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水利局,安徽 亳州 236800)

0 引 言

隨著河道水閘工程的長期使用和環境的變化,水閘閘墩逐漸出現裂痕是較為常見的現象[1]。因此,研究水閘閘墩裂痕的成因,探索裂痕的防治方法,對于提高水閘工程的質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,通過建立合適的數學模型和邊界條件,預測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間間隔等方法,可以有效預防和控制水閘閘墩裂痕的發生,為水閘工程的設計、施工和維護提供科學依據。

本文在有限元分析的基礎上,分析閘墩澆筑時間間隔與冷凝管設置對閘墩防裂的作用。本次研究的創新點為在建立閘墩有限元模型的基礎上,進行溫度應力和冷凝管試驗,冷凝管可以控制閘墩的溫度變化速度,減小溫度應力產生的可能性,同時分析澆筑時間間隔與閘墩溫度應力的關系,并制定相應的措施。

1 水閘閘墩裂痕成因及防裂方法分析

1.1 工程概況

研究對象為安徽省某水庫某段上的水閘工程。該水庫建于2001-2005年,庫區流域面積為15 365km2,水庫樞紐工程主壩長5 200m,副壩長3 500m,最大壩高23m,總庫容5.12×108m3,其水閘工程由閘門、閘墩、溢流堰、導流設施組成。其中,閘門是水閘的核心部分,用于打開或關閉水流通道;閘墩是支撐和固定閘門的結構,為混凝土澆筑;溢流堰用于調節和控制水位,以防止水流過高或過低;導流設施用于將水流引導到正確的通道或閘門,以便進行控制。目前,在水閘閘墩中已發現裂痕和滲漏問題,亟需整治。

河道水閘工程的建設步驟通常包括規劃設計、施工建設和運維管理[3]。規劃設計階段主要包括對河道水閘的選址、規模、功能和技術方案等進行研究和確定。在規劃設計階段,需要考慮河道水閘的功能需求,如調節水位、控制洪水、供水和航運等,同時還需要考慮周邊環境和生態因素。規劃設計階段的工作還包括制定施工圖紙和技術標準,以及進行環境影響評價和社會經濟效益評估。施工建設階段主要包括土建施工和設備安裝等。土建施工包括水閘閘墩、閘門和溢洪道等建筑物的施工;設備安裝包括安裝水閘控制系統、電氣設備和機械設備等。施工建設階段需要按照設計圖紙和技術標準進行施工,并進行質量檢驗和安全監控。運維管理階段主要包括水閘的日常運行和維護管理。水閘的運維管理包括定期巡視檢查、設備維護保養、水位調節和閘門操作等。此外,還需要進行水文監測和水資源管理,保障水閘的正常運行和安全性。

水閘可以調節河道水位,平衡水資源供需,防止洪水災害和干旱災害的發生,提供安全的航運條件,同時還可以保護河道生態環境和水生物的生存[4],河道水閘工程的建設對水資源合理利用和水環境保護具有重要意義。安徽省作為長三角經濟區的重要組成部分,長江和淮河自西向東貫穿全境,長江在境內全長約416km;淮河從安徽北部流經,在境內全長430km;境內河湖縱橫,巢湖面積近800km2。因此,水閘工程的建設可以提高水資源的利用效率,促進經濟發展和社會穩定[5]。

1.2 河道水閘閘墩裂痕的成因分析及防裂措施探討

河道水閘閘墩在運行過程中,受到外界溫度的影響,溫度的變化會引起閘墩的膨脹或收縮,從而產生應力[6]。當溫度變化較大時,閘墩會受到較大的應力,導致裂縫的產生。在溫暖季節,陽光直射閘墩表面,使其受熱膨脹,產生熱應力[7];在寒冷季節,閘墩受冷卻作用收縮,產生冷應力。這種溫度變化引起的應力,如果超過閘墩的承受能力,就可能導致裂縫的產生[8]。圖1為某閘墩施工完成時截面溫度等值線分布圖。

由圖1可知,閘墩的溫度分布呈現出內部溫度高、表面溫度低、由表及里溫度逐漸升高的規律,且閘墩的內外最高溫差為34℃,溫差明顯。其原因為河道水閘長期處于室外環境,而室外環境的溫差變化較大,白天受陽光直射,閘墩受到較高的外界溫度影響;夜晚溫度較低時,閘墩開始散熱,表面溫度低于閘墩內部溫度。此外,河道水閘通常用于調節水流,當白天水體溫度較高時,閘墩受到來自水體的輻射熱影響開始吸熱;夜間水體溫度較低時,則會對閘墩產生冷卻效應,而混凝土表面的散熱作用快于內部,因此出現隨著溫度下降而帶來的閘墩內部溫度高于表面溫度的情況。這種閘墩內外溫差大,導致閘墩內外不同部位的熱脹冷縮不一致,從而引起內部應力的累積和釋放,導致閘墩結構的變形或裂縫的產生。

底板與閘墩的澆筑時間間隔,是閘墩裂縫的另一個重要影響因素。底板與閘墩的澆筑時間間隔不當,會導致底板和閘墩在硬化過程中的溫度差異。當溫度差異較大時,產生熱應力,引起閘墩的裂縫。此外,底板與閘墩在澆筑后,隨著硬化過程發生膨脹。如果底板與閘墩的澆筑時間間隔不當,底板的膨脹會導致位移差異,從而對閘墩施加不均勻的應力,可能引起裂縫。如果底板與閘墩的澆筑時間間隔過長,會導致底板與閘墩之間存在空隙或界面不牢固,引起應力集中,從而增加了閘墩出現裂縫的風險。

綜上所述,溫度變化引起的應力問題以及底板與閘墩澆筑時間間隔,是導致河道水閘閘墩產生裂痕的兩個重要原因。因此,研究采用有限元模擬分析,計算溫度應力場對水閘應力場的影響變化。有限元分析的控制方程如下:

(1)

式中:λ為熱傳導系數;c為比熱容;x、y、z為位置參數;p為密度;T為初始瞬態時間。

有限元分析是一種常用的數值模擬方法,可以用于研究水閘閘墩裂痕的成因和分析裂痕對結構穩定性的影響[9-10]。有限元分析將閘墩結構劃分為許多小的有限元單元,通過求解節點上的位移和應力等參數,得到結構的應力分布情況。

水熱化作為閘墩應力影響因素之一,其計算公式如下:

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;a、b為常數,取值分別為0.69和0.56;t為時間。

通過分析模擬結果,可以評估水閘閘墩的結構強度和穩定性,并找出可能導致裂痕形成的原因。同時,有限元分析還可以用于優化閘墩的設計,改善結構的受力情況,減少裂痕的發生。圖2為閘墩有限元模型。

圖2 閘墩有限元模型

通過建立閘墩的數學模型,模擬實際工作狀態下的受力情況,預測閘墩的應力和變形情況,從而評估閘墩的安全性和穩定性,并判斷是否存在裂紋的可能性,進而采取相應的加固措施。其工作原理為:對閘墩進行建模和分析,將閘墩抽象為網格,每個節點代表實際結構中的一個位置,并計算節點之間的力和位移來分析結構。根據定義的材料特性和溫度條件,進行熱傳導分析,計算出閘墩在不同溫度下的溫度分布情況,并根據閘墩的溫度分布情況和材料的力學特性,進行熱應力分析,計算出閘墩在不同溫度下的應力分布情況。根據計算結果,分析閘墩的應力分布情況,評估其是否滿足設計要求。如果發現應力過高或存在應力集中的情況,則需要采取相應的加固措施。

2 水閘閘墩裂痕防治方法的應用效果分析

2.1 閘墩澆筑時間間隔控制在裂痕防治中的作用

為了驗證閘墩澆筑時間間隔對閘墩裂痕的影響,在有限元模型中,設定1、3、7、14、30和100d的6種施工間隔時間,用來模擬底板和閘墩的拉應力變化。結果見圖3。

圖3 不同施工間隔下底板和閘墩最大拉應力

由圖3可知,間隔為1d的最大拉應力為0.0～2.3MPa;第7天時最大拉應力為1.1MPa;第14天時最大拉應力增加了1.2MPa。而施工間隔為3d時,底板和閘墩的最大拉應力在14天內增加了2.9MPa;施工間隔為7d時,底板和閘墩的最大拉應力在14天內增加了3.3MPa;施工間隔為14d時,底板和閘墩的最大拉應力在14天內增加了3.6MPa;施工間隔為30d時,底板和閘墩的最大拉應力在14天內增加了3.7MPa;施工間隔為100d時,底板和閘墩的最大拉應力在14天內增加了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力呈遞增趨勢,更容易產生裂縫。因此,為了避免水閘裂縫的產生,應盡量控制閘墩的澆筑時間間隔,確保底板與閘墩的施工質量一致,降低閘墩出現裂縫的風險,從而提高閘墩的穩定性和安全性。

將有限元模擬結果與實際場地觀測數據進行對比,以驗證模擬結果的準確性和可靠性。試驗次數選為140次,對比結果見圖4。

圖4 不同澆筑時間間隔下閘墩最大拉應力的預測值與真實值對比圖

由圖4可知,當澆筑時間間隔為1d時,最大拉應力的預測準確度為90%;當澆筑時間間隔為3d時,最大拉應力的預測準確度為93%;當澆筑時間間隔為7d時,最大拉應力的預測準確度為84%;當澆筑時間間隔為14d時,最大拉應力的預測準確度為85%;當澆筑時間間隔為30d時,最大拉應力的預測準確度為89%;當澆筑時間間隔為100d時,最大拉應力的預測準確度為92%。而且隨著試驗次數的增加,預測值越接近于真實值,表明底板與閘墩的澆筑時間越長,越容易導致閘墩裂痕的產生。因此,合理控制閘墩與底板之間的澆筑時間間隔是防治閘墩裂痕的重要措施之一。

2.2 設置冷凝管在裂痕防治中的作用

在閘墩內外溫差大產生的熱應力下,閘墩易產生裂痕,因此控制閘墩內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上,在閘墩內部鋪設冷凝管,將閘墩內部的熱量傳導至冷凝管中,然后通過冷卻介質的冷卻作用將熱量散發出去,從而降低閘墩的溫度。試驗對設置冷凝管與未設置冷凝管的閘墩應力與溫度變化進行對比分析,結果見圖5。

圖5 設置冷凝管前后最大應力與溫差變化圖

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

為了驗證試驗的準確度,對有限元模擬結果與實際場地觀測數據,即設置冷凝管試驗的預測值與真實值進行比較,結果見圖6。

圖6 設置冷凝管前后閘墩最大拉應力與最大溫差值的預測值與真實值對比圖

由圖6可知,冷凝管設置前后最大應力變化的預測精度平均值為87.2%,冷凝管設置前后最大溫差變化的預測精度平均值為87.9%,且隨著試驗天數的增加,最大應力預測精度與最大溫差預測精度均保持在85%以上。表明本次試驗的預測值與真實值相匹配,驗證了冷凝管的敷設有利于河道閘墩對裂縫的防治。

敷設冷凝管后,當閘墩內部溫度升高時,熱量通過冷凝管傳導至冷卻介質中,然后被冷卻介質帶走,從而降低閘墩的溫度。通過使用冷凝管,可以有效控制閘墩內外溫差,減少溫度應力的產生,從而降低閘墩裂痕的風險。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力,減少閘墩裂痕的發生,保證閘墩的安全和穩定運行。

3 結 論

針對河道水閘閘墩裂縫問題亟待解決的現狀,本文提出利用有限元模型進行建模,從閘墩內外溫差和閘墩澆筑時間間隔兩方面出發,尋找閘墩防裂的有效防治方案。結果顯示,澆筑間隔為1天的閘墩最大拉應力為0.0～2.3MPa,至間隔14天時最大拉應力增加了1.2MPa,表明澆筑間隔時間越長,閘墩產生裂縫的風險越大。在解決閘墩溫差方面,設置冷凝管的閘墩第5天的最大應力相較于設置前的最大應力減少了100kPa,表明隨著天數的增加,設置冷凝管后的閘墩最大溫差值明顯減小。因此,減少澆筑時間間隔和設置冷凝管可以有效防止河道水閘閘墩裂痕問題。