小型水闸加固技术及有限元分析

摘 要：为了提升小型水闸的安全性，本文进行了闸体受力分析和加固技术研究。首先，确认了水闸安全隐患是由上、下游水体施加的复合作用力导致的，并构建了水闸闸体的受力分析模型，对上游水体和下游水体施加给水闸的水平作用力、垂直作用力和复合力分别进行了计算公式推导。其次，针对水闸闸体的不安全状况给出了具体的加固方案。最后，在有限元分析平台下构建了小型水闸模型，并进行应力分析和加固性能测试，证明了本文研究的有效性。

关键词：水利工程；小型水闸；加固处理；有限元分析

中图分类号：TV 66" " 文献标志码：A

水利资源是蓄能发电、农业灌溉、改善自然生态环境以及参与水空体系循环的重要资源，具有可再生、可循环利用的特点，是清洁的环保型能源[1]。为了加大水利资源的利用范围，改革开放以来，我国兴建了众多水利工程项目。在水利工程中，水闸具有非常重要的地位。水闸可以阻挡水流、对水能进行人为控制，还可以调节水位、调节流量，是水利工程中蓄能和泄洪的重要单元[2]。据统计，我国在江河湖泊和大型水库等水利工程项目中的大中型水闸已经超过7000座，小型水闸的数量更多[3]。需要注意的是，水闸在长期使用过程中会受沉积、风化、侵蚀和渗流等危害的持续影响，面临极大的安全风险。一旦水闸出现强度降低甚至结构破损现象，就无法正常发挥其功能和作用，必须进行加固处理以提高其强度和安全性。本文将针对小型水闸的加固问题进行技术性分析，并加固效果的有限元仿真验证。

1 小型水闸的应力分析

由于水闸自身体积较大、所受的水的持续冲击力较大且不均衡以及闸体所在地基土壤土质发生变化等，因此水闸在长时间的使用过程中会受各种不安全因素的影响。这些不确定因素最终导致各种应力的出现和变化。为了提出有针对性的水闸加固方案，必须对水闸进行应力分析。

水闸的主要受力是上游和下游水压力的不同导致的压力差。从方向上看，水闸受力包括水平压力和垂直压力。因此水闸的受力包括4个维度，分别是水闸上游的水平压力、水闸上游的垂直压力、水闸下游的水平压力和水闸下游的垂直压力。这些压力的计算又涉及诸多参数，包括对水闸起冲击和挤压作用的水的容量、来自水闸上游的水头高度、来自水闸上游的水头宽度、水闸闸门面板曲率半径和来自水闸下游的水头宽度。

2 小型水闸的加固方案

由上文分析可知，水闸在持续工作状态下会受到来自上游和下游水体的各种力的作用，这些力的复合作用将转变为水闸所承受的各种载荷。随着水流涌动，这些载荷并不均衡，进一步增加了水闸出现孔洞、裂隙、局部破损和闸体不稳等问题的可能性，因此需要通过加固处理提升水闸性能。本文以小型水闸加固为例，来探讨加固方案和可行性。

从国内、外水闸加固经验来看，通常会用以下一种方法或同时采用几种方法进行加固。第一，对水闸进行部分或整体重建；第二，在水闸外表面复合钢筋混凝土等强度更高的材料，增加闸体的厚度；第三，在水闸外表面复合钢质材料，增加闸体的强度；第四，在水闸外表面复合纤维材料，进行加固；第五，提前施加预应力，进行极限测试加固。

根据《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057—2009）中的要求，预应力混凝土闸体的混凝土强度等级不应低于C30，锚块和颈部等部位的混凝土强度等级不应低于C40，根据混凝土强度检测结果，溢洪道闸墙的混凝土强度推定为C10左右，牛腿混凝土强度推定为C15。对于抗压强度如此低的闸体，本文认为采用预应力锚索加固方案不合适。采用预应力加固，需要在门槽后闸体中间开孔进行对拉，而闸体开孔、锚索钻孔后将进一步削弱闸体整体性，孔口部位也会出现较严重的应力集中现象，原有低强混凝土难免不被再次拉坏。另外，闸体牛腿上部为交通桥，梁底距离牛腿顶30cm左右，没有空间进行锚索布置与施工，因此预应力闸体加固方案不适用本工程。由于闸墙混凝土强度太低，表面已经碳化，因此很难保证纤维复合材料与闸体可靠锚固、粘结。根据目前闸室加固方案的基本要求的本工程实际情况，并参考国内闸室加固实例，本文认为不宜直接采用粘贴纤维复合材料加固技术解决闸体强度、牛腿拉描筋不足等问题，可将其作为一种补充手段。

综上所述，经过全面分析，根据闸室加固处理程度，设定小型水闸闸体加固方案，如图1所示。

闸体裂缝会严重破坏结构的整体性，需要对裂缝进行灌胶封闭处理。对于扇形钢筋不足的混凝土闸体，需要提高闸体的配筋率，采用浅槽外粘条形钢板的手段进行加固。对于闸体混凝土开裂的情况，采用外贴碳纤维布的方法进行补强。对于闸体表面，需要在老混凝土粘结强度高的聚合物水泥砂浆。这样可以保持闸体原设计的设施布置体系，提高闸体的承载能力。浅槽外粘条形钢板加固与外贴碳纤维布加固的优点是施工方便、施工时间短和材料自重较轻，对施工空间和环境要求较低，加固后几乎不会改变原结构外观形态，对现有结构的运行没有影响。钢板条与碳纤维布抗拉强度高，能够与墩体紧密连接，有助于提高结构的承载能力。

3 小型水闸加固的有限元仿真分析

上文明确了小型水闸的安全风险是由上、下游水体施加的复合作用力导致的，对水闸闸体进行受力分析，进而对水闸闸体的多种不安全情况给出了具体的加固方案。为了验证这些加固方案是否能取得预期效果，进一步采用有限元仿真分析手段进行验证。

本文构建了小型水闸闸门和闸墩的整体仿真模型。根据有限元仿真工具的设定，小型水闸闸门共包括13220个小型微元，闸墩共包括54835个小型微元。这些微元的设定可以更清晰地展示整个闸体每个局部所受的应力和产生的位移变化等。

在第一组试验中，观察在闸体自重和静态水流的持续负荷作用下，闸门和闸墩所受的应力变化，结果如图2所示。

以图2中的第一个值应力为例，具有冲击作用的水容量γ=100m3，水闸上游水头高度HS=10m，水闸上游的水头宽度BS=40m，来自水闸上游的水平压力如公式（1）所示。

=100×10×10×40/2=200000 （1）

式中：PS为来自水闸上游的水平压力；γ为水库、河道中对水闸起到冲击和挤压作用的水的容量；HS为来自水闸上游的水头高度；BS为来自水闸上游的水头宽度。

又已知水闸闸门面板曲率半径为R=11m，来自水闸上游的垂直压力如公式（2）所示。

=100×11×11×40/2=242000 （2）

式中：VS为来自水闸上游的垂直压力；R为水闸闸门面板曲率半径。

又已知水闸下游水头高度HX=8m，水闸下游的水头宽度BX=20m，来自水闸下游的水平压力如公式（3）所示。

=100×8×8×20/2=64000 （3）

式中：PX为来自水闸下游的水平压力；HX为来自水闸下游的水头高度；BX为来自水闸下游的水头宽度。

又已知水闸闸门面板曲率半径R=11m，来自水闸下游的垂直压力如公式（4）所示。

=100×11×11×20/2=121000 （4）

式中：VX为来自水闸下游的垂直压力。

进一步可以得出水闸闸体所受整体压力P，如公式（5）所示。

（5）

至此，可以得出图2中第一个应力值为1.820×106。其余云图中的各个数据演算均如上述过程，不再一一赘述。

图2中，不同色阶及其分布层次反映了上、下游静态水体施加给水闸的作用力的大小，同时也反映了水闸闸体各个部分所产生的应力变化。由仿真软件中的数据指示表可知，无论是闸门还是闸墩，其应力均自上而下逐步增大，闸墩出现破坏的可能性更大。

在第二组试验中，观察在闸体自重和静态水流的持续负荷作用下，闸门和闸墩所产生的垂直方向的位移变化，结果如图3所示。

在图3中，不同色阶及其分布层次反映了在上、下游静态水体的持续作用下，闸门和闸墩在垂直方向上产生的位移变化。其变化规律与应力变化一致，也是自上而下逐步增大。如果垂直向的位移过大，就会导致整个闸体下陷，水闸无法有效控制水位。

针对小型水闸所受应力和所产生变形的实际情况，需要进行加固处理，避免出现安全问题。本文第一次加固采用了浇注补形加固的措施，加固后的水闸闸门应力分布如图4所示。

从图4可以看出，经过浇注补形加固后，闸门原有的孔洞、裂隙被有效修复，从而显著提升了其承受外界载荷的性能。大部分区域内，应力分布都比较均衡。但是右侧出现了局部的应力峰值区域。原因可能是局部水流冲击力较集中。在这种情况下，本文进行了表面加固处理，利用外贴钢板和纤维布，进一步增强闸门局部的承载能力。加固后的闸门应力分布如图5所示。

从图5可以看出，经过表面外贴钢板和纤维布加固处理，整个闸门的应力分布更均匀，应力峰值区域显著缩小，整个闸门具有更高的强度和安全性。

4 结论

在水利工程中，水闸具有非常重要的地位。水闸可以阻挡水流、对水能进行人为控制，同时还可以调节水位、调节流量。但是，水闸在长期使用过程中会受沉积、风化、侵蚀和渗流等危害的持续影响，面临极大的安全风险。为了提升水闸的安全性，需要对水闸采取有效的加固处理。本文首先从力学的角度对水闸进行受力分析，从而明确了其安全隐患的理论依据。其次，从多个角度给出了水闸加固方案。在有限元仿真环境下，设定了水闸闸体模型、应力分布条件。仿真结果证实了本文理论分析和闸体加固处理技术的有效性。

参考文献

[1]张灵军，任灵芹.水利工程中水闸加固施工技术的应用分析[J].北京农业（下旬刊），2016（2）：109-110.

[2]陆林松.水利工程中水闸加固施工技术的应用分析[J].城市建设理论研究（电子版），2016（23）：107-108.

[3]李书博.振冲碎石桩复合地基处理技术在某水闸加固设计中的应用[J].水利技术监督，2022（5）：41-44.