基于結(jié)構(gòu)有限元分析的水閘健康監(jiān)測及除險加固設(shè)計研究

呂 游,孟凡一

(北京市京密引水管理處,北京 101400)

0 引 言

水閘工程設(shè)施在防洪、航運(yùn)、灌溉和排澇等工作中起著巨大的作用,保障其工程建設(shè)的穩(wěn)定性關(guān)系著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然生態(tài)的平衡,同時加強(qiáng)水利設(shè)施運(yùn)維的有效性,能夠提高水資源的利用效率。作為工程結(jié)構(gòu)的普遍問題,結(jié)構(gòu)裂縫影響到混凝土的耐久性和安全性[1]。水閘作為水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,其閘墩在澆筑后常出現(xiàn)裂縫情況,增加了滲漏風(fēng)險。導(dǎo)致水閘閘墩裂縫問題的因素眾多,如溫度收縮應(yīng)力、混凝土體積變形等,水閘裂縫會直接影響其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性,因此加強(qiáng)對水工結(jié)構(gòu)的病險健康檢測具有重要意義。

為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。劉永強(qiáng)等[2]為了提高水閘工程施工安全管理的效率,提出了基于BIM技術(shù)和數(shù)據(jù)庫的大型水閘工程施工危險源自動辨識方法,對危險源進(jìn)行了快速識別。結(jié)果表明,該方法不僅能夠有效提高水閘工程施工安全管理的效率,還有利于排除施工的危險源,保障大型水閘工程的施工安全。雷恒等[3]針對嚴(yán)峻的水庫安全問題,對壩體溢流壩段的混凝土進(jìn)行了加固,并疏通壩基堵塞。結(jié)果表明,加固后的水壩在汛期能夠保障各建筑物的安全問題,降低了極端天氣帶來的安全隱患。常見的水閘結(jié)構(gòu)分析是基于底板和閘墩查表數(shù)據(jù)或材料力學(xué)特性來進(jìn)行計算,難以較好展現(xiàn)和考慮水利結(jié)構(gòu)的整體性,計算量繁重,精度效果表現(xiàn)不佳。為了計算南疆塔里木河流域水庫潰壩概率,林佳奕等[4]利用事故樹法和主成分分析法展開了計算。結(jié)果表明,該方法能夠?qū)胃怕蔬M(jìn)行有效計算,利于水庫的安全管理。YANG等[5]以江蘇北部水閘為研究對象,借助孔徑雷達(dá)手段,對水閘位移變形情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,該方法與水準(zhǔn)測量結(jié)果之間具有較好的一致性。

本文以某水閘工程閘墩為研究對象,基于健康監(jiān)測數(shù)據(jù),對其裂縫產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,并借助有限元結(jié)構(gòu)分析軟件,對其加固設(shè)計后的成效進(jìn)行分析。

1 水閘健康監(jiān)測及除險加固設(shè)計研究

1.1 水閘工程基本概況及水力計算

研究所選水閘位于北京市北運(yùn)河流域內(nèi),水閘流域面積超過4 000km2,主要承擔(dān)城區(qū)超過90%的排水排洪任務(wù)。該水閘流域區(qū)域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),冬夏季節(jié)氣溫變化較大,平均風(fēng)速3.0～3.5m/s,年平均降雨量超過500mm,降雨情況在年際變化上較為明顯,主要汛期降水量多集中在6-9月份。該水閘位于北運(yùn)河下游,為開敞式閘室結(jié)構(gòu)的控制性攔河建筑物,主要承擔(dān)著正常滯留雨水、下泄洪峰等重要任務(wù)。該水閘為平地板水閘,過閘落差較小,不超過0.3m,水閘設(shè)計流量30m3/s,閘室底板較厚,且閘室下為黏性回填土。該水閘工程部分的土體類型有輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、重粉質(zhì)砂壤土和中砂,地層分布連續(xù)穩(wěn)定,且不同層的含水量均超過10% ,相對密度均在3以內(nèi)。土體各單元分別對應(yīng)的地基承載力為120、100、80、130、140、180kPa。其中,輕粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)砂壤土的孔隙比分別為0.831、0.854、1.041、0.68。閘基現(xiàn)狀基本穩(wěn)定,且勘測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)該工程地下水高程大于64m。表1為閘下地質(zhì)土層參數(shù)情況。

研究依據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2016)確定群力閘工程等級為三級,對應(yīng)的洪水標(biāo)準(zhǔn)為30～20年標(biāo)準(zhǔn),其閘室結(jié)構(gòu)為筏式,中墩和縫墩厚度分別為2.0和1.5m,閘室總寬大于300m。研究對設(shè)計流量下的水位進(jìn)行過流能力計算,其中堰上水深公式如下[6]:

式中:Q為過閘流量,m3/s;B0為閘孔總凈寬,m;μ0為堰流綜合流量系數(shù);hs為下游水深,m,H0為堰上水深,m;g為重力加速度,m/s2。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果可知,閘墩下游部分裂縫角度呈下斜45°,斜向發(fā)展紋理明顯,鉆孔過程中有白色滲出物產(chǎn)生。分析可知,溫度變化以及地基沉降是導(dǎo)致該水閘產(chǎn)生開裂的主要原因。該水閘工程在完建后3個月內(nèi),其閘門槽部分出現(xiàn)裂縫情況,對其進(jìn)行處理后仍發(fā)現(xiàn)存在擴(kuò)展情況。

水閘底板多與閘墩相連,其受力結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,底板尺寸、彈性模量、荷載情況等因素都會對其造成影響,且與地基變形也具有較大的關(guān)系。常用的水閘底板為平底式,其尺寸厚度小于平面。水閘作為擋水建筑物,其閘門前后存在一定的水位差,底板則存在水自重帶來的壓力差和建筑的上下結(jié)構(gòu)荷載。因此,底板與閘墩在水流在同一流動方向時的剛度較大,而在垂直部分則主要體現(xiàn)在抗彎曲變形上。研究借助倒置梁法進(jìn)行內(nèi)力計算,該方法對地基反力進(jìn)行預(yù)設(shè),并以單寬板條完成閘墩的支撐,然后依據(jù)連續(xù)梁對其內(nèi)力進(jìn)行計算。土基的抗滑穩(wěn)定系數(shù)公式如下:

式中:f為閘室地面及地基的摩擦系數(shù);∑G為閘室的豎向荷載;∑H為閘室的水平荷載。

1.2 水閘混凝土應(yīng)力場分析

溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因是溫度變化因素,其溫度場的計算思路是借助變分法將求解問題轉(zhuǎn)化為極小值問題,主要包括溫度場穩(wěn)定態(tài)勢確定以及引力場兩個方面[7]。熱流示意圖見圖1。

圖1 熱流示意圖

該六面體大小與溫度梯度成正比關(guān)系,依據(jù)熱量平衡理論可知,均勻狀態(tài)下固體導(dǎo)熱方程如下:

式中:a為導(dǎo)溫系數(shù),m2/h;c為比熱,kJ/(kg·℃);ρ為容重,kg/m3;τ為時間,h;x、y、z為六面體邊長;R為熱量;T為溫度。

導(dǎo)熱方程在構(gòu)建過程中,因其所涉及的解數(shù)量較多,因此還需要設(shè)定一定的初始條件和邊界條件,用以反映物體溫度場規(guī)律和作用限定情況。研究對水閘的淺孔閘室進(jìn)行模型,模擬的單元總數(shù)82 636個,節(jié)點(diǎn)總數(shù)98 472個,借助六面體八節(jié)點(diǎn)的單元形式進(jìn)行閘墩模型構(gòu)建。在設(shè)計熱分析邊界條件時,考慮到地基內(nèi)部的土體溫度造成的影響較小,其主要的溫度邊界為閘墩混凝土與水接觸的部分,因此熱邊界和第三類邊界分別為地基側(cè)底面以及與空氣接觸的界面[8]。同時,施加水平單向約束于地基部分,以右手直角坐標(biāo)系為判斷依據(jù),將水流的順時針方向標(biāo)定為坐標(biāo)軸的垂直正方向,閘室縱軸線為水平方向。地質(zhì)土層分布示意圖見圖2。

圖2 地質(zhì)土層分布示意圖

對于水閘結(jié)構(gòu)而言,溫度應(yīng)力是導(dǎo)致其在運(yùn)行期發(fā)生開裂的重要原因,太陽輻射強(qiáng)度、氣候變化等復(fù)雜變化的自然環(huán)境以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度作用,都會使墩體外露部分和水下部分發(fā)生較大的溫度梯度。長期溫度和短期溫度對水閘的溫度應(yīng)力影響是不同的,在施工期部分,其應(yīng)力變化波動較為明顯,且不穩(wěn)定,因此研究主要對運(yùn)行期水閘的溫度應(yīng)力進(jìn)行分析。年氣溫變化較為穩(wěn)定且緩慢,對地基結(jié)構(gòu)的影響一般體現(xiàn)在混凝土強(qiáng)度范圍內(nèi),因此短期溫度為主要影響。

研究借助有限元計算軟件ANSYS Workbench軟件進(jìn)行分析,該軟件包括多種應(yīng)用模塊,能較好完成集合模型構(gòu)建和修改、轉(zhuǎn)化網(wǎng)格分析等,在優(yōu)化建筑物結(jié)構(gòu)、工程施工仿真以及結(jié)構(gòu)抗震模擬等方面具有較好的應(yīng)用性[4]。Workbench軟件中,首先依據(jù)問題性質(zhì)選擇合適的系統(tǒng),然后設(shè)置對應(yīng)的工程參數(shù)數(shù)據(jù),如材料性質(zhì)、強(qiáng)度指標(biāo)等。在模型創(chuàng)建部分,可直接借助軟件中的Geometry模塊或者導(dǎo)入其他軟件專業(yè)建模后的內(nèi)容[9]。

1.3 水閘開裂工況設(shè)計及監(jiān)測分析

水閘荷載包括基本和特殊兩類,水利工程結(jié)構(gòu)不同部分的自重情況、溫應(yīng)力變化情況等因素都會對其荷載造成或多或少的影響。依據(jù)工程經(jīng)驗和該地實際資料,設(shè)計上游正常蓄水位1.0m,下游水位2.44m。研究對急劇降溫工況情況進(jìn)行分析,考慮短時間內(nèi)溫度變化對水閘的影響,該閘址急劇降溫最明顯的時段應(yīng)為寒潮(10月份至翌年3月份),依據(jù)其附近測量站的氣溫資料,選擇連續(xù)3天(每天的降溫幅度約為2℃)進(jìn)行監(jiān)測分析[10]。監(jiān)測結(jié)果見圖3。

該資料表明,降溫強(qiáng)度的增加會使閘墩最大拉應(yīng)力有所提升,并導(dǎo)致其墩頭部分出現(xiàn)應(yīng)變情況。為了進(jìn)一步對閘墩開裂情況進(jìn)行分析,研究在已有監(jiān)測儀器的基礎(chǔ)上安裝測縫計,以更好地對水閘裂縫情況進(jìn)行動態(tài)觀察分析。依據(jù)水閘設(shè)計規(guī)范安全檢測設(shè)施和實際數(shù)據(jù)獲取情況,選擇對沉降數(shù)據(jù)、壓力情況以及水位變化數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測,并布設(shè)裂縫計和溫度計于裂縫表面。

2 水閘健康監(jiān)測及加固設(shè)計結(jié)果分析

短時間內(nèi)溫度變化應(yīng)力為閘墩混凝土起裂提供了條件,而地基的沉降又進(jìn)一步擴(kuò)展了裂縫情況,并在海水腐蝕等其他不利因素影響下,導(dǎo)致閘墩混凝土裂縫寬度的進(jìn)一步增加。因此,研究對該水閘進(jìn)行加固設(shè)計,依據(jù)盡量不增加加固施工量、不破壞結(jié)構(gòu)力學(xué)和建筑使用性能的原則上進(jìn)行裂縫治理。研究提出對裂縫內(nèi)部進(jìn)行灌漿處理,并在閘墩表面粘貼鋼板進(jìn)行加固。依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB 50367-2005),采用三號鋼板進(jìn)行處理[11-12]。其中,灌漿材料的彈性模量設(shè)為2.5GPa,底板和閘墩的模量為2.8×104MPa,導(dǎo)熱系數(shù)為10kJ/(m·h·℃),密度為2 500kg/m3,熱交換系數(shù)為67.8kJ/(m2·h·℃),抗拉強(qiáng)度為1.78MPa。研究借助測縫計對裂縫寬度與水位關(guān)系進(jìn)行分析,并隨機(jī)選取某天觀測數(shù)據(jù),結(jié)果見圖4。

圖4 裂縫寬度與水位、溫度的變化曲線

圖4表明,當(dāng)裂縫暴露在水面上時,裂縫寬度曲線變化較為明顯,左側(cè)和右側(cè)的裂縫寬度有所增加,且分別在中午和晚間兩個時段出現(xiàn)波峰。處于最大溫差(差值超過5℃)時,左側(cè)和右側(cè)裂縫數(shù)值均從正值變?yōu)樨?fù)值。當(dāng)水位下降時,裂縫則處于張開狀態(tài);完全浸沒時,右側(cè)裂縫變化基本穩(wěn)定。

對加固設(shè)計后閘墩及裂縫內(nèi)部等的拉力情況進(jìn)行分析,結(jié)果見圖5。

圖5 閘墩、灌漿材料及鋼板的拉應(yīng)力云圖

圖5結(jié)果表明,當(dāng)工況條件處于不同降溫幅度時,加固方案下裂縫不同部分的最大拉應(yīng)力有所不同。當(dāng)降幅溫度為10℃時,閘墩最大拉應(yīng)力為2.05MPa,內(nèi)部灌漿材料的最大拉應(yīng)力為0.49MPa;當(dāng)降幅溫度為6℃時,閘墩最大拉應(yīng)力為1.60MPa,內(nèi)部灌漿材料的最大拉應(yīng)力為0.41MPa。最大拉應(yīng)力主要集中在加固后的閘墩表面、灌漿材料表面,與降溫幅度成正比關(guān)系。鋼板在降溫幅度為10℃和6℃時的最大拉應(yīng)力為11.60和7.85MPa,鋼板受力部分的溫度變化較為穩(wěn)定,能滿足抗拉強(qiáng)度。上述結(jié)果表明,該加固方案能有效消除裂縫對結(jié)構(gòu)的不利影響,但在今后仍需考慮門槽處的應(yīng)力情況,并注重對鋼板的防腐處理。

3 結(jié) 論

加強(qiáng)對水利工程的除險加固,對于保證其安全運(yùn)行具有重要意義。為此,本文基于某裂縫水閘監(jiān)測結(jié)果,對其進(jìn)行了加固措施設(shè)計。結(jié)果顯示,加固方案下的最大拉應(yīng)力主要集中在閘墩和灌漿材料表面,且其與降溫幅度成正比關(guān)系。當(dāng)降幅溫度為10℃時,閘墩最大拉應(yīng)力為2.05MPa,內(nèi)部灌漿材料的最大拉應(yīng)力為0.49MPa。當(dāng)降幅溫度為6℃時,閘墩最大拉應(yīng)力為1.60MPa,內(nèi)部灌漿材料的最大拉應(yīng)力為0.41MPa。研究表明,該加固方案能夠有效消除裂縫對水利結(jié)構(gòu)的不利影響,滿足強(qiáng)度拉伸標(biāo)準(zhǔn)。