河道水闸闸墩裂痕的成因与防治方法研究

郭 萍

(安徽省亳州市谯城区水利局,安徽 亳州 236800)

0 引 言

随着河道水闸工程的长期使用和环境的变化,水闸闸墩逐渐出现裂痕是较为常见的现象[1]。因此,研究水闸闸墩裂痕的成因,探索裂痕的防治方法,对于提高水闸工程的质量和安全性具有重要意义[2]。

有限元分析是常用的研究水闸闸墩裂痕的方法,通过建立合适的数学模型和边界条件,预测闸墩的裂痕形成位置和程度。在水闸闸墩裂痕研究中,采用有限元分析和合理的冷凝管浇筑时间间隔等方法,可以有效预防和控制水闸闸墩裂痕的发生,为水闸工程的设计、施工和维护提供科学依据。

本文在有限元分析的基础上,分析闸墩浇筑时间间隔与冷凝管设置对闸墩防裂的作用。本次研究的创新点为在建立闸墩有限元模型的基础上,进行温度应力和冷凝管试验,冷凝管可以控制闸墩的温度变化速度,减小温度应力产生的可能性,同时分析浇筑时间间隔与闸墩温度应力的关系,并制定相应的措施。

1 水闸闸墩裂痕成因及防裂方法分析

1.1 工程概况

研究对象为安徽省某水库某段上的水闸工程。该水库建于2001-2005年,库区流域面积为15 365km2,水库枢纽工程主坝长5 200m,副坝长3 500m,最大坝高23m,总库容5.12×108m3,其水闸工程由闸门、闸墩、溢流堰、导流设施组成。其中,闸门是水闸的核心部分,用于打开或关闭水流通道;闸墩是支撑和固定闸门的结构,为混凝土浇筑;溢流堰用于调节和控制水位,以防止水流过高或过低;导流设施用于将水流引导到正确的通道或闸门,以便进行控制。目前,在水闸闸墩中已发现裂痕和渗漏问题,亟需整治。

河道水闸工程的建设步骤通常包括规划设计、施工建设和运维管理[3]。规划设计阶段主要包括对河道水闸的选址、规模、功能和技术方案等进行研究和确定。在规划设计阶段,需要考虑河道水闸的功能需求,如调节水位、控制洪水、供水和航运等,同时还需要考虑周边环境和生态因素。规划设计阶段的工作还包括制定施工图纸和技术标准,以及进行环境影响评价和社会经济效益评估。施工建设阶段主要包括土建施工和设备安装等。土建施工包括水闸闸墩、闸门和溢洪道等建筑物的施工;设备安装包括安装水闸控制系统、电气设备和机械设备等。施工建设阶段需要按照设计图纸和技术标准进行施工,并进行质量检验和安全监控。运维管理阶段主要包括水闸的日常运行和维护管理。水闸的运维管理包括定期巡视检查、设备维护保养、水位调节和闸门操作等。此外,还需要进行水文监测和水资源管理,保障水闸的正常运行和安全性。

水闸可以调节河道水位,平衡水资源供需,防止洪水灾害和干旱灾害的发生,提供安全的航运条件,同时还可以保护河道生态环境和水生物的生存[4],河道水闸工程的建设对水资源合理利用和水环境保护具有重要意义。安徽省作为长三角经济区的重要组成部分,长江和淮河自西向东贯穿全境,长江在境内全长约416km;淮河从安徽北部流经,在境内全长430km;境内河湖纵横,巢湖面积近800km2。因此,水闸工程的建设可以提高水资源的利用效率,促进经济发展和社会稳定[5]。

1.2 河道水闸闸墩裂痕的成因分析及防裂措施探讨

河道水闸闸墩在运行过程中,受到外界温度的影响,温度的变化会引起闸墩的膨胀或收缩,从而产生应力[6]。当温度变化较大时,闸墩会受到较大的应力,导致裂缝的产生。在温暖季节,阳光直射闸墩表面,使其受热膨胀,产生热应力[7];在寒冷季节,闸墩受冷却作用收缩,产生冷应力。这种温度变化引起的应力,如果超过闸墩的承受能力,就可能导致裂缝的产生[8]。图1为某闸墩施工完成时截面温度等值线分布图。

由图1可知,闸墩的温度分布呈现出内部温度高、表面温度低、由表及里温度逐渐升高的规律,且闸墩的内外最高温差为34℃,温差明显。其原因为河道水闸长期处于室外环境,而室外环境的温差变化较大,白天受阳光直射,闸墩受到较高的外界温度影响;夜晚温度较低时,闸墩开始散热,表面温度低于闸墩内部温度。此外,河道水闸通常用于调节水流,当白天水体温度较高时,闸墩受到来自水体的辐射热影响开始吸热;夜间水体温度较低时,则会对闸墩产生冷却效应,而混凝土表面的散热作用快于内部,因此出现随着温度下降而带来的闸墩内部温度高于表面温度的情况。这种闸墩内外温差大,导致闸墩内外不同部位的热胀冷缩不一致,从而引起内部应力的累积和释放,导致闸墩结构的变形或裂缝的产生。

底板与闸墩的浇筑时间间隔,是闸墩裂缝的另一个重要影响因素。底板与闸墩的浇筑时间间隔不当,会导致底板和闸墩在硬化过程中的温度差异。当温度差异较大时,产生热应力,引起闸墩的裂缝。此外,底板与闸墩在浇筑后,随着硬化过程发生膨胀。如果底板与闸墩的浇筑时间间隔不当,底板的膨胀会导致位移差异,从而对闸墩施加不均匀的应力,可能引起裂缝。如果底板与闸墩的浇筑时间间隔过长,会导致底板与闸墩之间存在空隙或界面不牢固,引起应力集中,从而增加了闸墩出现裂缝的风险。

综上所述,温度变化引起的应力问题以及底板与闸墩浇筑时间间隔,是导致河道水闸闸墩产生裂痕的两个重要原因。因此,研究采用有限元模拟分析,计算温度应力场对水闸应力场的影响变化。有限元分析的控制方程如下:

(1)

式中:λ为热传导系数;c为比热容;x、y、z为位置参数;p为密度;T为初始瞬态时间。

有限元分析是一种常用的数值模拟方法,可以用于研究水闸闸墩裂痕的成因和分析裂痕对结构稳定性的影响[9-10]。有限元分析将闸墩结构划分为许多小的有限元单元,通过求解节点上的位移和应力等参数,得到结构的应力分布情况。

水热化作为闸墩应力影响因素之一,其计算公式如下:

Q(t)=Qn(1-e-atb)

(2)

式中:Q(t) 为单位混凝土水热化;Qn为单位混凝土的最终水热化形态;a、b为常数,取值分别为0.69和0.56;t为时间。

通过分析模拟结果,可以评估水闸闸墩的结构强度和稳定性,并找出可能导致裂痕形成的原因。同时,有限元分析还可以用于优化闸墩的设计,改善结构的受力情况,减少裂痕的发生。图2为闸墩有限元模型。

图2 闸墩有限元模型

通过建立闸墩的数学模型,模拟实际工作状态下的受力情况,预测闸墩的应力和变形情况,从而评估闸墩的安全性和稳定性,并判断是否存在裂纹的可能性,进而采取相应的加固措施。其工作原理为:对闸墩进行建模和分析,将闸墩抽象为网格,每个节点代表实际结构中的一个位置,并计算节点之间的力和位移来分析结构。根据定义的材料特性和温度条件,进行热传导分析,计算出闸墩在不同温度下的温度分布情况,并根据闸墩的温度分布情况和材料的力学特性,进行热应力分析,计算出闸墩在不同温度下的应力分布情况。根据计算结果,分析闸墩的应力分布情况,评估其是否满足设计要求。如果发现应力过高或存在应力集中的情况,则需要采取相应的加固措施。

2 水闸闸墩裂痕防治方法的应用效果分析

2.1 闸墩浇筑时间间隔控制在裂痕防治中的作用

为了验证闸墩浇筑时间间隔对闸墩裂痕的影响,在有限元模型中,设定1、3、7、14、30和100d的6种施工间隔时间,用来模拟底板和闸墩的拉应力变化。结果见图3。

图3 不同施工间隔下底板和闸墩最大拉应力

由图3可知,间隔为1d的最大拉应力为0.0～2.3MPa;第7天时最大拉应力为1.1MPa;第14天时最大拉应力增加了1.2MPa。而施工间隔为3d时,底板和闸墩的最大拉应力在14天内增加了2.9MPa;施工间隔为7d时,底板和闸墩的最大拉应力在14天内增加了3.3MPa;施工间隔为14d时,底板和闸墩的最大拉应力在14天内增加了3.6MPa;施工间隔为30d时,底板和闸墩的最大拉应力在14天内增加了3.7MPa;施工间隔为100d时,底板和闸墩的最大拉应力在14天内增加了4.7MPa。

由此可以推断,随着施工间隔的增加,底板和闸墩的最大拉应力呈递增趋势,更容易产生裂缝。因此,为了避免水闸裂缝的产生,应尽量控制闸墩的浇筑时间间隔,确保底板与闸墩的施工质量一致,降低闸墩出现裂缝的风险,从而提高闸墩的稳定性和安全性。

将有限元模拟结果与实际场地观测数据进行对比,以验证模拟结果的准确性和可靠性。试验次数选为140次,对比结果见图4。

图4 不同浇筑时间间隔下闸墩最大拉应力的预测值与真实值对比图

由图4可知,当浇筑时间间隔为1d时,最大拉应力的预测准确度为90%;当浇筑时间间隔为3d时,最大拉应力的预测准确度为93%;当浇筑时间间隔为7d时,最大拉应力的预测准确度为84%;当浇筑时间间隔为14d时,最大拉应力的预测准确度为85%;当浇筑时间间隔为30d时,最大拉应力的预测准确度为89%;当浇筑时间间隔为100d时,最大拉应力的预测准确度为92%。而且随着试验次数的增加,预测值越接近于真实值,表明底板与闸墩的浇筑时间越长,越容易导致闸墩裂痕的产生。因此,合理控制闸墩与底板之间的浇筑时间间隔是防治闸墩裂痕的重要措施之一。

2.2 设置冷凝管在裂痕防治中的作用

在闸墩内外温差大产生的热应力下,闸墩易产生裂痕,因此控制闸墩内外温差是防治闸墩裂痕的重要措施。研究在有限元模型的基础上,在闸墩内部铺设冷凝管,将闸墩内部的热量传导至冷凝管中,然后通过冷却介质的冷却作用将热量散发出去,从而降低闸墩的温度。试验对设置冷凝管与未设置冷凝管的闸墩应力与温度变化进行对比分析,结果见图5。

图5 设置冷凝管前后最大应力与温差变化图

由图5(a) 可知,闸墩应力在第5天左右发生下降情况。其中,设置冷凝管的闸墩在第5天的最大应力,相较于设置前的最大应力减少100 kPa,在35天内的最大应力平均减少90～100kPa,表明设置冷凝管后可有效减少闸墩内部的最大应力值。由图5(b)可知,随着天数的增加,闸墩内部的温差值呈增加趋势,且相较于设置冷凝管前,闸墩的最大温差值明显减小。在第14天时,设置冷凝管的闸墩相较于未设置冷凝管的闸墩的最大温差值减少15 ℃,且随着天数的增加,最大温差减少值同样呈增加趋势。因此,设置冷凝管可以有效控制闸墩内外的温差值,避免因冷缩热胀而带来较大的应力变化,防止河道闸墩产生裂缝。

为了验证试验的准确度,对有限元模拟结果与实际场地观测数据,即设置冷凝管试验的预测值与真实值进行比较,结果见图6。

图6 设置冷凝管前后闸墩最大拉应力与最大温差值的预测值与真实值对比图

由图6可知,冷凝管设置前后最大应力变化的预测精度平均值为87.2%,冷凝管设置前后最大温差变化的预测精度平均值为87.9%,且随着试验天数的增加,最大应力预测精度与最大温差预测精度均保持在85%以上。表明本次试验的预测值与真实值相匹配,验证了冷凝管的敷设有利于河道闸墩对裂缝的防治。

敷设冷凝管后,当闸墩内部温度升高时,热量通过冷凝管传导至冷却介质中,然后被冷却介质带走,从而降低闸墩的温度。通过使用冷凝管,可以有效控制闸墩内外温差,减少温度应力的产生,从而降低闸墩裂痕的风险。由此可知,冷凝管在闸墩温差控制中起到重要作用,能够有效降低温度应力,减少闸墩裂痕的发生,保证闸墩的安全和稳定运行。

3 结 论

针对河道水闸闸墩裂缝问题亟待解决的现状,本文提出利用有限元模型进行建模,从闸墩内外温差和闸墩浇筑时间间隔两方面出发,寻找闸墩防裂的有效防治方案。结果显示,浇筑间隔为1天的闸墩最大拉应力为0.0～2.3MPa,至间隔14天时最大拉应力增加了1.2MPa,表明浇筑间隔时间越长,闸墩产生裂缝的风险越大。在解决闸墩温差方面,设置冷凝管的闸墩第5天的最大应力相较于设置前的最大应力减少了100kPa,表明随着天数的增加,设置冷凝管后的闸墩最大温差值明显减小。因此,减少浇筑时间间隔和设置冷凝管可以有效防止河道水闸闸墩裂痕问题。