郭 萍

(安徽省亳州市譙城區(qū)水利局,安徽 亳州 236800)

0 引 言

隨著河道水閘工程的長期使用和環(huán)境的變化,水閘閘墩逐漸出現(xiàn)裂痕是較為常見的現(xiàn)象[1]。因此,研究水閘閘墩裂痕的成因,探索裂痕的防治方法,對于提高水閘工程的質(zhì)量和安全性具有重要意義[2]。

有限元分析是常用的研究水閘閘墩裂痕的方法,通過建立合適的數(shù)學模型和邊界條件,預(yù)測閘墩的裂痕形成位置和程度。在水閘閘墩裂痕研究中,采用有限元分析和合理的冷凝管澆筑時間間隔等方法,可以有效預(yù)防和控制水閘閘墩裂痕的發(fā)生,為水閘工程的設(shè)計、施工和維護提供科學依據(jù)。

本文在有限元分析的基礎(chǔ)上,分析閘墩澆筑時間間隔與冷凝管設(shè)置對閘墩防裂的作用。本次研究的創(chuàng)新點為在建立閘墩有限元模型的基礎(chǔ)上,進行溫度應(yīng)力和冷凝管試驗,冷凝管可以控制閘墩的溫度變化速度,減小溫度應(yīng)力產(chǎn)生的可能性,同時分析澆筑時間間隔與閘墩溫度應(yīng)力的關(guān)系,并制定相應(yīng)的措施。

1 水閘閘墩裂痕成因及防裂方法分析

1.1 工程概況

研究對象為安徽省某水庫某段上的水閘工程。該水庫建于2001-2005年,庫區(qū)流域面積為15 365km2,水庫樞紐工程主壩長5 200m,副壩長3 500m,最大壩高23m,總庫容5.12×108m3,其水閘工程由閘門、閘墩、溢流堰、導(dǎo)流設(shè)施組成。其中,閘門是水閘的核心部分,用于打開或關(guān)閉水流通道;閘墩是支撐和固定閘門的結(jié)構(gòu),為混凝土澆筑;溢流堰用于調(diào)節(jié)和控制水位,以防止水流過高或過低;導(dǎo)流設(shè)施用于將水流引導(dǎo)到正確的通道或閘門,以便進行控制。目前,在水閘閘墩中已發(fā)現(xiàn)裂痕和滲漏問題,亟需整治。

河道水閘工程的建設(shè)步驟通常包括規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)和運維管理[3]。規(guī)劃設(shè)計階段主要包括對河道水閘的選址、規(guī)模、功能和技術(shù)方案等進行研究和確定。在規(guī)劃設(shè)計階段,需要考慮河道水閘的功能需求,如調(diào)節(jié)水位、控制洪水、供水和航運等,同時還需要考慮周邊環(huán)境和生態(tài)因素。規(guī)劃設(shè)計階段的工作還包括制定施工圖紙和技術(shù)標準,以及進行環(huán)境影響評價和社會經(jīng)濟效益評估。施工建設(shè)階段主要包括土建施工和設(shè)備安裝等。土建施工包括水閘閘墩、閘門和溢洪道等建筑物的施工;設(shè)備安裝包括安裝水閘控制系統(tǒng)、電氣設(shè)備和機械設(shè)備等。施工建設(shè)階段需要按照設(shè)計圖紙和技術(shù)標準進行施工,并進行質(zhì)量檢驗和安全監(jiān)控。運維管理階段主要包括水閘的日常運行和維護管理。水閘的運維管理包括定期巡視檢查、設(shè)備維護保養(yǎng)、水位調(diào)節(jié)和閘門操作等。此外,還需要進行水文監(jiān)測和水資源管理,保障水閘的正常運行和安全性。

水閘可以調(diào)節(jié)河道水位,平衡水資源供需,防止洪水災(zāi)害和干旱災(zāi)害的發(fā)生,提供安全的航運條件,同時還可以保護河道生態(tài)環(huán)境和水生物的生存[4],河道水閘工程的建設(shè)對水資源合理利用和水環(huán)境保護具有重要意義。安徽省作為長三角經(jīng)濟區(qū)的重要組成部分,長江和淮河自西向東貫穿全境,長江在境內(nèi)全長約416km;淮河從安徽北部流經(jīng),在境內(nèi)全長430km;境內(nèi)河湖縱橫,巢湖面積近800km2。因此,水閘工程的建設(shè)可以提高水資源的利用效率,促進經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定[5]。

1.2 河道水閘閘墩裂痕的成因分析及防裂措施探討

河道水閘閘墩在運行過程中,受到外界溫度的影響,溫度的變化會引起閘墩的膨脹或收縮,從而產(chǎn)生應(yīng)力[6]。當溫度變化較大時,閘墩會受到較大的應(yīng)力,導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。在溫暖季節(jié),陽光直射閘墩表面,使其受熱膨脹,產(chǎn)生熱應(yīng)力[7];在寒冷季節(jié),閘墩受冷卻作用收縮,產(chǎn)生冷應(yīng)力。這種溫度變化引起的應(yīng)力,如果超過閘墩的承受能力,就可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生[8]。圖1為某閘墩施工完成時截面溫度等值線分布圖。

由圖1可知,閘墩的溫度分布呈現(xiàn)出內(nèi)部溫度高、表面溫度低、由表及里溫度逐漸升高的規(guī)律,且閘墩的內(nèi)外最高溫差為34℃,溫差明顯。其原因為河道水閘長期處于室外環(huán)境,而室外環(huán)境的溫差變化較大,白天受陽光直射,閘墩受到較高的外界溫度影響;夜晚溫度較低時,閘墩開始散熱,表面溫度低于閘墩內(nèi)部溫度。此外,河道水閘通常用于調(diào)節(jié)水流,當白天水體溫度較高時,閘墩受到來自水體的輻射熱影響開始吸熱;夜間水體溫度較低時,則會對閘墩產(chǎn)生冷卻效應(yīng),而混凝土表面的散熱作用快于內(nèi)部,因此出現(xiàn)隨著溫度下降而帶來的閘墩內(nèi)部溫度高于表面溫度的情況。這種閘墩內(nèi)外溫差大,導(dǎo)致閘墩內(nèi)外不同部位的熱脹冷縮不一致,從而引起內(nèi)部應(yīng)力的累積和釋放,導(dǎo)致閘墩結(jié)構(gòu)的變形或裂縫的產(chǎn)生。

底板與閘墩的澆筑時間間隔,是閘墩裂縫的另一個重要影響因素。底板與閘墩的澆筑時間間隔不當,會導(dǎo)致底板和閘墩在硬化過程中的溫度差異。當溫度差異較大時,產(chǎn)生熱應(yīng)力,引起閘墩的裂縫。此外,底板與閘墩在澆筑后,隨著硬化過程發(fā)生膨脹。如果底板與閘墩的澆筑時間間隔不當,底板的膨脹會導(dǎo)致位移差異,從而對閘墩施加不均勻的應(yīng)力,可能引起裂縫。如果底板與閘墩的澆筑時間間隔過長,會導(dǎo)致底板與閘墩之間存在空隙或界面不牢固,引起應(yīng)力集中,從而增加了閘墩出現(xiàn)裂縫的風險。

綜上所述,溫度變化引起的應(yīng)力問題以及底板與閘墩澆筑時間間隔,是導(dǎo)致河道水閘閘墩產(chǎn)生裂痕的兩個重要原因。因此,研究采用有限元模擬分析,計算溫度應(yīng)力場對水閘應(yīng)力場的影響變化。有限元分析的控制方程如下:

(1)

式中:λ為熱傳導(dǎo)系數(shù);c為比熱容;x、y、z為位置參數(shù);p為密度;T為初始瞬態(tài)時間。

有限元分析是一種常用的數(shù)值模擬方法,可以用于研究水閘閘墩裂痕的成因和分析裂痕對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[9-10]。有限元分析將閘墩結(jié)構(gòu)劃分為許多小的有限元單元,通過求解節(jié)點上的位移和應(yīng)力等參數(shù),得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。

水熱化作為閘墩應(yīng)力影響因素之一,其計算公式如下:

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

(2)

式中:Q(t) 為單位混凝土水熱化;Qn為單位混凝土的最終水熱化形態(tài);a、b為常數(shù),取值分別為0.69和0.56;t為時間。

通過分析模擬結(jié)果,可以評估水閘閘墩的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性,并找出可能導(dǎo)致裂痕形成的原因。同時,有限元分析還可以用于優(yōu)化閘墩的設(shè)計,改善結(jié)構(gòu)的受力情況,減少裂痕的發(fā)生。圖2為閘墩有限元模型。

圖2 閘墩有限元模型

通過建立閘墩的數(shù)學模型,模擬實際工作狀態(tài)下的受力情況,預(yù)測閘墩的應(yīng)力和變形情況,從而評估閘墩的安全性和穩(wěn)定性,并判斷是否存在裂紋的可能性,進而采取相應(yīng)的加固措施。其工作原理為:對閘墩進行建模和分析,將閘墩抽象為網(wǎng)格,每個節(jié)點代表實際結(jié)構(gòu)中的一個位置,并計算節(jié)點之間的力和位移來分析結(jié)構(gòu)。根據(jù)定義的材料特性和溫度條件,進行熱傳導(dǎo)分析,計算出閘墩在不同溫度下的溫度分布情況,并根據(jù)閘墩的溫度分布情況和材料的力學特性,進行熱應(yīng)力分析,計算出閘墩在不同溫度下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)計算結(jié)果,分析閘墩的應(yīng)力分布情況,評估其是否滿足設(shè)計要求。如果發(fā)現(xiàn)應(yīng)力過高或存在應(yīng)力集中的情況,則需要采取相應(yīng)的加固措施。

2 水閘閘墩裂痕防治方法的應(yīng)用效果分析

2.1 閘墩澆筑時間間隔控制在裂痕防治中的作用

為了驗證閘墩澆筑時間間隔對閘墩裂痕的影響,在有限元模型中,設(shè)定1、3、7、14、30和100d的6種施工間隔時間,用來模擬底板和閘墩的拉應(yīng)力變化。結(jié)果見圖3。

圖3 不同施工間隔下底板和閘墩最大拉應(yīng)力

由圖3可知,間隔為1d的最大拉應(yīng)力為0.0～2.3MPa;第7天時最大拉應(yīng)力為1.1MPa;第14天時最大拉應(yīng)力增加了1.2MPa。而施工間隔為3d時,底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了2.9MPa;施工間隔為7d時,底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了3.3MPa;施工間隔為14d時,底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了3.6MPa;施工間隔為30d時,底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了3.7MPa;施工間隔為100d時,底板和閘墩的最大拉應(yīng)力在14天內(nèi)增加了4.7MPa。

由此可以推斷,隨著施工間隔的增加,底板和閘墩的最大拉應(yīng)力呈遞增趨勢,更容易產(chǎn)生裂縫。因此,為了避免水閘裂縫的產(chǎn)生,應(yīng)盡量控制閘墩的澆筑時間間隔,確保底板與閘墩的施工質(zhì)量一致,降低閘墩出現(xiàn)裂縫的風險,從而提高閘墩的穩(wěn)定性和安全性。

將有限元模擬結(jié)果與實際場地觀測數(shù)據(jù)進行對比,以驗證模擬結(jié)果的準確性和可靠性。試驗次數(shù)選為140次,對比結(jié)果見圖4。

圖4 不同澆筑時間間隔下閘墩最大拉應(yīng)力的預(yù)測值與真實值對比圖

由圖4可知,當澆筑時間間隔為1d時,最大拉應(yīng)力的預(yù)測準確度為90%;當澆筑時間間隔為3d時,最大拉應(yīng)力的預(yù)測準確度為93%;當澆筑時間間隔為7d時,最大拉應(yīng)力的預(yù)測準確度為84%;當澆筑時間間隔為14d時,最大拉應(yīng)力的預(yù)測準確度為85%;當澆筑時間間隔為30d時,最大拉應(yīng)力的預(yù)測準確度為89%;當澆筑時間間隔為100d時,最大拉應(yīng)力的預(yù)測準確度為92%。而且隨著試驗次數(shù)的增加,預(yù)測值越接近于真實值,表明底板與閘墩的澆筑時間越長,越容易導(dǎo)致閘墩裂痕的產(chǎn)生。因此,合理控制閘墩與底板之間的澆筑時間間隔是防治閘墩裂痕的重要措施之一。

2.2 設(shè)置冷凝管在裂痕防治中的作用

在閘墩內(nèi)外溫差大產(chǎn)生的熱應(yīng)力下,閘墩易產(chǎn)生裂痕,因此控制閘墩內(nèi)外溫差是防治閘墩裂痕的重要措施。研究在有限元模型的基礎(chǔ)上,在閘墩內(nèi)部鋪設(shè)冷凝管,將閘墩內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)至冷凝管中,然后通過冷卻介質(zhì)的冷卻作用將熱量散發(fā)出去,從而降低閘墩的溫度。試驗對設(shè)置冷凝管與未設(shè)置冷凝管的閘墩應(yīng)力與溫度變化進行對比分析,結(jié)果見圖5。

圖5 設(shè)置冷凝管前后最大應(yīng)力與溫差變化圖

由圖5(a) 可知,閘墩應(yīng)力在第5天左右發(fā)生下降情況。其中,設(shè)置冷凝管的閘墩在第5天的最大應(yīng)力,相較于設(shè)置前的最大應(yīng)力減少100 kPa,在35天內(nèi)的最大應(yīng)力平均減少90～100kPa,表明設(shè)置冷凝管后可有效減少閘墩內(nèi)部的最大應(yīng)力值。由圖5(b)可知,隨著天數(shù)的增加,閘墩內(nèi)部的溫差值呈增加趨勢,且相較于設(shè)置冷凝管前,閘墩的最大溫差值明顯減小。在第14天時,設(shè)置冷凝管的閘墩相較于未設(shè)置冷凝管的閘墩的最大溫差值減少15 ℃,且隨著天數(shù)的增加,最大溫差減少值同樣呈增加趨勢。因此,設(shè)置冷凝管可以有效控制閘墩內(nèi)外的溫差值,避免因冷縮熱脹而帶來較大的應(yīng)力變化,防止河道閘墩產(chǎn)生裂縫。

為了驗證試驗的準確度,對有限元模擬結(jié)果與實際場地觀測數(shù)據(jù),即設(shè)置冷凝管試驗的預(yù)測值與真實值進行比較,結(jié)果見圖6。

圖6 設(shè)置冷凝管前后閘墩最大拉應(yīng)力與最大溫差值的預(yù)測值與真實值對比圖

由圖6可知,冷凝管設(shè)置前后最大應(yīng)力變化的預(yù)測精度平均值為87.2%,冷凝管設(shè)置前后最大溫差變化的預(yù)測精度平均值為87.9%,且隨著試驗天數(shù)的增加,最大應(yīng)力預(yù)測精度與最大溫差預(yù)測精度均保持在85%以上。表明本次試驗的預(yù)測值與真實值相匹配,驗證了冷凝管的敷設(shè)有利于河道閘墩對裂縫的防治。

敷設(shè)冷凝管后,當閘墩內(nèi)部溫度升高時,熱量通過冷凝管傳導(dǎo)至冷卻介質(zhì)中,然后被冷卻介質(zhì)帶走,從而降低閘墩的溫度。通過使用冷凝管,可以有效控制閘墩內(nèi)外溫差,減少溫度應(yīng)力的產(chǎn)生,從而降低閘墩裂痕的風險。由此可知,冷凝管在閘墩溫差控制中起到重要作用,能夠有效降低溫度應(yīng)力,減少閘墩裂痕的發(fā)生,保證閘墩的安全和穩(wěn)定運行。

3 結(jié) 論

針對河道水閘閘墩裂縫問題亟待解決的現(xiàn)狀,本文提出利用有限元模型進行建模,從閘墩內(nèi)外溫差和閘墩澆筑時間間隔兩方面出發(fā),尋找閘墩防裂的有效防治方案。結(jié)果顯示,澆筑間隔為1天的閘墩最大拉應(yīng)力為0.0～2.3MPa,至間隔14天時最大拉應(yīng)力增加了1.2MPa,表明澆筑間隔時間越長,閘墩產(chǎn)生裂縫的風險越大。在解決閘墩溫差方面,設(shè)置冷凝管的閘墩第5天的最大應(yīng)力相較于設(shè)置前的最大應(yīng)力減少了100kPa,表明隨著天數(shù)的增加,設(shè)置冷凝管后的閘墩最大溫差值明顯減小。因此,減少澆筑時間間隔和設(shè)置冷凝管可以有效防止河道水閘閘墩裂痕問題。