壓板式止水工藝的有限元分析

郭海亮，焦康，譚星舟，周志勇

（1.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司河北分公司，河北 家莊 050035；2.武漢巨成結(jié)構(gòu)集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430233）

0 引言

渡槽是輸送水流跨越河渠、道路、山溝等的架空輸水建筑物，是渠系建筑物中應(yīng)用最廣的交叉建筑物之一，除用于輸送渠水進(jìn)行農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)生活用水、工業(yè)用水、跨流域輸水外，還可提供排水和導(dǎo)流之用。南水北調(diào)中線工程的渡槽屬于特大型渡槽，多為混凝土結(jié)構(gòu)。為了防止因?yàn)闇囟茸兓暗鼗痪鶆虺两祵?duì)渡槽結(jié)構(gòu)的不利影響，渡槽設(shè)計(jì)中，每隔一定距離都要設(shè)置變形縫，渡槽的變形縫通常就是伸縮縫或沉降縫。渡槽伸縮縫采用各種形式的止水帶止水，防止漏水[1，2]。

渡槽伸縮縫一旦漏水，后果將十分嚴(yán)重，不僅影響渡槽結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，同時(shí)造成水資源的巨大浪費(fèi)。伸縮縫漏水是渡槽防滲工程產(chǎn)生病害的第一發(fā)生點(diǎn)，從伸縮縫滲漏而出的水不僅引起混凝土鋼筋銹蝕和凍脹破壞，影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久性與使用年限，而且使得地基土體處于飽和狀態(tài)，引起不均勻沉陷，導(dǎo)致渡槽結(jié)構(gòu)傾斜、甚至坍陷破壞[3]。為保證南水北調(diào)中線工程超大型渡槽的正常使用，延長(zhǎng)渡槽使用壽命，對(duì)南水北調(diào)中線工程伸縮縫的止水方案和止水施工工藝進(jìn)行研究，是十分必要的。

1 壓板式止水工藝

南水北調(diào)中線工程的湍河渡槽、嚴(yán)陵河渡槽、草墩河渡槽、刁河渡槽、十二里渡槽、大郎河梁式渡槽、雙洎河支渡槽槽身段、沙河梁式渡槽、滏陽(yáng)河渡槽、牛亡牛河南支渡槽、洛河渡槽及午河渡槽均采用壓板式止水結(jié)構(gòu)[4-6]。 壓板式止水結(jié)構(gòu)工藝見圖1[7]。具體工序流程如下。

圖1 壓板式止水工藝示意圖

1）澆筑混凝土渡槽時(shí)，在伸縮縫兩側(cè)各埋置一排預(yù)埋件，或在澆筑好的渡槽伸縮縫兩側(cè)各打入一排錨桿。

2）在伸縮縫處填充原裝進(jìn)口聚氨酯耐霉菌性密封膠。

3）用壓縮空氣對(duì)找平后的基礎(chǔ)面和伸縮縫內(nèi)表面進(jìn)行吹凈處理，并用丙酮（或酒精）擦凈基面，涂界面劑。

4）對(duì)止水槽基面采用聚合物復(fù)合韌型環(huán)氧砂漿進(jìn)行找平處理，折角部位增加厚度形成弧狀，聚合物復(fù)合韌型環(huán)氧砂漿找平厚度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)平整度控制。

5）采用U 型橡膠止水帶，厚10 mm，沿結(jié)構(gòu)縫通長(zhǎng)鋪設(shè)，事先在U 型止水帶上打孔，孔的大小和間距與止水槽內(nèi)螺栓的尺寸及間距相符；止水帶壓板采用等邊角鋼，規(guī)格為50 mm×50 mm×4 mm（寬×高×厚），加工前先在角鋼長(zhǎng)邊翼緣一側(cè)鉆孔，孔距及孔徑與螺栓尺寸及間距相符。

6）在止水槽基面刷環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，膠層厚不小于3 mm，要求涂抹均勻且平整，待基面刷完環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠后鋪設(shè)U 型止水帶，并逐段壓實(shí)，止水帶兩側(cè)應(yīng)有膠體溢出。

7）在U 型止水帶上表面刷環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠，在拐角部位對(duì)壓板適當(dāng)加工切角，使壓板貼合緊密；在螺帽和壓板之間設(shè)置彈簧墊圈，調(diào)整定位后擰緊；螺帽以上緊為準(zhǔn)，原則上預(yù)緊力為800 N；螺栓外露部分采用塑料套保護(hù)。

8）安裝完U 型止水帶后，鼻子上部填充閉孔泡沫板，然后采用丙乳砂漿將止水槽封填，然后在伸縮縫處同樣用丙酮（或酒精）擦凈基面，涂界面劑，填充寬4 cm、厚2 cm 的原裝進(jìn)口聚氨酯耐霉菌性密封膠。

9）止水帶施工完畢后，在混凝土基面附加網(wǎng)格布一層，并涂刷有機(jī)硅烷丙烯酸復(fù)合涂料進(jìn)行伸縮縫混凝土后澆帶防滲處理，處理范圍為后澆帶至兩側(cè)各1.00 m，厚2 mm。壓板式止水結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 有限元分析

壓板式止水是將止水橡膠帶用扁鋼通過(guò)螺栓壓緊在接縫處，臨水面用砂漿防護(hù)，該類止水效果受緊固面平整度與緊固力大小的影響。結(jié)合當(dāng)前南水北調(diào)中線工程渡槽各類止水失效的工程案例來(lái)看，主要原因還是止水帶安裝過(guò)程中沒有壓緊。特別是矩形斷面渡槽的內(nèi)折角部位，以及U形斷面渡槽，止水帶要彎折成直角或一定的弧度才能與結(jié)構(gòu)面緊密貼合，在這些部位，要把止水帶壓緊、壓密實(shí)非常困難。

為了保證止水帶壓緊、壓密實(shí)，針對(duì)已建成的渡槽結(jié)構(gòu)縫止水安裝及修復(fù)情況，采用數(shù)值計(jì)算的方式進(jìn)行模擬分析，包括錨栓的間距、錨栓預(yù)緊力大小、鋼壓板形式及鋼壓板厚度。

2.1 計(jì)算模型

止水帶的U 形槽對(duì)止水帶壓緊效果影響較小，故有限元模型將止水帶簡(jiǎn)化為圖2 所示結(jié)構(gòu)：混凝土基底長(zhǎng)度為1.50 m，寬度為0.20 m，高度為0.20 m；止水帶長(zhǎng)度為1.20 m，寬度為0.09 m；錨桿埋深0.10 m。

圖2 止水帶模型

混凝土基底材料為C30 混凝土，不考慮其開裂和塑性；鋼壓板材料為Q235，止水帶材料為硫化橡膠，采用線彈性本構(gòu)模型，材料屬性見表1。

表1 材料屬性

2.2 預(yù)緊力

調(diào)研南水北調(diào)中線各渡槽止水帶中螺栓的預(yù)緊力后，選取預(yù)緊力為400，600 和800 N 的止水帶進(jìn)行有限元計(jì)算，螺栓布置見圖3，不同預(yù)緊力止水帶的有限元計(jì)算結(jié)果見表2，受力對(duì)稱，取部分止水帶的壓應(yīng)力云圖見圖4，止水帶壓應(yīng)力和受壓變形為負(fù)。

表2 不同預(yù)緊力止水帶有限元計(jì)算結(jié)果

圖3 螺栓布置圖

圖4 不同預(yù)緊力止水帶的壓應(yīng)力云圖

圖3 中螺栓位置止水帶壓應(yīng)力最大，螺栓間跨中位置和懸臂位置應(yīng)力最小，為止水帶壓緊止水薄弱點(diǎn)，故重點(diǎn)研究跨中位置應(yīng)力和懸臂位置應(yīng)力。表2 中，預(yù)緊力和止水帶上跨中應(yīng)力、懸臂應(yīng)力近似成線性關(guān)系；圖4 中，400，600 和800 N 的應(yīng)力分布基本一致，僅大小不同，故預(yù)緊力越大，壓緊效果越好，但不宜施加過(guò)大預(yù)緊力以防止水帶發(fā)生塑性變形。預(yù)緊力應(yīng)使橡膠止水帶上壓應(yīng)力大于槽底水壓力，經(jīng)過(guò)調(diào)研，南水北調(diào)中線工程渡槽中水深基本小于6.00 m（60 kPa），跨中應(yīng)力和懸臂應(yīng)力均應(yīng)大于60 kPa，故錨栓預(yù)緊力宜大于等于800 N。建議預(yù)緊力大小采用800～1 200 N，該范圍的預(yù)緊力不會(huì)使止水帶發(fā)生塑性變形。

2.3 螺栓間距和鋼壓板形式

調(diào)研南水北調(diào)中線各渡槽止水帶中螺栓的間距主要為100～200 mm，故選取100，130，150，180和200 mm 等5 種螺桿間距，同時(shí)選用等邊角鋼50 mm×50 mm×4 mm、不等邊角鋼50 mm×32 mm×4 mm 和8 mm 厚鋼板3 種鋼壓板止水帶進(jìn)行有限元計(jì)算，預(yù)緊力取800 N，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同螺栓間距3 種鋼壓板止水帶有限元計(jì)算結(jié)果

表3 中，相同螺栓間距的等邊角鋼與不等邊角鋼止水帶的跨中應(yīng)力和懸臂應(yīng)力差距較小，兩種鋼壓板的壓緊效果較為接近，而薄鋼板止水帶的跨中應(yīng)力和懸臂應(yīng)力明顯小于前兩者，壓緊效果最差。

表3 中，同種壓鋼條止水帶螺栓間距越短，鋼壓板懸臂長(zhǎng)度越短，止水帶相應(yīng)位置應(yīng)變和變形越大，壓緊效果越好。橡膠止水帶上壓應(yīng)力應(yīng)大于槽底水壓力，跨中應(yīng)力和懸臂應(yīng)力均應(yīng)大于60 kPa，故等邊角鋼和不等邊角鋼鋼壓板的螺栓間距不宜大于200 mm，薄鋼板鋼壓板的螺栓間距不宜大于180 mm；等邊角鋼和不等邊角鋼鋼壓板的懸臂長(zhǎng)度不宜大于80 mm，薄鋼板鋼壓板的懸臂長(zhǎng)度不宜大于60 mm。結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，等邊角鋼的壓緊效果最好，建議采用等邊角鋼作為壓鋼條，螺栓間距采用150 mm，懸臂長(zhǎng)度采用75 mm。

2.4 鋼壓板厚度

調(diào)研南水北調(diào)中線各渡槽止水帶中壓鋼條的厚度，選用4 種不同規(guī)格等邊角鋼、3 種不同厚度鋼板、2 種規(guī)格不等邊角鋼作為鋼壓板進(jìn)行止水帶有限元計(jì)算，懸臂長(zhǎng)度取75 mm，間距為150 mm，不同厚度鋼壓板止水帶的有限元計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同厚度鋼壓板止水帶有限元計(jì)算結(jié)果

表4 中，鋼壓板厚度越大，壓緊效果越好。50×50×4 角鋼止水帶的跨中應(yīng)力和懸臂應(yīng)力明顯大于50×50×3 角鋼止水帶，但與50×50×5 角鋼和50×50×6 角鋼止水帶差距較?。?0×32×4 角鋼止水帶的跨中應(yīng)力和懸臂應(yīng)力明顯大于50×32×3 角鋼止水帶；8 mm 鋼板止水帶的跨中應(yīng)力和懸臂應(yīng)力遠(yuǎn)大于6 mm 鋼板止水帶，但與10 mm 鋼板止水帶差距較小。故鋼壓板較薄時(shí)，鋼壓板厚度對(duì)壓緊效果影響較大，但鋼壓板超過(guò)一定厚度后，鋼壓板厚度對(duì)壓緊效果影響明顯降低，薄鋼板鋼壓板厚度不宜小于8 mm，角鋼壓板厚度不宜小于4 mm。采用等邊角鋼作為鋼壓板時(shí)，根據(jù)角鋼壓緊效果及經(jīng)濟(jì)性，建議采用角鋼50×50×4 作為鋼壓板。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依據(jù)南水北調(diào)中線工程各段渡槽的止水結(jié)構(gòu)形式，對(duì)壓板式止水工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的整理；結(jié)合有限元模擬結(jié)果和經(jīng)濟(jì)性等因素考慮，確定了壓板式止水結(jié)構(gòu)的理論最優(yōu)方案。后續(xù)可在本研究成果為基礎(chǔ)上開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為工程應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。研究成果對(duì)大型渡槽伸縮縫的止水修復(fù)有指導(dǎo)意義，有利于延長(zhǎng)渡槽使用壽命，社會(huì)效益顯著。