摘要 水库运行后出现溢流坝闸墩竖向裂缝，在调查与检测基础上，运用ANSYS有限元软件及线性静力学理论，分析静水荷载、闸墩上部重力荷载、闸门开启荷载、温度荷载等组合荷载作用下对闸墩整体结构应力分布计算，分析了闸墩混凝土危险区域及裂缝成因，提出裂缝修补加固技术，为类似工程问题提供借鉴。
关键词 水库；溢流坝闸墩；裂缝；成因；修补加固技术；ANSYS
中图分类号 TV698.2+2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）09-0235-03
Repair and Reinforcement Technology of Sluice Pier Cracks in Reservoir Overflow Dam
XIA Hai-jiang 1，2 LIANG Li 1 WANG Liang 2
（1 College of Resources and Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang Liaoning 110819； 2 Research Institute of Water Resources and Hydropower Science in Liaoning Province）
Abstract Sluice pier vertical cracks appeared after the reservoir operated.Based on the investigation and detection，finite element software ANSYS and Linear Static theory were employed to analyze the stress distribution of pier structure in the overall and location of the crack from the perspective of linear static on hydrostatic pressure，upper load of pier，opening load of sluice gates，temperature load.The causes of the pier concrete crack were discussed，and the repair and reinforcement technology for crack was put forward to provide reference for the similar engineering problems.
Key words reservoir；overflow dam；sluice pier；crack；causes；repair and reinforcement technology；ANSYS
水库在防洪、发电、灌溉、供水、航运和渔业等方面发挥了极其重要的作用，为国民经济发展和保障人民群众的生命财产安全做出了重要贡献。然而，由于受到人为因素和自然因素的影响，水库溃坝事故时有发生。水库大坝一旦失事，产生的洪水会对下游造成灾难性的破坏。随着水库下游固定资产和人口数量的日益增长，同样量级洪水造成的损失将成倍增加。因此，保证坝体结构的安全就显得尤其重要[1]。
研究闸墩裂缝成因及修补加固的意义：一是了解和掌握混凝土水坝闸墩裂缝对大坝安全性的影响程度。对于任何建筑物都要满足正常使用功能的要求，不同领域都有其相关的规范或规程。通过分析闸墩裂缝可以为大坝安全提供更好的力学依据。二是对水库大坝的正常使用起到预警、保护作用。通过掌握闸墩裂缝的成因及对修补加固方案的可行性分析，可以采取相应的保护措施，对大坝的正常使用起到保护作用。三是对类似工程起到一定的借鉴作用。不仅是混凝土闸墩裂缝的成因，还可以是坝踵裂缝或其他原因。通过掌握规律，可以为类似工程提供一定的借鉴。
1 工程背景
水库始建于1960年，由于当年遭遇特大洪水而被迫停工，1970年续建，1974年竣工。该水库位于太子河干流上，是以防洪、灌溉、工业供水为主，兼有发电的大型水利枢纽工程，坝址上有流域面积6 175 km2，总库容7.9亿m3，大坝为二级建筑物。溢流坝段闸墩顺水流方向长度32.3 m，桩号为0-4～0+28闸墩共15个，其中2.5 m宽的边墩2个，9 m宽的胖墩6个，4 m宽的瘦墩7个，胖墩和瘦墩间隔布置（静距12 m）。胖墩内布置3道导流泄洪底孔工作闸门和检修井，其中最大检修井截面尺寸为7.0 m×5.5 m，并在中部处缩减，由于常年降水积留，现检修井内部都积蓄了不等量的积水。弧形闸门推力支承铰支座位于闸墩上高程93 m、桩号0+18.5处，有突出牛腿[2]。
1975年检查发现在15个闸墩中有11个闸墩出现裂缝，其形状比较规则，大部分位于牛腿受力筋以外，即扇形筋末端，当时仅10#坝段的闸墩两侧有相对对称的裂缝。1981年检查时发现已有9个坝段的闸墩两侧出现了13对裂缝，其中3对在牛腿部位，但均未发展至墩顶。1983年、1985年又进行了2次检查，虽然裂缝数量有所增加，但是主要裂缝的状态无太大变化。2006年再次进行了裂缝检查，这次检查中发现了许多新增的裂缝，同时发现许多原有的裂缝又有了新的发展变化。2006年至今，一直保持对裂缝进行跟踪测量，裂缝呈现出逐渐扩展的趋势[3]。
2 闸墩有限元模型
本文采用整体式模型对闸墩进行应力状态分析。整体式模型：也称分布式模型或弥散钢筋模型，即将钢筋连续均匀分布于整个单元中，综合了混凝土与钢筋对刚度的贡献，其单元仅为SOLID65，通过参数设定钢筋分布情况。当分析区域较大受计算机软件和硬件的限制，无法将钢筋和混凝土分别划分单元，同时人们所关心的计算结果是结构在外载荷作用下的宏观反应（如结构的总体位移和应力分布情况等），这种情况下采用整体式模型比较合适。整体式模型的这些特点，用于分析水库闸墩大型混凝土结构的裂缝成因较为合适[4]。
依照闸墩实际结构尺寸，采用笛卡尔三维直角坐标系建模，设定闸墩竖向为Z方向，底面为XOY平面，向上为正方向；闸墩纵向，即墩尾至墩前方向为Y轴正方向；闸墩横向为X方向。闸墩纵向长32.3 m，高21.55 m，宽9 m，纵向前部为底面半径4.5 m的半圆柱，墩间3道检修井孔洞依实际尺寸建立。闸墩模型共分为21个体，用于设定不同配筋率及施加荷载，同时方便划分网格。闸墩牛腿处为突出结构，是由墩体外伸出的梯形台，其与闸墩相接处扇面扩展部分配筋率相比闸墩结构其他部位略大，建模过程中首先将其建出。最后，使用布尔操作，消去重合与多余的线和面。
采用映射与自由2种划分网格的方式，对裂缝产生位置、牛腿处以及闸墩前部等均采用映射划分，对墩尾等部位采用自由网格划分[5]。对基本单元控制为1 m划分；闸墩裂缝处混凝土厚度不足1 m，对该处单元控制为竖向与纵向1 m、横向0.5 m划分；牛腿处结构较为复杂，对此处单元控制为纵向1 m、横向与竖向0.5 m划分。最终，闸墩有限元模型一共划分为111 020个单元、59 781个节点。划分网格后的闸墩有限元模型见图1。
闸墩前部为迎水面，在与水接触的圆柱面上添加梯度水压力，数值由水面处以柱面坐标逐渐递增至墩底，该数值需由水库资料查得的历年水位幅值，取正常运行水位。闸墩底部架设在大坝上，与坝底基础相联，经现场监测数据显示，闸墩无竖向沉降，且墩底两侧皆有溢流坝泄洪坡，限制了闸墩的侧移，因此对底面施加固定端约束。闸墩顶部前端为坝顶路面，实为现浇混凝土盖板，可去掉该混凝土盖板，并与设计荷载一同简化为均布荷载加至闸墩顶部；同理，水力发电机房也简化为均布荷载施加在墩顶。闸墩两侧牛腿处安装固定铰支座，与钢闸门通过“工”字钢臂连接，前部作用于闸门上的净水压力也通过闸门及钢臂传递至铰支座处，故牛腿处施加的荷载为可变荷载，随水位高低、闸门开启与闭合而变化。
3 闸墩裂缝成因分析
坝址和库区经鉴定为六度地震区，计算荷载中不考虑地震作用。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。计算中，混凝土弹性模量取为2.6×104 MPa，计算容重取为25 kN/m3，泊松比取为0.22。
参照水库实际工作中的运行情况，静水荷载与闸墩上部荷载为固定荷载。对闸墩受力状态引起变化的即为闸门的闭合或开启荷载，因此对水库闸墩拟按2种工况进行有限元计算，即闸门闭合时闸墩应力状态分析和闸门开启时闸墩应力状态分析。
首先分析闸墩自重、静水荷载、闸墩上部荷载及闸门闭合几种荷载作用情况下闸墩的受力状态，使用ANSYS计算后的闸墩整体和局部第一主应力云图见图2和图3。
由闸墩整体和局部第一主应力云图可以看出，闸墩大部分处于受压状态，且压应力值远小于混凝土的抗压强度，显然，闸墩裂缝的形成并非压裂。而闸墩结构中的受拉区，主要集中在7.0 m×5.5 m检修井井壁和闸墩牛腿处，并且全部集中在闸墩中部偏上，在牛腿处出现应力集中现象，且拉应力较大区域呈竖向延展，其值主要在0.53～1.41 MPa之间，小于混凝土抗拉强度2.01 MPa。此时闸墩混凝土不会发生断裂。
接下来分析闸墩自重，静水荷载，闸墩上部荷载及闸门开启几种情况下的共同作用。这里，只分析闸门开启至最大位置时的静力状态。这是因为，闸门开启的过程十分缓慢，对牛腿处的动力效应不是很明显，所以可以采用静力分析。伴随闸门的开启，闸门中轴线与水平方向的角度逐渐增大，闸门自重荷载对牛腿处的分量也逐渐增加。当闸门开启到最大位置时，闸门中轴线与水平方向角度达到最大值，此时作用在牛腿处的压应力也随之达到最大值，也就是说，牛腿处在这时承受闸门运转过程中的最大荷载，闸墩也在此时进入最危险状态。计算后的闸墩整体和局部第一主应力云图见图4和图5。
对比计算后闸墩整体和局部第一主应力云图可以看出，二者虽然数值上存在差异，但是走势基本相同，都是沿闸墩竖向延伸。在闸门开启时，闸墩大部分位置仍然以压应力为主，且压应力最大值仅为4.00 MPa，并不会将混凝土压裂。同样，在牛腿周围、检修井井壁处出现拉应力区，数值上看应在3.39～7.09 MPa之间，这个值已经超过了混凝土的抗拉强度，显然，混凝土将会产生横向断裂。
考虑温度和闸墩混凝土自重的情况。首先将计算内容由Structural改为Thermal，即由结构分析变为温度分析，添加SOLID70单元，并导入混凝土的导热系数（5.0 W/m·h·℃）。先利用ANSYS中的Switch Elem Type命令，把闸墩模型中所有SOLID65单元用SOLID70单元置换。初始温度设定为0 ℃。再选取闸墩表面与大气和水接触的节点，施加表面温度，参照当地气象数据，与大气接触表面选定为-20 ℃，与水接触表面按高程90.35 m处水温-2 ℃。计算后，将计算结果保存。再把全部SOLID70单元重新替换为SOLID65单元，将其由温度材料转为结构材料，把温度分析计算结果作为结构载荷读入，再添加竖向重力加速度，最后计算结果见图6。
从温度荷载和闸墩自重对闸墩的计算结果中可以看出，闸墩结构中拉应力区主要出现在闸墩7.0 m×5.5 m检修井周围，而其他大部分区域存在的都是压应力。在闸墩整个结构中，所受的压应力最大值也仅为0.23 MPa左右，拉应力值略大一些，为0.33 MPa左右。这些数值与工况一、工况二的计算结果比较，均缩小1个数量级，跟混凝土的抗压强度和抗拉强度比起来小得多，不会引起闸墩混凝土的破坏。
从闸墩自身结构角度分析，闸墩检修井上部两侧井壁设计厚度仅为1 m，配筋采用Φ19双排布置，在牛腿附近的扇面区域，设计厚度尚且不足1 m。而检修井中部以下，由于截面改变，井壁厚度增大至2.25 m，对比结算结果及实际闸墩情况，检修井下部主要存在的是压应力，而所受拉应力数值也很小，不会引起混凝土的破坏或开裂，实际检修井下部也没有产生明显裂缝。由此可以确定，在闸墩检修井处，因为井壁截面过小，必须要传递较大的应力，该应力值一旦大于混凝土的抗拉强度，就会引起混凝土的开裂。
4 裂缝修补加固技术
4.1 表面封堵与扩护
溢流坝闸墩裂缝属深层或贯穿的活动裂缝，筛选其修补加固方法为组合方法[6]，具体有以下方面。
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。主要施工工艺为：①表面清理。钢筋头割除，混凝土表面找平凿毛，混凝土蜂窝等缺陷处修补，混凝土表面打磨，混凝土表面清洗。②刷涂界面剂。③刮涂SK。手刮聚脲1遍（部分位置需加设胎基布），第1遍采用经稀释的材料，涂膜总厚度应大于1 mm。④刮涂SK。手刮聚脲2遍。⑤养护。空气中养护。
4.2 灌筑
裂缝表面处理后，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。主要施工工艺为：①钻孔。采用钻孔机，在裂缝两侧、垂直裂缝表面走向、与开裂面间夹角小于45°错位钻孔，钻孔深度为结构厚度的1/3～2/3，钻孔必须穿过裂缝，钻孔与裂缝间距小于结构厚度的1/2。钻孔间距20～60 cm。②清理。采用高压水流（0.1 MPa）清洗U形槽与注浆孔，清除表面松动颗粒、粉尘，保持表面干净、新鲜、润湿。③埋设注浆嘴。在钻好的孔内安装注浆嘴（注浆嘴总长度8.5 cm，外径1.4 cm，下部膨胀螺栓部分长度3.4 cm），埋入钻孔内深度4 cm左右，并用专用内六角扳手拧紧环压螺栓，压缩橡胶套管，使注浆嘴固定在注浆孔内，并与孔壁密贴、无空隙、不漏水。④注水。从最低处观察孔开始依次向上，用高压清洗机以2 MPa的压力向注浆嘴内注入洁净水，观察其他注浆孔出水情况。若相邻上部的注浆孔有水涌出，说明该注浆孔与裂缝连通良好。移至涌水注浆孔的邻近上部注浆孔注水，直至全部注浆孔均与裂缝连通良好为止。⑤灌浆。灌浆顺序为由下向上，单孔逐一连续进行。当相邻灌浆孔开始出浆并且压力达到25 MPa后，保持压力2～3 min，即可停止该灌浆孔灌浆，移至相邻灌浆孔灌浆，直至最上部位灌浆孔灌浆完成。⑥拆嘴。灌浆完毕，待浆液终凝，一般灌浆完成24 h后，确认不漏即可去掉或敲掉外露的灌浆嘴。清理干净已固化的溢漏出的灌浆液。⑦封口。用速凝封堵材料进行注浆孔的修补、封口处理。⑧表面封堵。最后在修补好的裂缝表面填装柔性止水填料、涂刷界面剂、进行表面封堵。
4.3 结构补强与加固
上述手刮、灌浆措施封闭了裂缝，并使已经破坏的混凝土结构恢复为形式上的一体，但不能成为能够共同抵抗外力的一体，或能够共同抵抗外力的能力很微小的一体，并没有从根本上提高结构的受力性能。因此，需要对混凝土结构进一步采取结构补强技术，使破坏的混凝土结构恢复为真正的一体。最后采用CFRP结构加固技术，使破坏的混凝土结构恢复为整体。主要施工工艺为粘贴。
5 结语
综合以上分析可以得出结论：当闸门闭合时，静水荷载对闸墩的开裂具有一定的威胁，但不是主要原因。当钢闸门开启至最大位置时，闸墩极有可能在检修井井壁产生竖向裂缝，闸门开启荷载是闸墩裂缝的主要荷载原因。温度荷载对闸墩混凝土引起的应力较小，不是闸墩混凝土开裂的主要原因。闸墩裂缝的主要结构成因为检修井井壁混凝土截面过小，配筋率不足。溢流坝闸墩裂缝属深层或贯穿的活动裂缝，筛选其修补加固方法为组合方法。首先采用弹性聚氨酯浆材灌筑，然后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，最后采用CFRP结构加固技术，使破坏的混凝土结构恢复为整体。
6 参考文献
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[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] 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.
[5] ANSYS中国公司.ANSYS建模及网格划分指南[S].上海：ANSYS中国公司，2000.
[6] 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.