闸墩裂缝力学分析及加固方案研究

申媛媛

（长治市水利发展中心,山西 长治 046000）

在水工混凝土建筑物中,混凝土开裂是最常见的一种病害。水闸闸墩作为闸门、交通桥等的上部结构,属于水闸受力的一个非常重要的结构；若闸墩一旦开裂,必然会对其完整性及安全性造成严重影响。所以,制定可行的闸墩裂缝加固方案,具有一定的现实意义。

1 工程概况及闸墩裂缝现状分析

1.1 工程概况

本文以山西S 水电站为研究对象,该水电站等别为Ⅱ等,属于一个中型水利工程,主要建筑物包括大坝、溢洪道、坝后厂房、消能建筑物等,主要建筑物级别为3 级,次要建筑物级别为4 级；本工程溢洪道设12 道（主溢洪道设5 道泄洪闸、非常溢洪道设7 道泄洪闸）泄洪闸闸门（弧形闸门）、15 个闸墩。

2020 年,经现场检测,在15 个闸墩中,有10 个闸墩出现了不同程度的裂缝,其中5#闸门处的闸墩裂缝有表层裂缝,也有贯穿式裂缝,属于裂缝比较严重的一个宽墩；为确保泄洪闸闸墩安全运行,更好地传递上部荷载,有必要采取相应的加固措施进行修补,以提高闸墩的整体性。

1.2 裂缝现状统计

为确保加固方案的可行性,本文以5#闸门处一宽墩为代表,开展相应的力学分析及方案设计,见表1。

表1 泄洪闸5#闸宽墩裂缝现场统计结果

从现场统计结果可以明显看出,5#闸宽墩裂缝宽度最大值在1.2 mm～1.4 mm 之间,裂缝深度达11.3 m,除5#闸宽墩右1 裂缝为表层裂缝外,其余均属于贯穿式裂缝。从现场观察及统计结果来看,5#闸宽墩裂缝都为竖向裂缝,并没有出现横向裂缝,但一些深度较大的贯穿式裂缝,在后续发展一段时间后,可能会横向发展,直至深入到闸门与坝体的接触位置,影响坝体安全[1]。

2 闸墩裂缝力学分析

2.1 闸墩的力学模型

从闸墩现场裂缝的检测情况来看,虽然15 个闸墩中有10 个闸墩均出现了裂缝,但5#闸宽墩裂缝最为突出,因此,本文以5#闸宽墩为对象构建模型。除此之外,因砼属于一种脆性材料,受力后（拉力）极易断裂,故本文在对比砼抗拉强度及拉应力结果时,将砼定性为一种线性材料,以找出5#闸宽墩出现裂缝的主因[2]。

2.2 边界条件

闸墩力学边界模型见图1。

图1 闸墩力学边界模型

2.3 有限元模型建立

组合式模型在整个建模及计算过程中比较复杂,但考虑到最终的计算结果更贴近实际情况,本文在有限元模型的建立过程中采用组合式模式。整个建模过程是建立在三维直角坐标系上,坐标系中的Z 方向代表闸墩竖向,XOY 平面代表整个闸墩的底面。划分网格时,先进行钢筋单元划分,再以钢筋单元尺寸为基础划分砼网格,通过网格划分,将有限元模型划分成122445 个单元、60928 个节点。

2.4 计算工况及荷载组合

本工程在运行过程中,闸墩所受荷载见表2 。通过对工况一、工况二、工况三荷载组合,分析闸门开启及关闭状态下闸墩承受荷载的差异性,得出闸墩产生裂缝的原因；通过工况四,分析闸墩力学性能及现有裂缝的发展趋势,对是否采取加固措施提供依据。

表2 闸墩计算工况表

图2 为弧形闸门推力计算简图（闸门为关闭状态）,通过推力分析,实现闸墩的应力传递或转化。

图2 闸门推力计算简图

总水压力可按以下公式进行计算：

式中：Ps为上游水平压力,kN；Vs 为上游垂直压力，kN；PX为下游水平分力,kN；Vx为下游垂直压力,kN；HS为上游水头,m；Hx为下游水头,m；R 为弧形面板曲率半径,m；Y 为水的容重,一般取10 kN/m3；B 为孔口半径,m。

2.5 计算结果分析

为进一步分析5#闸宽墩裂缝应力值,在5#闸宽墩裂缝四周选了一些代表性节点（20 个典型节点）,其中,节点a～j在5#闸宽墩外侧、节点k～t 在5#闸宽墩内侧。

（1）工况一、工况二、工况三的计算结果分析

基于有限元模型的计算,把4 条竖向条带（a～e、f～j、k～o、p～t）,根据1～20（顺序号具体见下图所示）顺序排列后,绘制出图3～图6 第一主应力分布图。

图3 第一主应力分布图（a）

图4 第一主应力分布图（b）

图5 第一主应力分布图（c）

图6 第一主应力分布图（d）

结合图3～图6 及计算结果可知：

1）当闸门处于闭合状态时,因闸墩受静水压力,闸门整体受压应力作用、检修井井壁砼及牛腿主要受拉应力作用,而检修井井壁更是拉应力的集中部位（此处拉应力为1.41 MPa）,但因该拉应力值仍小于砼的极限抗拉强度（2.1 MPa）,所以,此拉应力的存在并不会直接导致闸墩出现裂缝。

2）当闸门处于开启状态时,闸墩受压应力作用,而最大压应力主要集中在闸墩牛腿处。因检修井井壁砼承受的拉应力（2.26 MPa）已超出砼极限值（2.1 MPa）,导致检修井井壁在Y 方向逐渐形成贯穿式裂缝。

通过以上分析可知,闸墩开裂的主因是闸门开启荷载、检修井配筋不足及井壁断面小等。

（2）工况四的计算结果分析

通过计算可知,因检修井上部存在裂缝,导致砼很难实现拉应力的传递,所以,检修井上部拉应力只表现为几条细微的竖向条带,但因检修井上部拉应力值大于砼极限抗拉值,所以,检修井上部裂缝在拉应力的作用下不断扩展。从结果看出,因闸墩裂缝的存在,改变了原有拉应力的传递方向（向检修井下部转移）,因拉应力传递方向的改变,最终在检修井下部形成一个1.67 MPa～4.08 MPa 范围内的拉应力区域,导致检修井下部开裂。

3 闸墩加固方案

在表3 加固方案分析的基础上,结合5#闸宽墩裂缝现状统计结果及闸墩加固补强经验,最终拟定山西S 水电站溢洪道泄洪闸闸墩裂缝加固方案为：对裂缝进行灌浆处理,为防止检修井上部裂缝向下发展,应重点加固其上部结构,即在检修井外部每隔1.5 m 设置一道粘贴碳纤维布（布置要求：粘贴净距20 cm、宽度25 cm）,共设置6 道,对于拉应力集中部位,可根据实际情况增设几道碳纤维布；其次对配筋不足的闸墩检修井,合理设置配筋率,可通过浅槽外粘条形钢板的方式提高结构强度。另外,为防止闸墩表面进一步碳化,在闸墩表面采用较老砼强度高的聚合物水泥砂浆。钢板条粘贴施工工艺见图7。

表3 水工建筑物各加固方案对比表

图7 钢板条粘贴设计图

4 闸墩加固方案的力学分析及评价

通过对加固后的闸墩进行应力分析,若闸墩的抗拉极限值在允许范围内,则方案可行,反之不可行。在计算中,假设灌浆材料、碳纤维布与老砼能完美结合；接着对加固后的模型再次划分,得出131078 个单元、117829 个节点。

在加固方案效果评价时,在检修井外壁既有的裂缝中选取数据（因检修井外壁应力＞内壁应力）,然后与砼极限抗拉强度值予以比较,并得出结果。表4 为提取的节点应力值（共提取10 个节点,其中a～e 节点靠近牛腿侧,f～j 节点远离牛腿侧）。

从表4 可知,采取加固方案后,虽然多数节点仍受拉应力作用,但与加固前相比已明显下降,且也比砼的极限抗拉强度小许多。一些节点的第一主应力值压应力值（负值）,这说明了该节点由之前的受拉状态变为受压状态。

表4 节点应力值 单位：Pa

整体来说,从整个计算结果可以看出,闸墩在加固后,多数节点的拉应力转变为压应力,且小于砼极限抗拉强度,闸墩裂缝得到有效改善,方案比较可行。

5 结语

通过以上研究,可得出以下结论：

（1）闸门开启时,因检修井井壁承受的拉应力过大,导致检修井产生纵向裂缝,而该状态下闸墩承受的较大荷载是产生纵向裂缝的主要原因。

（2）闸墩检修井结构设计存在缺陷如配筋不足、井壁断面小等,这也是闸墩产生裂缝的一个主要的结构性原因。

（3）结合裂缝现状及闸墩应力分析,闸墩裂缝多数为贯穿式裂缝,存在继续延伸的可能性,影响坝体安全,所以采取相应的加固方案显得尤为重要。

（4）计算结果显示,本文采取的加固补强方案—化学灌浆+碳纤维布,效果较好,可在同类工程中予以借鉴。