基于结构有限元分析的水闸健康监测及除险加固设计研究

吕 游,孟凡一

(北京市京密引水管理处,北京 101400)

水闸工程设施在防洪、航运、灌溉和排涝等工作中起着巨大的作用,保障其工程建设的稳定性关系着社会经济发展和自然生态的平衡,同时加强水利设施运维的有效性,能够提高水资源的利用效率。作为工程结构的普遍问题,结构裂缝影响到混凝土的耐久性和安全性[1]。水闸作为水利基础设施的重要组成部分,其闸墩在浇筑后常出现裂缝情况,增加了渗漏风险。导致水闸闸墩裂缝问题的因素众多,如温度收缩应力、混凝土体积变形等,水闸裂缝会直接影响其结构强度和整体稳定性,因此加强对水工结构的病险健康检测具有重要意义。

为此,许多学者进行了相关研究。刘永强等[2]为了提高水闸工程施工安全管理的效率,提出了基于BIM技术和数据库的大型水闸工程施工危险源自动辨识方法,对危险源进行了快速识别。结果表明,该方法不仅能够有效提高水闸工程施工安全管理的效率,还有利于排除施工的危险源,保障大型水闸工程的施工安全。雷恒等[3]针对严峻的水库安全问题,对坝体溢流坝段的混凝土进行了加固,并疏通坝基堵塞。结果表明,加固后的水坝在汛期能够保障各建筑物的安全问题,降低了极端天气带来的安全隐患。常见的水闸结构分析是基于底板和闸墩查表数据或材料力学特性来进行计算,难以较好展现和考虑水利结构的整体性,计算量繁重,精度效果表现不佳。为了计算南疆塔里木河流域水库溃坝概率,林佳奕等[4]利用事故树法和主成分分析法展开了计算。结果表明,该方法能够对溃坝概率进行有效计算,利于水库的安全管理。YANG等[5]以江苏北部水闸为研究对象,借助孔径雷达手段,对水闸位移变形情况进行了分析。结果表明,该方法与水准测量结果之间具有较好的一致性。

本文以某水闸工程闸墩为研究对象,基于健康监测数据,对其裂缝产生原因进行分析,并借助有限元结构分析软件,对其加固设计后的成效进行分析。

1.1 水闸工程基本概况及水力计算

研究所选水闸位于北京市北运河流域内,水闸流域面积超过4 000km2,主要承担城区超过90%的排水排洪任务。该水闸流域区域地处温带大陆性季风气候区,冬夏季节气温变化较大,平均风速3.0～3.5m/s,年平均降雨量超过500mm,降雨情况在年际变化上较为明显,主要汛期降水量多集中在6-9月份。该水闸位于北运河下游,为开敞式闸室结构的控制性拦河建筑物,主要承担着正常滞留雨水、下泄洪峰等重要任务。该水闸为平地板水闸,过闸落差较小,不超过0.3m,水闸设计流量30m3/s,闸室底板较厚,且闸室下为黏性回填土。该水闸工程部分的土体类型有轻粉质壤土、重粉质壤土、淤泥质粉质黏土、细砂、重粉质砂壤土和中砂,地层分布连续稳定,且不同层的含水量均超过10% ,相对密度均在3以内。土体各单元分别对应的地基承载力为120、100、80、130、140、180kPa。其中,轻粉质壤土、重粉质壤土、淤泥质粉质黏土、重粉质砂壤土的孔隙比分别为0.831、0.854、1.041、0.68。闸基现状基本稳定,且勘测结果中发现该工程地下水高程大于64m。表1为闸下地质土层参数情况。

研究依据《水闸设计规范》(SL 265-2016)确定群力闸工程等级为三级,对应的洪水标准为30～20年标准,其闸室结构为筏式,中墩和缝墩厚度分别为2.0和1.5m,闸室总宽大于300m。研究对设计流量下的水位进行过流能力计算,其中堰上水深公式如下[6]:

式中:Q为过闸流量,m3/s;B0为闸孔总净宽,m;μ0为堰流综合流量系数;hs为下游水深,m,H0为堰上水深,m;g为重力加速度,m/s2。

根据现场调研结果可知,闸墩下游部分裂缝角度呈下斜45°,斜向发展纹理明显,钻孔过程中有白色渗出物产生。分析可知,温度变化以及地基沉降是导致该水闸产生开裂的主要原因。该水闸工程在完建后3个月内,其闸门槽部分出现裂缝情况,对其进行处理后仍发现存在扩展情况。

水闸底板多与闸墩相连,其受力结构较为复杂,底板尺寸、弹性模量、荷载情况等因素都会对其造成影响,且与地基变形也具有较大的关系。常用的水闸底板为平底式,其尺寸厚度小于平面。水闸作为挡水建筑物,其闸门前后存在一定的水位差,底板则存在水自重带来的压力差和建筑的上下结构荷载。因此,底板与闸墩在水流在同一流动方向时的刚度较大,而在垂直部分则主要体现在抗弯曲变形上。研究借助倒置梁法进行内力计算,该方法对地基反力进行预设,并以单宽板条完成闸墩的支撑,然后依据连续梁对其内力进行计算。土基的抗滑稳定系数公式如下:

式中:f为闸室地面及地基的摩擦系数;∑G为闸室的竖向荷载;∑H为闸室的水平荷载。

1.2 水闸混凝土应力场分析

温度应力产生的原因是温度变化因素,其温度场的计算思路是借助变分法将求解问题转化为极小值问题,主要包括温度场稳定态势确定以及引力场两个方面[7]。热流示意图见图1。

图1 热流示意图

该六面体大小与温度梯度成正比关系,依据热量平衡理论可知,均匀状态下固体导热方程如下:

式中:a为导温系数,m2/h;c为比热,kJ/(kg·℃);ρ为容重,kg/m3;τ为时间,h;x、y、z为六面体边长;R为热量;T为温度。

导热方程在构建过程中,因其所涉及的解数量较多,因此还需要设定一定的初始条件和边界条件,用以反映物体温度场规律和作用限定情况。研究对水闸的浅孔闸室进行模型,模拟的单元总数82 636个,节点总数98 472个,借助六面体八节点的单元形式进行闸墩模型构建。在设计热分析边界条件时,考虑到地基内部的土体温度造成的影响较小,其主要的温度边界为闸墩混凝土与水接触的部分,因此热边界和第三类边界分别为地基侧底面以及与空气接触的界面[8]。同时,施加水平单向约束于地基部分,以右手直角坐标系为判断依据,将水流的顺时针方向标定为坐标轴的垂直正方向,闸室纵轴线为水平方向。地质土层分布示意图见图2。

图2 地质土层分布示意图

对于水闸结构而言,温度应力是导致其在运行期发生开裂的重要原因,太阳辐射强度、气候变化等复杂变化的自然环境以及结构内部温度作用,都会使墩体外露部分和水下部分发生较大的温度梯度。长期温度和短期温度对水闸的温度应力影响是不同的,在施工期部分,其应力变化波动较为明显,且不稳定,因此研究主要对运行期水闸的温度应力进行分析。年气温变化较为稳定且缓慢,对地基结构的影响一般体现在混凝土强度范围内,因此短期温度为主要影响。

研究借助有限元计算软件ANSYS Workbench软件进行分析,该软件包括多种应用模块,能较好完成集合模型构建和修改、转化网格分析等,在优化建筑物结构、工程施工仿真以及结构抗震模拟等方面具有较好的应用性[4]。Workbench软件中,首先依据问题性质选择合适的系统,然后设置对应的工程参数数据,如材料性质、强度指标等。在模型创建部分,可直接借助软件中的Geometry模块或者导入其他软件专业建模后的内容[9]。

1.3 水闸开裂工况设计及监测分析

水闸荷载包括基本和特殊两类,水利工程结构不同部分的自重情况、温应力变化情况等因素都会对其荷载造成或多或少的影响。依据工程经验和该地实际资料,设计上游正常蓄水位1.0m,下游水位2.44m。研究对急剧降温工况情况进行分析,考虑短时间内温度变化对水闸的影响,该闸址急剧降温最明显的时段应为寒潮(10月份至翌年3月份),依据其附近测量站的气温资料,选择连续3天(每天的降温幅度约为2℃)进行监测分析[10]。监测结果见图3。

该资料表明,降温强度的增加会使闸墩最大拉应力有所提升,并导致其墩头部分出现应变情况。为了进一步对闸墩开裂情况进行分析,研究在已有监测仪器的基础上安装测缝计,以更好地对水闸裂缝情况进行动态观察分析。依据水闸设计规范安全检测设施和实际数据获取情况,选择对沉降数据、压力情况以及水位变化数据进行监测,并布设裂缝计和温度计于裂缝表面。

短时间内温度变化应力为闸墩混凝土起裂提供了条件,而地基的沉降又进一步扩展了裂缝情况,并在海水腐蚀等其他不利因素影响下,导致闸墩混凝土裂缝宽度的进一步增加。因此,研究对该水闸进行加固设计,依据尽量不增加加固施工量、不破坏结构力学和建筑使用性能的原则上进行裂缝治理。研究提出对裂缝内部进行灌浆处理,并在闸墩表面粘贴钢板进行加固。依据《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2005),采用三号钢板进行处理[11-12]。其中,灌浆材料的弹性模量设为2.5GPa,底板和闸墩的模量为2.8×104MPa,导热系数为10kJ/(m·h·℃),密度为2 500kg/m3,热交换系数为67.8kJ/(m2·h·℃),抗拉强度为1.78MPa。研究借助测缝计对裂缝宽度与水位关系进行分析,并随机选取某天观测数据,结果见图4。

图4 裂缝宽度与水位、温度的变化曲线

图4表明,当裂缝暴露在水面上时,裂缝宽度曲线变化较为明显,左侧和右侧的裂缝宽度有所增加,且分别在中午和晚间两个时段出现波峰。处于最大温差(差值超过5℃)时,左侧和右侧裂缝数值均从正值变为负值。当水位下降时,裂缝则处于张开状态;完全浸没时,右侧裂缝变化基本稳定。

对加固设计后闸墩及裂缝内部等的拉力情况进行分析,结果见图5。

图5 闸墩、灌浆材料及钢板的拉应力云图

图5结果表明,当工况条件处于不同降温幅度时,加固方案下裂缝不同部分的最大拉应力有所不同。当降幅温度为10℃时,闸墩最大拉应力为2.05MPa,内部灌浆材料的最大拉应力为0.49MPa;当降幅温度为6℃时,闸墩最大拉应力为1.60MPa,内部灌浆材料的最大拉应力为0.41MPa。最大拉应力主要集中在加固后的闸墩表面、灌浆材料表面,与降温幅度成正比关系。钢板在降温幅度为10℃和6℃时的最大拉应力为11.60和7.85MPa,钢板受力部分的温度变化较为稳定,能满足抗拉强度。上述结果表明,该加固方案能有效消除裂缝对结构的不利影响,但在今后仍需考虑门槽处的应力情况,并注重对钢板的防腐处理。

加强对水利工程的除险加固,对于保证其安全运行具有重要意义。为此,本文基于某裂缝水闸监测结果,对其进行了加固措施设计。结果显示,加固方案下的最大拉应力主要集中在闸墩和灌浆材料表面,且其与降温幅度成正比关系。当降幅温度为10℃时,闸墩最大拉应力为2.05MPa,内部灌浆材料的最大拉应力为0.49MPa。当降幅温度为6℃时,闸墩最大拉应力为1.60MPa,内部灌浆材料的最大拉应力为0.41MPa。研究表明,该加固方案能够有效消除裂缝对水利结构的不利影响,满足强度拉伸标准。

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