参窝水库溢流坝闸墩裂缝加固处理效果分析

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摘要 参窝水库运行以来，溢流坝闸墩出现竖向活动裂缝，危及结构安全，提出适宜的修补加固技术，并对修补加固处理后的结构采用ANSYS软件进行受力状态有限元计算分析，得出闸墩混凝土裂缝修补加固后安全可靠，裂缝不再继续扩展，工程可安全运行，继续发挥其效益。

关键词 溢流坝闸墩；裂缝；修补加固；效果；参窝水库

中图分类号 TV543+.6 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）03-0210-02

1 参窝水库溢流坝闸墩概况

参窝水库设计于1973年，是太子河干流上的二型水利枢纽工程。大坝为混凝土重力坝，共31个坝段，其中15个坝段为溢流坝段，共设14个12 m×12 m溢流表孔、6个3.5 m×8.0 m导流泄洪底孔。溢流表孔由弧形闸门控制泄流（图1）。

溢流坝段闸墩顺水流方向长度32.3 m，闸墩共15个，其中2.5 m宽的边墩2个，9 m宽的宽墩6个，4 m宽的窄墩7个，宽墩和窄墩间隔布置（静距12 m）。

1975年检查中，发现15个闸墩中有11个闸墩出现裂缝，大部分位于牛腿受力筋以外，即扇形筋末端。1981年、1983年、1985年又进行了检查，发现裂缝数量逐年有所增加，2006年检查中发现许多原有裂缝有了新的发展变化，摘取部分年份10#闸墩裂缝检查结果进行比对（图2）。

经混凝土裂缝连续监测结果统计分析，各条裂缝多年平均宽度为0.85～1.95 mm，最大变幅为0.29～0.63 mm，最大裂缝宽度为1.02～2.26 mm，最小裂缝宽度为0.65～1.73 mm。根据《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程》（中华人民共和国电力行业标准，DL/T 5251-2010）之规定，判断裂缝属D类裂缝，且属活动裂缝。该类裂缝危及混凝土结构安全，需要进行补强加固处理[1-2]。

2 混凝土裂缝修补加固技术

溢流坝闸墩裂缝修补加固技术采用组合式方法。首先在裂缝表面手刮聚脲等弹性类防护材料，进行表面封堵和防护；然后采用弹性聚氨酯浆材灌筑的方法，连接裂缝两侧混凝土，封闭裂缝通道，避免水分侵入；最后采用碳纤维网格布CFRP（厚度3 mm、宽度0.6 m、长度7.5 m）在结构体外设5道进行加固（在闸墩检修井上部外侧，沿竖直方向每隔2 m设置1道，共4道，在检修井变截面处增设1道，总共5道），使破坏的混凝土结构恢复为整体。

3 闸墩计算模型及边界条件

采用整体式模型和组合式模型2种模型，SOLID65三维实体单元模拟混凝土（考虑温度荷载时使用SOLID70热单元）；组合式模型中的钢筋采用LINK8单元模拟；碳纤维网格布（CFRP）采用SHELL41薄壳单元模拟。混凝土材料的特性是抗压不抗拉，而钢筋与CFRP的特性是抗拉不抗压，计算过程中，几乎可以忽略后二者的抗压强度，3种材料的计算用力学参数见表1。

根据资料显示，当坝体受温升荷载作用时，产生向上游的水平变形，此时坝体迎水面受静水压力向下游作用[3-4]；当坝体受温降荷载作用时，产生向下游的水平变形，而坝体受水压力作用也向下游变形，因此冬季温降荷载对坝体最为不利，考虑温度荷载时只考虑冬季温降作用。坝址和库区经鉴定为六度地震区，计算荷载时不考虑地震作用。此外，在分析闸墩开裂的原因时，主要关注的是闸墩裂缝位置及其周围混凝土强度，可以忽略大坝基底扬压力和淤沙压力的影响。根据以上分析，计算时主要考虑上游静水荷载、闸墩上部荷载、闸门推力荷载、温降荷载[5-6]。

4 修补加固效果评估分析

采用ANSYS软件，对修补加固后闸墩的受力状态进行有限元计算分析。修补加固后的闸墩第一主应力云图见图3。

修补加固后的闸墩大部分区域处于受压状态，最大压应力也远小于混凝土的抗压强度。拉应力主要集中在CFRP网格布上及检修井周围，并且较大拉应力出现在CFRP网格布处，最大拉应力数值仅为1.30 MPa，不会引起混凝土的破坏。检修井井壁混凝土处在受压与受拉边界，数值<1.30 MPa，但是仅从第一主应力云图上看，不能直接判断裂缝周围的受力情况。

查看闸墩整体Y方向应力云图（图4）。从图4可以看出，修补加固后的闸墩整体Y方向应力云图等值线变化趋势与闸墩整体第一主应力云图中的等值线变化趋势基本相同，拉应力出现在检修井周围，并且明显可以看出，第3道网格布所受拉应力值最大，但最大Y方向拉应力也仅为1.24 MPa，不会引起混凝土或CFRP网格布的开裂。

闸墩修补加固之前，整体受拉区为检修井两侧井壁处，现查看检修井井壁处的应力状态，结果见图5和图6。

从局部应力云图中可以更明显看出，修补加固后的闸墩原先拉应力集中区的应力传递产生了变化，混凝土所受拉应力明显减小，而拉应力主要是由CFRP网格布来承担，并且是由5道CFRP网格布共同分担。这样大大减弱了闸门开启时传递至检修井井壁处，混凝土所受的拉应力数值，虽然第3～5道CFRP网格布受到相对较大的拉应力，但是碳纤维布的抗拉强度远大于此，可以判定此种情况下的结构不会发生破坏。

沿原有混凝土竖向裂缝，在靠近牛腿一侧由上至下依次选取A、B、C、D、E、F、G、H、I、J共10个节点，在远离牛腿一侧由上至下依次选取K、L、M、N、O、P、Q、R、S、T共10个节点，提取这20个节点的应力数据（表2）。

从表2可以看出，大部分节点处（即闸墩原有裂缝两侧混凝土）在修补加固后同样处于受拉状态，但拉应力数值显著降低，完全小于混凝土的抗拉强度；部分节点处第一主应力数值呈现出压应力，即变化为受拉状态；存在一部分节点的Y向应力数值不是与第一主应力数值最为接近，当然，总体来看Y向应力仍然是3个方向应力中与第一主应力最接近的。出现这些状况的原因是由于CFRP碳纤维网格布的添加，改变了闸墩原有结构的受力传递方式，闸门开启时作用的闸墩上的荷载及其他外力荷载在检修井井壁处形成的拉应力主要由CFRP碳纤维网格布来承担，大大降低了混凝土所受的拉应力，从数值上来看，混凝土不会发生断裂，原有裂缝也不会扩展。

5 结语

闸墩裂缝通过采用弹性聚氨酯嵌缝灌浆、手刮聚脲表面封闭及5道CFRP碳纤维网格布外贴修补加固后，运用ANSYS软件进行有限元计算分析，闸墩的整体性得到了有效地恢复，CFRP碳纤维网格布的存在使检修井井壁不再出现过大的拉应力，闸墩混凝土能够协同工作，消除了闸墩裂缝对结构的不利影响，使闸墩整体结构达到稳定要求，原有裂缝不会再继续扩展，工程可以继续发挥效益。

6 参考文献

[1] 王利民.混凝土坝坝体裂缝浅析[J].海河水利，2002（5）：42-44.

[2] 岳峰.某水库闸墩裂缝普查及补强加固方法探讨[J].甘肃水利水电技术，2010（5）：42-43.

[3] 王义勇，周文祥.某大坝闸墩裂缝检查与成因分析[J].农业与技术，2009（4）：100-103.

[4] 肖翔，李振青，周晓雁，等.病险水工程裂缝修补技术[M].北京：中国水利水电出版社，2009.

[5] 中华人民共和国电力行业标准.DL/T 5251-2010水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程[S].北京：中国标准出版社，2010.

[6] 尚小江，邱峰，赵海峰，等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

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