘加固為例，來探討加固方案和可行性。

從國內(nèi)、外水閘加固經(jīng)驗來看，通常會用以下一種方法或同時采用幾種方法進(jìn)行加固。第一，對水閘進(jìn)行部分或整體重建；第二，在水閘外表面復(fù)合鋼筋混凝土等強度更高的材料，增加閘體的厚度；第三，在水閘外表面復(fù)合鋼質(zhì)材料，增加閘體的強度；第四，在水閘外表面復(fù)合纖維材料，進(jìn)行加固；第五，提前施加預(yù)應(yīng)力，進(jìn)行極限測試加固。

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（DL/T5057—2009）中的要求，預(yù)應(yīng)力混凝土閘體的混凝土強度等級不應(yīng)低于C30，錨塊和頸部等部位的混凝土強度等級不應(yīng)低于C40，根據(jù)混凝土強度檢測結(jié)果，溢洪道閘墻的混凝土強度推定為C10左右，牛腿混凝土強度推定為C15。對于抗壓強度如此低的閘體，本文認(rèn)為采用預(yù)應(yīng)力錨索加固方案不合適。采用預(yù)應(yīng)力加固，需要在門槽后閘體中間開孔進(jìn)行對拉，而閘體開孔、錨索鉆孔后將進(jìn)一步削弱閘體整體性，孔口部位也會出現(xiàn)較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，原有低強混凝土難免不被再次拉壞。另外，閘體牛腿上部為交通橋，梁底距離牛腿頂30cm左右，沒有空間進(jìn)行錨索布置與施工，因此預(yù)應(yīng)力閘體加固方案不適用本工程。由于閘墻混凝土強度太低，表面已經(jīng)碳化，因此很難保證纖維復(fù)合材料與閘體可靠錨固、粘結(jié)。根據(jù)目前閘室加固方案的基本要求的本工程實際情況，并參考國內(nèi)閘室加固實例，本文認(rèn)為不宜直接采用粘貼纖維復(fù)合材料加固技術(shù)解決閘體強度、牛腿拉描筋不足等問題，可將其作為一種補充手段。

綜上所述，經(jīng)過全面分析，根據(jù)閘室加固處理程度，設(shè)定小型水閘閘體加固方案，如圖1所示。

閘體裂縫會嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)的整體性，需要對裂縫進(jìn)行灌膠封閉處理。對于扇形鋼筋不足的混凝土閘體，需要提高閘體的配筋率，采用淺槽外粘條形鋼板的手段進(jìn)行加固。對于閘體混凝土開裂的情況，采用外貼碳纖維布的方法進(jìn)行補強。對于閘體表面，需要在老混凝土粘結(jié)強度高的聚合物水泥砂漿。這樣可以保持閘體原設(shè)計的設(shè)施布置體系，提高閘體的承載能力。淺槽外粘條形鋼板加固與外貼碳纖維布加固的優(yōu)點是施工方便、施工時間短和材料自重較輕，對施工空間和環(huán)境要求較低，加固后幾乎不會改變原結(jié)構(gòu)外觀形態(tài)，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的運行沒有影響。鋼板條與碳纖維布抗拉強度高，能夠與墩體緊密連接，有助于提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

3 小型水閘加固的有限元仿真分析

上文明確了小型水閘的安全風(fēng)險是由上、下游水體施加的復(fù)合作用力導(dǎo)致的，對水閘閘體進(jìn)行受力分析，進(jìn)而對水閘閘體的多種不安全情況給出了具體的加固方案。為了驗證這些加固方案是否能取得預(yù)期效果，進(jìn)一步采用有限元仿真分析手段進(jìn)行驗證。

本文構(gòu)建了小型水閘閘門和閘墩的整體仿真模型。根據(jù)有限元仿真工具的設(shè)定，小型水閘閘門共包括13220個小型微元，閘墩共包括54835個小型微元。這些微元的設(shè)定可以更清晰地展示整個閘體每個局部所受的應(yīng)力和產(chǎn)生的位移變化等。

在第一組試驗中，觀察在閘體自重和靜態(tài)水流的持續(xù)負(fù)荷作用下，閘門和閘墩所受的應(yīng)力變化，結(jié)果如圖2所示。

以圖2中的第一個值應(yīng)力為例，具有沖擊作用的水容量γ=100m3，水閘上游水頭高度HS=10m，水閘上游的水頭寬度BS=40m，來自水閘上游的水平壓力如公式（1）所示。

=100×10×10×40/2=200000 （1）

式中：PS為來自水閘上游的水平壓力；γ為水庫、河道中對水閘起到?jīng)_擊和擠壓作用的水的容量；HS為來自水閘上游的水頭高度；BS為來自水閘上游的水頭寬度。

又已知水閘閘門面板曲率半徑為R=11m，來自水閘上游的垂直壓力如公式（2）所示。

=100×11×11×40/2=242000 （2）

式中：VS為來自水閘上游的垂直壓力；R為水閘閘門面板曲率半徑。

又已知水閘下游水頭高度HX=8m，水閘下游的水頭寬度BX=20m，來自水閘下游的水平壓力如公式（3）所示。

=100×8×8×20/2=64000 （3）

式中：PX為來自水閘下游的水平壓力；HX為來自水閘下游的水頭高度；BX為來自水閘下游的水頭寬度。

又已知水閘閘門面板曲率半徑R=11m，來自水閘下游的垂直壓力如公式（4）所示。

=100×11×11×20/2=121000 （4）

式中：VX為來自水閘下游的垂直壓力。

進(jìn)一步可以得出水閘閘體所受整體壓力P，如公式（5）所示。

（5）

至此，可以得出圖2中第一個應(yīng)力值為1.820×106。其余云圖中的各個數(shù)據(jù)演算均如上述過程，不再一一贅述。

圖2中，不同色階及其分布層次反映了上、下游靜態(tài)水體施加給水閘的作用力的大小，同時也反映了水閘閘體各個部分所產(chǎn)生的應(yīng)力變化。由仿真軟件中的數(shù)據(jù)指示表可知，無論是閘門還是閘墩，其應(yīng)力均自上而下逐步增大，閘墩出現(xiàn)破壞的可能性更大。

在第二組試驗中，觀察在閘體自重和靜態(tài)水流的持續(xù)負(fù)荷作用下，閘門和閘墩所產(chǎn)生的垂直方向的位移變化，結(jié)果如圖3所示。

在圖3中，不同色階及其分布層次反映了在上、下游靜態(tài)水體的持續(xù)作用下，閘門和閘墩在垂直方向上產(chǎn)生的位移變化。其變化規(guī)律與應(yīng)力變化一致，也是自上而下逐步增大。如果垂直向的位移過大，就會導(dǎo)致整個閘體下陷，水閘無法有效控制水位。

針對小型水閘所受應(yīng)力和所產(chǎn)生變形的實際情況，需要進(jìn)行加固處理，避免出現(xiàn)安全問題。本文第一次加固采用了澆注補形加固的措施，加固后的水閘閘門應(yīng)力分布如圖4所示。

從圖4可以看出，經(jīng)過澆注補形加固后，閘門原有的孔洞、裂隙被有效修復(fù)，從而顯著提升了其承受外界載荷的性能。大部分區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力分布都比較均衡。但是右側(cè)出現(xiàn)了局部的應(yīng)力峰值區(qū)域。原因可能是局部水流沖擊力較集中。在這種情況下，本文進(jìn)行了表面加固處理，利用外貼鋼板和纖維布，進(jìn)一步增強閘門局部的承載能力。加固后的閘門應(yīng)力分布如圖5所示。

從圖5可以看出，經(jīng)過表面外貼鋼板和纖維布加固處理，整個閘門的應(yīng)力分布更均勻，應(yīng)力峰值區(qū)域顯著縮小，整個閘門具有更高的強度和安全性。

4 結(jié)論

在水利工程中，水閘具有非常重要的地位。水閘可以阻擋水流、對水能進(jìn)行人為控制，同時還可以調(diào)節(jié)水位、調(diào)節(jié)流量。但是，水閘在長期使用過程中會受沉積、風(fēng)化、侵蝕和滲流等危害的持續(xù)影響，面臨極大的安全風(fēng)險。為了提升水閘的安全性，需要對水閘采取有效的加固處理。本文首先從力學(xué)的角度對水閘進(jìn)行受力分析，從而明確了其安全隱患的理論依據(jù)。其次，從多個角度給出了水閘加固方案。在有限元仿真環(huán)境下，設(shè)定了水閘閘體模型、應(yīng)力分布條件。仿真結(jié)果證實了本文理論分析和閘體加固處理技術(shù)的有效性。

參考文獻(xiàn)

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