易 鑫，王 偉，李 剛

(湖南華城檢測(cè)技術(shù)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410017)

1 工程概況

本工程為一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運(yùn)、養(yǎng)殖等綜合效益的大(1)型水利水電工程。主要由主壩、Ⅰ～Ⅲ副壩、第一溢洪道、第二溢洪道、泄空洞、發(fā)電引水系統(tǒng)(2套)和廠房、灌溉取水及通航建筑物等組成。

第二溢洪道位于Ⅰ副壩左端，與壩頭緊相連。本溢洪道為一等Ⅰ級(jí)建筑物，建于1981年，啟用標(biāo)準(zhǔn)是：庫(kù)水位達(dá)69.4 m或200 a一遇洪水(擴(kuò)建后增加為310 a一遇洪水)，建成至今未正式啟用。

第二溢洪道閘墩(6個(gè)中墩、2個(gè)邊墩)，中墩厚3.5 m，長(zhǎng)33 m；左邊墩為衡重式擋墻，頂寬2 m，底寬9 m，右邊墩為衡重式擋墻加四道刺墻。建成后不久，各閘墩中部均出現(xiàn)裂縫，以左邊墩向下部發(fā)展較深，達(dá)12 m，裂縫在墩頂最大寬度為0.33 mm。

2 ADINA有限元分析軟件建模分析

本次溢洪道閘墩采用了ADINA[1]結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)典型閘墩裂縫出現(xiàn)前后不同工況下進(jìn)行分析研究。

2.1 計(jì)算參數(shù)

因閘墩混凝土主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等級(jí)為60 d齡期200號(hào)及150號(hào)和250號(hào)，其強(qiáng)度等級(jí)按照目前混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范約等于標(biāo)號(hào)為C18混凝土，本次計(jì)算考慮其部分高標(biāo)號(hào)混凝土摻入，采用C20混凝土的相關(guān)參數(shù)[2]，相關(guān)混凝土強(qiáng)度及特性見(jiàn)表1，鋼筋采用HPB235和HRB335鋼筋，鋼筋與鋼材的特性及強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表1 混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及特性表

因部分資料缺失，缺少溢洪道閘地質(zhì)資料，根據(jù)部分實(shí)地勘測(cè)素描圖紙顯示，閘墩下部主要為不純灰?guī)r與鈣質(zhì)頁(yè)巖互層，根據(jù)部分地質(zhì)素描圖并結(jié)合類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，該地質(zhì)在進(jìn)行線彈性有限元計(jì)算分析時(shí)選取巖體密度為2 550 kg/m3，泊松比為0.23，彈性模量在計(jì)算過(guò)程取5 GPa。

表2 鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及特性

2.2 計(jì)算荷載及工況

根據(jù)設(shè)計(jì)資料及相關(guān)規(guī)范[3]，選取3號(hào)閘墩(中墩)作為本次計(jì)算分析典型代表，計(jì)算分以下八種工況進(jìn)行，具體工況見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算荷載工況

2.2.1 靜水壓力

從本工程實(shí)際受力狀況考慮，結(jié)合閘墩裂縫實(shí)際情況，計(jì)算時(shí)選取設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。

設(shè)計(jì)洪水位工況，上游水位高程70.13 m；

校核洪水位工況，上游水位高程73.01 m。

2.2.2 揚(yáng)壓力

揚(yáng)壓力由壓力強(qiáng)度等于下游水深的浮托力和由上游滲至下游而引起的滲透壓力兩部分組成，采用計(jì)算的揚(yáng)壓力圖形見(jiàn)圖1。

2.2.3 泥沙壓力

分別考慮淤沙的重量與水平向壓力的作用。水平向泥沙壓力計(jì)算公式為：

(1)

其中，Ps為水平向泥沙壓力強(qiáng)度；γs為泥沙浮容重，取5 kN/m3；hs為計(jì)算點(diǎn)以上的泥沙高度(本次設(shè)計(jì)沒(méi)搜集到相應(yīng)資料，故暫不考慮)；φ為泥沙的內(nèi)摩擦角，取0。

2.2.4 動(dòng)水壓力

作用在溢流壩段反弧段上的動(dòng)水壓力分量為：

(2)

其中，PH,PV分別為總動(dòng)水壓力的水平和鉛直分量；α1,α2分別為反弧最低點(diǎn)兩側(cè)弧段所對(duì)的中心角；q為單寬流量；γ為水的容重；g為重力加速度；v為水的流速。

2.2.5 其他荷載

其他荷載主要包含弧門(mén)啟閉荷載、水推力、公路橋汽車(chē)荷載(按照公路二級(jí)汽車(chē)荷載考慮)、門(mén)機(jī)荷載等，以上荷載均以集中荷載或均布荷載施加至相應(yīng)結(jié)構(gòu)部位。

2.3 模型建立

整體有限元模型[4]按照標(biāo)準(zhǔn)閘段設(shè)計(jì)資料進(jìn)行建模(本次選取3號(hào)中閘墩為分析對(duì)象)，標(biāo)準(zhǔn)段寬14.5 m，堰頂高程54 m，閘墩厚3.5 m。模型詳見(jiàn)圖2。

2.4 地基地應(yīng)力平衡下沉降分析

本水閘已建成30多年，基礎(chǔ)固結(jié)沉降早已完成。本次在計(jì)算分析前進(jìn)行地應(yīng)力平衡就是通過(guò)施加初始地應(yīng)力使這個(gè)基礎(chǔ)變形為0，與實(shí)際相符。圖3可以看出地應(yīng)力平衡之后的沉降狀況才符合實(shí)際沉降。

2.5 相關(guān)計(jì)算結(jié)果及分析

為便于對(duì)裂縫進(jìn)行比對(duì)分析，在本次計(jì)算閘墩整體受力性能時(shí)，還須對(duì)裂縫部位的受力特性進(jìn)行分析，針對(duì)裂縫形式，本次選取裂縫部位分析控制點(diǎn)，具體如圖4所示。

2.5.1 工況1：設(shè)計(jì)洪水位(閘門(mén)關(guān)閉)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖(如圖5，圖6所示)，在設(shè)計(jì)洪水情況下(閘門(mén)關(guān)閉)，閘墩未開(kāi)裂前整個(gè)閘墩受力狀況良好，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿根部，排除應(yīng)力集中的影響，其根部拉應(yīng)力達(dá)1.8×103kPa，但由于牛腿射線鋼筋的作用，局部較大拉應(yīng)力被傳遞至周邊，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。而裂縫[5]開(kāi)裂位置，總體上是受壓，其最大主拉應(yīng)力在240.59 kPa左右，小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

2.5.2 工況2：設(shè)計(jì)洪水位(閘門(mén)全開(kāi))

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖(如圖7，圖8所示)，在設(shè)計(jì)洪水情況下(閘門(mén)全開(kāi))，閘墩未開(kāi)裂前整個(gè)閘墩受力狀況良好，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿根部，排除應(yīng)力集中的影響，其根部拉應(yīng)力為0.9×103kPa，但由于牛腿射線鋼筋的作用，局部較大拉應(yīng)力被傳遞至周邊，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。而裂縫開(kāi)裂位置，總體上是受壓，其最大主拉應(yīng)力在60.25 kPa左右，小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

2.5.3 工況3：校核洪水位(閘門(mén)關(guān)閉)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖(如圖9，圖10所示)，在校核洪水情況下(閘門(mén)關(guān)閉)，閘墩未開(kāi)裂前整個(gè)閘墩受力狀況良好，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿根部，排除應(yīng)力集中的影響，其根部拉應(yīng)力達(dá)2.0×103kPa，但由于牛腿射線鋼筋的作用，局部較大拉應(yīng)力被傳遞至周邊，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。而裂縫開(kāi)裂位置，總體上是受壓，其最大主拉應(yīng)力在249.52 kPa左右，小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

2.5.4 工況4：校核洪水位(閘門(mén)全開(kāi))

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖(如圖11，圖12所示)，在校核洪水情況下(閘門(mén)全開(kāi))，閘墩未開(kāi)裂前整個(gè)閘墩受力狀況良好，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿根部，排除應(yīng)力集中的影響，其根部拉應(yīng)力為0.95×103kPa，但由于牛腿射線鋼筋的作用，局部較大拉應(yīng)力被傳遞至周邊，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。而裂縫開(kāi)裂位置，總體上是受壓狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力在69.18 kPa左右，小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

2.5.5 工況5：閘墩開(kāi)裂設(shè)計(jì)洪水位(閘門(mén)關(guān)閉)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖(如圖13～圖16所示)，在設(shè)計(jì)洪水情況下(閘門(mén)關(guān)閉)，閘墩未開(kāi)裂前整個(gè)閘墩受力狀況良好，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿根部，排除應(yīng)力集中的影響，其根部拉應(yīng)力達(dá)2.5×103kPa，但由于牛腿射線鋼筋的作用，而且應(yīng)力集中范圍較小，局部較大拉應(yīng)力被傳遞至周邊，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。而裂縫開(kāi)裂位置，總體上是受壓狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力在2.51 kPa左右，遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

2.5.6 工況6：閘墩開(kāi)裂設(shè)計(jì)洪水位(閘門(mén)全開(kāi))

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖(如圖17～圖20所示)，在設(shè)計(jì)洪水情況下(閘門(mén)全開(kāi))，閘墩未開(kāi)裂前整個(gè)閘墩受力狀況良好，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿根部，排除應(yīng)力集中的影響，其根部拉應(yīng)力達(dá)2.2×103kPa，但由于牛腿射線鋼筋的作用，而且應(yīng)力集中范圍較小，局部較大拉應(yīng)力被傳遞至周邊，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。而裂縫開(kāi)裂位置，總體上是受壓狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力在2.08 kPa左右，遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

2.5.7 工況7：閘墩開(kāi)裂校核洪水位(閘門(mén)關(guān)閉)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖(如圖21～圖24所示)，在校核洪水情況下(閘門(mén)關(guān)閉)，閘墩未開(kāi)裂前整個(gè)閘墩受力狀況良好，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿根部，排除應(yīng)力集中的影響，其根部拉應(yīng)力達(dá)2.65×103kPa，但由于牛腿射線鋼筋的作用，而且應(yīng)力集中范圍較小，局部較大拉應(yīng)力被傳遞至周邊，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。而裂縫開(kāi)裂位置，總體上是受壓狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力在2.32 kPa左右，遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

2.5.8 工況8：閘墩開(kāi)裂校核洪水位(閘門(mén)全開(kāi))

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖(如圖25～圖28所示)，在校核洪水情況下(閘門(mén)全開(kāi))，閘墩未開(kāi)裂前整個(gè)閘墩受力狀況良好，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿根部，排除應(yīng)力集中的影響，其根部拉應(yīng)力達(dá)2.25×103kPa，但由于牛腿射線鋼筋的作用，而且應(yīng)力集中范圍較小，局部較大拉應(yīng)力被傳遞至周邊，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞。而裂縫開(kāi)裂位置，總體上是受壓狀態(tài)，其最大主拉應(yīng)力在1.88 kPa左右，遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

3 裂縫受力特性分析

通過(guò)對(duì)以上8種工況的計(jì)算分析，為研究裂縫周邊受力特性，分別從計(jì)算成果中提取裂縫周邊控制點(diǎn)第一主應(yīng)力(主拉應(yīng)力)和第三主應(yīng)力(主壓應(yīng)力)，具體見(jiàn)表4，表5。

表4 不同工況下裂縫周邊應(yīng)力情況對(duì)比表(一) kPa

表5 不同工況下裂縫周邊應(yīng)力情況對(duì)比表(二) kPa

通過(guò)對(duì)以上八種工況的計(jì)算對(duì)比分析可知：

1)閘墩原結(jié)構(gòu)(未開(kāi)裂前)裂縫周邊應(yīng)力均較小，最大拉應(yīng)力為0.25×103kPa，均遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度；

2)閘墩結(jié)構(gòu)裂縫開(kāi)裂位置，總體上是受壓狀態(tài)，在閘墩開(kāi)裂設(shè)計(jì)洪水位(閘門(mén)關(guān)閉)工況下，其最大主拉應(yīng)力在249.52 kPa左右，遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)閘墩中部出現(xiàn)的裂縫，選取典型代表性閘墩(3號(hào)中閘墩)，采用ADINA有限元分析軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，主要研究原閘墩在開(kāi)裂前后的受力性能，得到以下結(jié)論：

1)閘墩原結(jié)構(gòu)(未開(kāi)裂前)裂縫周邊應(yīng)力均較小，最大拉應(yīng)力為0.25×103kPa，均遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強(qiáng)度，故原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，排除施工等因素，基本可以判定該裂縫不屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因造成。

2)根據(jù)計(jì)算成果分析對(duì)比表和閘墩應(yīng)力云圖，可得出閘墩在開(kāi)裂后裂縫周邊應(yīng)力得到釋放，裂縫周邊主拉壓應(yīng)力均變小，裂縫經(jīng)過(guò)30多年時(shí)間，已趨向穩(wěn)定，裂縫以下結(jié)構(gòu)部位主拉應(yīng)力也比原來(lái)較小，而且小于混凝土抗拉強(qiáng)度，基于該受力情況，可以推斷裂縫不會(huì)繼續(xù)向下擴(kuò)展。

3)后期應(yīng)做好裂縫的封閉防護(hù)，防止裂縫碳化鋼筋銹蝕等情況繼續(xù)發(fā)展，否則會(huì)較嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，對(duì)后期的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生一定的隱患。