小型水閘加固技術及有限元分析

摘 要：為了提升小型水閘的安全性，本文進行了閘體受力分析和加固技術研究。首先，確認了水閘安全隱患是由上、下游水體施加的復合作用力導致的，并構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、垂直作用力和復合力分別進行了計算公式推導。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建了小型水閘模型，并進行應力分析和加固性能測試，證明了本文研究的有效性。

關鍵詞：水利工程；小型水閘；加固處理；有限元分析

中圖分類號：TV 66" " 文獻標志碼：A

水利資源是蓄能發(fā)電、農業(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、對水能進行人為控制，還可以調節(jié)水位、調節(jié)流量，是水利工程中蓄能和泄洪的重要單元[2]。據統(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超過7000座，小型水閘的數量更多[3]。需要注意的是，水閘在長期使用過程中會受沉積、風化、侵蝕和滲流等危害的持續(xù)影響，面臨極大的安全風險。一旦水閘出現強度降低甚至結構破損現象，就無法正常發(fā)揮其功能和作用，必須進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行技術性分析，并加固效果的有限元仿真驗證。

1 小型水閘的應力分析

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致各種應力的出現和變化。為了提出有針對性的水閘加固方案，必須對水閘進行應力分析。

水閘的主要受力是上游和下游水壓力的不同導致的壓力差。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，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，這些力的復合作用將轉變?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，進一步增加了水閘出現孔洞、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、外水閘加固經驗來看，通常會用以下一種方法或同時采用幾種方法進行加固。第一，對水閘進行部分或整體重建；第二，在水閘外表面復合鋼筋混凝土等強度更高的材料，增加閘體的厚度；第三，在水閘外表面復合鋼質材料，增加閘體的強度；第四，在水閘外表面復合纖維材料，進行加固；第五，提前施加預應力，進行極限測試加固。

根據《水工混凝土結構設計規(guī)范》（DL/T5057—2009）中的要求，預應力混凝土閘體的混凝土強度等級不應低于C30，錨塊和頸部等部位的混凝土強度等級不應低于C40，根據混凝土強度檢測結果，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，本文認為采用預應力錨索加固方案不合適。采用預應力加固，需要在門槽后閘體中間開孔進行對拉，而閘體開孔、錨索鉆孔后將進一步削弱閘體整體性，孔口部位也會出現較嚴重的應力集中現象，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，沒有空間進行錨索布置與施工，因此預應力閘體加固方案不適用本工程。由于閘墻混凝土強度太低，表面已經碳化，因此很難保證纖維復合材料與閘體可靠錨固、粘結。根據目前閘室加固方案的基本要求的本工程實際情況，并參考國內閘室加固實例，本文認為不宜直接采用粘貼纖維復合材料加固技術解決閘體強度、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，經過全面分析，根據閘室加固處理程度，設定小型水閘閘體加固方案，如圖1所示。

閘體裂縫會嚴重破壞結構的整體性，需要對裂縫進行灌膠封閉處理。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行補強。對于閘體表面，需要在老混凝土粘結強度高的聚合物水泥砂漿。這樣可以保持閘體原設計的設施布置體系，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構外觀形態(tài)，對現有結構的運行沒有影響。鋼板條與碳纖維布抗拉強度高，能夠與墩體緊密連接，有助于提高結構的承載能力。

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險是由上、下游水體施加的復合作用力導致的，對水閘閘體進行受力分析，進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期效果，進一步采用有限元仿真分析手段進行驗證。

本文構建了小型水閘閘門和閘墩的整體仿真模型。根據有限元仿真工具的設定，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。這些微元的設定可以更清晰地展示整個閘體每個局部所受的應力和產生的位移變化等。

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

以圖2中的第一個值應力為例，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、河道中對水閘起到沖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中第一個應力值為1.820×106。其余云圖中的各個數據演算均如上述過程，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生的應力變化。由仿真軟件中的數據指示表可知，無論是閘門還是閘墩，其應力均自上而下逐步增大，閘墩出現破壞的可能性更大。

在第二組試驗中，觀察在閘體自重和靜態(tài)水流的持續(xù)負荷作用下，閘門和閘墩所產生的垂直方向的位移變化，結果如圖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生的位移變化。其變化規(guī)律與應力變化一致，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力和所產生變形的實際情況，需要進行加固處理，避免出現安全問題。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力分布如圖4所示。

從圖4可以看出，經過澆注補形加固后，閘門原有的孔洞、裂隙被有效修復，從而顯著提升了其承受外界載荷的性能。大部分區(qū)域內，應力分布都比較均衡。但是右側出現了局部的應力峰值區(qū)域。原因可能是局部水流沖擊力較集中。在這種情況下，本文進行了表面加固處理，利用外貼鋼板和纖維布，進一步增強閘門局部的承載能力。加固后的閘門應力分布如圖5所示。

從圖5可以看出，經過表面外貼鋼板和纖維布加固處理，整個閘門的應力分布更均勻，應力峰值區(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、對水能進行人為控制，同時還可以調節(jié)水位、調節(jié)流量。但是，水閘在長期使用過程中會受沉積、風化、侵蝕和滲流等危害的持續(xù)影響，面臨極大的安全風險。為了提升水閘的安全性，需要對水閘采取有效的加固處理。本文首先從力學的角度對水閘進行受力分析，從而明確了其安全隱患的理論依據。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，設定了水閘閘體模型、應力分布條件。仿真結果證實了本文理論分析和閘體加固處理技術的有效性。

參考文獻

[1]張靈軍，任靈芹.水利工程中水閘加固施工技術的應用分析[J].北京農業(yè)（下旬刊），2016（2）：109-110.

[2]陸林松.水利工程中水閘加固施工技術的應用分析[J].城市建設理論研究（電子版），2016（23）：107-108.

[3]李書博.振沖碎石樁復合地基處理技術在某水閘加固設計中的應用[J].水利技術監(jiān)督，2022（5）：41-44.