閘墩裂縫力學(xué)分析及加固方案研究

申媛媛

（長治市水利發(fā)展中心,山西 長治 046000）

在水工混凝土建筑物中,混凝土開裂是最常見的一種病害。水閘閘墩作為閘門、交通橋等的上部結(jié)構(gòu),屬于水閘受力的一個非常重要的結(jié)構(gòu)；若閘墩一旦開裂,必然會對其完整性及安全性造成嚴(yán)重影響。所以,制定可行的閘墩裂縫加固方案,具有一定的現(xiàn)實意義。

1 工程概況及閘墩裂縫現(xiàn)狀分析

1.1 工程概況

本文以山西S 水電站為研究對象,該水電站等別為Ⅱ等,屬于一個中型水利工程,主要建筑物包括大壩、溢洪道、壩后廠房、消能建筑物等,主要建筑物級別為3 級,次要建筑物級別為4 級；本工程溢洪道設(shè)12 道（主溢洪道設(shè)5 道泄洪閘、非常溢洪道設(shè)7 道泄洪閘）泄洪閘閘門（弧形閘門）、15 個閘墩。

2020 年,經(jīng)現(xiàn)場檢測,在15 個閘墩中,有10 個閘墩出現(xiàn)了不同程度的裂縫,其中5#閘門處的閘墩裂縫有表層裂縫,也有貫穿式裂縫,屬于裂縫比較嚴(yán)重的一個寬墩；為確保泄洪閘閘墩安全運行,更好地傳遞上部荷載,有必要采取相應(yīng)的加固措施進(jìn)行修補(bǔ),以提高閘墩的整體性。

1.2 裂縫現(xiàn)狀統(tǒng)計

為確保加固方案的可行性,本文以5#閘門處一寬墩為代表,開展相應(yīng)的力學(xué)分析及方案設(shè)計,見表1。

表1 泄洪閘5#閘寬墩裂縫現(xiàn)場統(tǒng)計結(jié)果

從現(xiàn)場統(tǒng)計結(jié)果可以明顯看出,5#閘寬墩裂縫寬度最大值在1.2 mm～1.4 mm 之間,裂縫深度達(dá)11.3 m,除5#閘寬墩右1 裂縫為表層裂縫外,其余均屬于貫穿式裂縫。從現(xiàn)場觀察及統(tǒng)計結(jié)果來看,5#閘寬墩裂縫都為豎向裂縫,并沒有出現(xiàn)橫向裂縫,但一些深度較大的貫穿式裂縫,在后續(xù)發(fā)展一段時間后,可能會橫向發(fā)展,直至深入到閘門與壩體的接觸位置,影響壩體安全[1]。

2 閘墩裂縫力學(xué)分析

2.1 閘墩的力學(xué)模型

從閘墩現(xiàn)場裂縫的檢測情況來看,雖然15 個閘墩中有10 個閘墩均出現(xiàn)了裂縫,但5#閘寬墩裂縫最為突出,因此,本文以5#閘寬墩為對象構(gòu)建模型。除此之外,因砼屬于一種脆性材料,受力后（拉力）極易斷裂,故本文在對比砼抗拉強(qiáng)度及拉應(yīng)力結(jié)果時,將砼定性為一種線性材料,以找出5#閘寬墩出現(xiàn)裂縫的主因[2]。

2.2 邊界條件

閘墩力學(xué)邊界模型見圖1。

圖1 閘墩力學(xué)邊界模型

2.3 有限元模型建立

組合式模型在整個建模及計算過程中比較復(fù)雜,但考慮到最終的計算結(jié)果更貼近實際情況,本文在有限元模型的建立過程中采用組合式模式。整個建模過程是建立在三維直角坐標(biāo)系上,坐標(biāo)系中的Z 方向代表閘墩豎向,XOY 平面代表整個閘墩的底面。劃分網(wǎng)格時,先進(jìn)行鋼筋單元劃分,再以鋼筋單元尺寸為基礎(chǔ)劃分砼網(wǎng)格,通過網(wǎng)格劃分,將有限元模型劃分成122445 個單元、60928 個節(jié)點。

2.4 計算工況及荷載組合

本工程在運行過程中,閘墩所受荷載見表2 。通過對工況一、工況二、工況三荷載組合,分析閘門開啟及關(guān)閉狀態(tài)下閘墩承受荷載的差異性,得出閘墩產(chǎn)生裂縫的原因；通過工況四,分析閘墩力學(xué)性能及現(xiàn)有裂縫的發(fā)展趨勢,對是否采取加固措施提供依據(jù)。

表2 閘墩計算工況表

圖2 為弧形閘門推力計算簡圖（閘門為關(guān)閉狀態(tài)）,通過推力分析,實現(xiàn)閘墩的應(yīng)力傳遞或轉(zhuǎn)化。

圖2 閘門推力計算簡圖

總水壓力可按以下公式進(jìn)行計算：

式中：Ps為上游水平壓力,kN；Vs 為上游垂直壓力，kN；PX為下游水平分力,kN；Vx為下游垂直壓力,kN；HS為上游水頭,m；Hx為下游水頭,m；R 為弧形面板曲率半徑,m；Y 為水的容重,一般取10 kN/m3；B 為孔口半徑,m。

2.5 計算結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析5#閘寬墩裂縫應(yīng)力值,在5#閘寬墩裂縫四周選了一些代表性節(jié)點（20 個典型節(jié)點）,其中,節(jié)點a～j在5#閘寬墩外側(cè)、節(jié)點k～t 在5#閘寬墩內(nèi)側(cè)。

（1）工況一、工況二、工況三的計算結(jié)果分析

基于有限元模型的計算,把4 條豎向條帶（a～e、f～j、k～o、p～t）,根據(jù)1～20（順序號具體見下圖所示）順序排列后,繪制出圖3～圖6 第一主應(yīng)力分布圖。

圖3 第一主應(yīng)力分布圖（a）

圖4 第一主應(yīng)力分布圖（b）

圖5 第一主應(yīng)力分布圖（c）

圖6 第一主應(yīng)力分布圖（d）

結(jié)合圖3～圖6 及計算結(jié)果可知：

1）當(dāng)閘門處于閉合狀態(tài)時,因閘墩受靜水壓力,閘門整體受壓應(yīng)力作用、檢修井井壁砼及牛腿主要受拉應(yīng)力作用,而檢修井井壁更是拉應(yīng)力的集中部位（此處拉應(yīng)力為1.41 MPa）,但因該拉應(yīng)力值仍小于砼的極限抗拉強(qiáng)度（2.1 MPa）,所以,此拉應(yīng)力的存在并不會直接導(dǎo)致閘墩出現(xiàn)裂縫。

2）當(dāng)閘門處于開啟狀態(tài)時,閘墩受壓應(yīng)力作用,而最大壓應(yīng)力主要集中在閘墩牛腿處。因檢修井井壁砼承受的拉應(yīng)力（2.26 MPa）已超出砼極限值（2.1 MPa）,導(dǎo)致檢修井井壁在Y 方向逐漸形成貫穿式裂縫。

通過以上分析可知,閘墩開裂的主因是閘門開啟荷載、檢修井配筋不足及井壁斷面小等。

（2）工況四的計算結(jié)果分析

通過計算可知,因檢修井上部存在裂縫,導(dǎo)致砼很難實現(xiàn)拉應(yīng)力的傳遞,所以,檢修井上部拉應(yīng)力只表現(xiàn)為幾條細(xì)微的豎向條帶,但因檢修井上部拉應(yīng)力值大于砼極限抗拉值,所以,檢修井上部裂縫在拉應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展。從結(jié)果看出,因閘墩裂縫的存在,改變了原有拉應(yīng)力的傳遞方向（向檢修井下部轉(zhuǎn)移）,因拉應(yīng)力傳遞方向的改變,最終在檢修井下部形成一個1.67 MPa～4.08 MPa 范圍內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)域,導(dǎo)致檢修井下部開裂。

3 閘墩加固方案

在表3 加固方案分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合5#閘寬墩裂縫現(xiàn)狀統(tǒng)計結(jié)果及閘墩加固補(bǔ)強(qiáng)經(jīng)驗,最終擬定山西S 水電站溢洪道泄洪閘閘墩裂縫加固方案為：對裂縫進(jìn)行灌漿處理,為防止檢修井上部裂縫向下發(fā)展,應(yīng)重點加固其上部結(jié)構(gòu),即在檢修井外部每隔1.5 m 設(shè)置一道粘貼碳纖維布（布置要求：粘貼凈距20 cm、寬度25 cm）,共設(shè)置6 道,對于拉應(yīng)力集中部位,可根據(jù)實際情況增設(shè)幾道碳纖維布；其次對配筋不足的閘墩檢修井,合理設(shè)置配筋率,可通過淺槽外粘條形鋼板的方式提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外,為防止閘墩表面進(jìn)一步碳化,在閘墩表面采用較老砼強(qiáng)度高的聚合物水泥砂漿。鋼板條粘貼施工工藝見圖7。

表3 水工建筑物各加固方案對比表

圖7 鋼板條粘貼設(shè)計圖

4 閘墩加固方案的力學(xué)分析及評價

通過對加固后的閘墩進(jìn)行應(yīng)力分析,若閘墩的抗拉極限值在允許范圍內(nèi),則方案可行,反之不可行。在計算中,假設(shè)灌漿材料、碳纖維布與老砼能完美結(jié)合；接著對加固后的模型再次劃分,得出131078 個單元、117829 個節(jié)點。

在加固方案效果評價時,在檢修井外壁既有的裂縫中選取數(shù)據(jù)（因檢修井外壁應(yīng)力＞內(nèi)壁應(yīng)力）,然后與砼極限抗拉強(qiáng)度值予以比較,并得出結(jié)果。表4 為提取的節(jié)點應(yīng)力值（共提取10 個節(jié)點,其中a～e 節(jié)點靠近牛腿側(cè),f～j 節(jié)點遠(yuǎn)離牛腿側(cè)）。

從表4 可知,采取加固方案后,雖然多數(shù)節(jié)點仍受拉應(yīng)力作用,但與加固前相比已明顯下降,且也比砼的極限抗拉強(qiáng)度小許多。一些節(jié)點的第一主應(yīng)力值壓應(yīng)力值（負(fù)值）,這說明了該節(jié)點由之前的受拉狀態(tài)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)。

表4 節(jié)點應(yīng)力值 單位：Pa

整體來說,從整個計算結(jié)果可以看出,閘墩在加固后,多數(shù)節(jié)點的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,且小于砼極限抗拉強(qiáng)度,閘墩裂縫得到有效改善,方案比較可行。

5 結(jié)語

通過以上研究,可得出以下結(jié)論：

（1）閘門開啟時,因檢修井井壁承受的拉應(yīng)力過大,導(dǎo)致檢修井產(chǎn)生縱向裂縫,而該狀態(tài)下閘墩承受的較大荷載是產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因。

（2）閘墩檢修井結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷如配筋不足、井壁斷面小等,這也是閘墩產(chǎn)生裂縫的一個主要的結(jié)構(gòu)性原因。

（3）結(jié)合裂縫現(xiàn)狀及閘墩應(yīng)力分析,閘墩裂縫多數(shù)為貫穿式裂縫,存在繼續(xù)延伸的可能性,影響壩體安全,所以采取相應(yīng)的加固方案顯得尤為重要。

（4）計算結(jié)果顯示,本文采取的加固補(bǔ)強(qiáng)方案—化學(xué)灌漿+碳纖維布,效果較好,可在同類工程中予以借鑒。