某水闸结构安全性影响因素分析 (1).pdf

咱收稿日期暂 2023-04-23咱基金项目暂 安徽省自然科学野水科学冶联合基金渊2208085US02)遥咱作者简介暂 胡海松渊1992-冤袁男袁安徽南陵人袁工程师袁硕士袁主要从事水利工程研究领域研究遥咱文章编号暂 1009-2846 渊2023冤 09-0008-05第 09 期渊总第 496 期冤吉林水利圆园圆3 年 09 月0引言混凝土构件长期暴露在户外致使混凝土表面发生碳化袁 内部钢筋受到锈蚀袁 严重的会出现塌陷尧胀裂的现象袁制约建筑物的正常运行袁甚至在极端条件下袁影响人民生命财产安全1-2遥 不同的学者通过不同的方法和方面对水闸安全性原因进行研究袁朱雅仙3等人通过对大寺节制闸混凝土结构进行外观质量和耐久性检测分析袁 发现引起该闸某水闸结构安全性影响因素分析胡海松1袁2王兵1孔楠楠1罗居刚1渊1.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院袁安徽蚌埠233000曰2.安徽省建筑工程质量监督检测站有限公司袁安徽合肥230000冤咱摘要暂 水下建筑物安全性一直是设计尧 施工关注的重点袁 由于水下建筑物大多数为钢筋混凝土结构袁 其常年在水下浸泡往往会引发混凝土脱落尧 钢筋锈蚀尧 结构裂缝等问题遥 本文主要对水下典型建筑物要要要水闸进行安全性分析袁 通过对某水闸裂缝尧 混凝土保护层厚度尧 混凝土强度尧 消能防冲等四方面进行试验袁 得出影响水闸安全性的主要因素是混凝土碳化深度超过混凝土保护层厚度袁 钢筋加速锈蚀导致膨胀袁 引发混凝脱落及产生危害性裂缝袁 从而导致混凝土强度逐步衰减袁 进而影响水闸安全性的结论遥 研究结果可为该水闸后期运行维护提供可靠的理论与数据支撑遥咱关键词暂 水闸曰 安全性曰 保护层厚度曰 混凝土强度曰 裂缝咱中图分类号暂 TV 66咱文献标识码暂 BAnalysis of factors influencing the safety of a sluice structureHu Haisong1袁2袁Wang Bing1袁Kong Nannang1袁Luo Jugang1渊1.Water Conservancy Research Institute of Huaihe Water Conservancy Commission袁Ministry of WaterResources袁Anhui Province袁Bengbu2330002袁China曰圆.Anhui Construction Engineering Quality Supervisionand Testing Station Co.袁LTD.袁Hefei230000袁Anhui袁China冤Abstract院The safety of underwater buildings has always been the focus of design and construction袁mainly be鄄cause most of the underwater buildings are reinforced concrete structures袁their perennial underwater immer鄄sion often lead to concrete falling off袁steel corrosion袁structural cracks and other problems.This paper mainlystudies and analyzes the safety of a typical underwater building要要要sluice gate.By conducting tests on cracks袁thickness of concrete protective layer袁strength of concrete袁energy dissipation and impact prevention of a sluicegate袁it is concluded that the main factors affecting sluice safety are that the depth of concrete carbonizationexceeds the thickness of concrete protective layer袁accelerating corrosion of steel bars leads to expansion袁re鄄sulting in coagulation loss and harmful cracks.As a result袁the strength of concrete gradually attenuates袁thusaffecting the safety of sluice.The research results can provide reliable theoretical and data support for the lateroperation and maintenance of the sluice.Keywords院Sluice曰Security曰Thickness of protective layer曰Concrete strength曰Crack8-图 1墩头顶部斜向剪切裂缝图 2墩头顶部斜向剪切裂缝吉林水利某水闸结构安全性影响因素分析胡海松等圆园圆3 年 09 月破坏的主要原因是混凝土施工质量较差袁 局部保护层厚度不足袁 混凝土保护层碳化引起钢筋锈蚀胀裂,而水流冲刷磨蚀是水闸过流结构破坏的主要形式曰贺芳丁4等人采用数值模拟方法袁分析在设计荷载和校核荷载四种工况下水闸受力尧 位移特点袁 发现所有裂缝在缝端部位具有非常明显的应力集中现象袁在外界荷载作用下袁有沿缝端继续发生渐进破坏的趋势曰邹江威5等人通过建立多层次水闸安全评价指标体系袁 依据检测结果和复核计算结果袁利用白化函数对各指标打分袁最后计算出综合关联度袁得出安全评价结论曰张杨6等人通过水闸病害系统性的研究分析袁发现混凝土结构尧基础尧闸门与启闭尧消能防冲设施均为损坏病害的原因袁其中袁混凝土结构尧消能防冲设施是主要影响因素遥目前袁学者通过对各类水闸进行安全性鉴定研究分析袁得出了水闸安全性鉴定主要集中在裂缝尧混凝土保护层厚度尧混凝土强度尧消能防冲设施四方面遥而本文主要创新点是基于某水闸实际情况袁 对四项重要影响因素进行研究分析袁并将其中主要影响的相互性能进行分析袁从而对该水闸目前的安全性进行判别袁并找出影响水闸安全性的主要因素袁为水闸安全性鉴定提供可靠的依据遥1工程概况某水闸位于皖北属浍河流域团沟袁 该闸始建于 20 世纪 70 年代袁 工程的主要作用是防洪尧除涝尧 灌溉遥 控制流域面积约 30.0km2袁 设计流量32.0m3/s袁共 3 孔袁每孔净宽 3.0m袁闸墩厚 0.7m袁闸墩尧排架柱尧启闭机平台梁采用钢筋混凝土结构遥闸室上游布置混凝土铺盖及浆砌石护坡袁 下游布置钢筋混凝土消力池尧浆砌石海漫以及砌石护坡遥闸室上部布置交通桥尧 钢筋混凝土检修便桥和启闭机平台遥2测试方法与结果2.1主体结构裂缝测试与结果采用摄像的方法对闸墩尧面板尧闸门边框三处进行观测袁根据图 1尧图 2 可知袁左右边墩和 2 个中墩在下游侧墩头部位袁均存在斜向剪切裂缝袁墩头斜向裂缝主要是由于近年改建交通桥施工及碳化深度超过保护层厚度钢筋锈蚀膨胀共同引起的遥根据图 3尧图 4 可知袁面板钢丝网锈蚀严重尧闸门边框存在露筋现象遥墩头顶部斜向剪切裂缝对闸墩整体受力产生不利的影响袁 闸门边框部分缺棱掉角及钢筋外露锈蚀现象严重袁 面板普遍存在钢丝网因保护层过薄产生的外露锈蚀现象遥2.2混凝土结构强度测试与结果采用回弹法检测闸墩尧混凝土闸门尧排架柱尧启闭机平台梁的现龄期混凝土抗压强度遥 实施回弹法检测时袁在抽测的构件上均匀布置 10 个面积约 200mm伊200mm 的回弹测区袁用砂纸打磨并清洁后袁测试其回弹值和碳化深度遥 根据叶规程曳渊JGJ/T23-2011冤7计算构件各测区混凝土强度换算值渊fcu袁i冤袁构件混凝土抗压强度平均值渊mfccu冤尧测区最小值渊fccu袁min冤和标准差渊sfccu冤以及推定强度渊fcu袁e冤遥 对比混凝土现龄期抗压强度推定值和建工完成设计要求值袁具体见表 1遥测试的排架柱尧 启闭机平台梁现龄期混凝土抗压强度推定值达到混凝土强度等级 C30 的要9-图 5闸墩图 6混凝土闸门边框图 3面板钢丝网外露锈蚀现象严重图 4闸门边框缺棱掉角及钢筋外露锈蚀求袁而闸墩尧闸门边框现龄期混凝土抗压强度推定值为 27.7MPa要27.9MPa袁 只达到混凝土强度等级C30 的 92%要93%遥2.3混凝土碳化和钢筋保护层测试与评估2.3.1混凝土碳化机理及危害性由于混凝土是一种多孔体袁 常年在大气或水下湿度中袁可与已水化的水泥矿物发生反应渊实质上介质是碳酸冤袁生成 CaCO3遥混凝土在碳化过程中逐渐由碱性转化成中性遥 在正常情况下袁混凝土孔隙为水泥水化时析出的 Ca渊OH冤2和少数钾尧钠氢氧化合物所饱和而呈强碱性袁其 pH 值在 11 以上遥钢筋在这种介质中表面会形成一层钝化膜袁 能有效抑制钢筋锈蚀遥 而当混凝土碳化后袁 混凝土中pH 值降至 9 以下袁 保护钢筋的钝化膜就处于活化状态袁在氧和水的作用下袁钢筋产生化学腐蚀遥 由于铁锈体积比原铁体积大 2要3 倍袁 钢筋一旦锈蚀袁膨胀将使混凝土保护层开裂尧剥落袁这将对混凝土结构造成破坏从而影响水闸安全性遥2.3.2混凝土碳化和钢筋保护层测试根据酚酞试剂在强碱中呈现紫红色袁 弱碱中为无色的特性袁用浓度为 1%要2%的酚酞溶液喷在所打小孔洞内壁袁 然后用碳化深度仪测量表面到内部变色的深度袁即为混凝土的碳化深度袁利用小型钢筋保护层测定仪测量钢筋保护层厚度遥 具体检测结果见图 5要图 6遥根据图 5要图 8 可知袁闸墩尧混凝土闸门边框尧检 测 部 位测区数mfccu渊MPa冤Sfccu渊MPa冤fccu袁min渊MPa冤fcu袁e渊MPa冤设计值渊MPa冤闸墩1031.22.1526.427.730混凝土闸门1032.22.5931.827.930排架柱1033.01.1230.831.230启闭机梁1033.71.8731.630.630回弹法检测混凝土抗压强度结果表 1吉林水利某水闸结构安全性影响因素分析胡海松等圆园圆3 年 09 月碳化保护层504540353025201234567891011121314151617181920测点渊点冤碳化保护层504540353025201510501234567891011121314151617181920测点渊点冤10-启闭机梁混凝土碳化深度均有超过钢筋混凝土保护层厚度袁其中闸墩尧混凝土闸门边框的混凝土碳化深度超过钢筋混凝土保护层厚度范围在 50%要60%之间袁 大部分钢筋失去混凝土的碱性保护袁处于易锈蚀遥 而启闭机梁混凝土碳化深度超过钢筋混凝土保护层厚度为 1.5%袁 少量钢筋处于失去混凝土的碱性保护之中遥 排架柱混凝土碳化深度均小于钢筋混凝土保护层厚度袁 钢筋处于混凝土的碱性保护之中袁不易锈蚀遥 可见相对水下结构袁如闸墩尧混凝土闸门边框袁启闭机梁尧排架柱等处于水上的部分相对碳化深度加深较小袁 超出保护层厚度部分较少或未超过保护层厚度袁 对混凝土结构钢筋的锈蚀影响也较小遥2.4消能防冲测试与结果2.4.1外观质量消力池尧消力坎均为钢筋混凝土结构袁现场进行水下探查袁 发现消力池表面有 20要100mm 淤泥覆盖袁其余未发现有较明显的塌陷尧冲刷坑等破坏现象袁消力池与闸室底板分缝正常袁消力坎未发现有较明显的塌陷尧冲刷缺损等破坏现象遥2.4.2消能防冲复核复核计算主要选取设计工况袁 闸底板高程18.20m袁 设计闸上水位 21.70m袁 设计闸下水位21.60m袁设计流量为 32.00m3/s遥 按叶水闸设计规范曳渊SL 265-2016冤8附录 B袁计算消力池深度尧长度遥渊1冤消力池深度复核院d=滓0hc义-hs忆-驻Z渊1冤hc义=hc21+8琢q2ghc3姨-1蓸蔀b1b2蓸蔀0.25渊2冤hc3-T0hc2+琢q22g渍2=0渊3冤驻Z=琢q22g渍2hs忆2-琢q22ghc义2渊4冤式中院d 为消力池深度 渊m冤曰滓0要水跃淹没系数袁采用 1.05曰hc义要跃后水深渊m冤曰g要重力加速度袁采用 9.81渊m/s2冤曰hc要收缩水深渊m冤曰琢要水流动能校正系数袁采用 1.00曰渍要流速系数袁采用 0.95曰q要过闸单宽流量 渊m2/s冤曰b1要消力池首端宽度渊m冤曰b2要消力池末端宽度 渊m冤曰T0要由消力池底板顶面算起的总势能渊m冤曰驻Z要出池落差渊m冤曰hs忆要出池河床水深渊m冤遥渊2冤消力池长度复核院Lsj=Ls+茁Lj渊5冤Lj=6.9渊hc义-hc冤渊6冤式中院Lsj要消力池长度渊m冤曰Ls要消力池斜坡段水平投影长度 渊m冤曰茁要水跃长度校正系数袁 采用0.80曰Lj要水跃长度渊m冤遥渊3冤海漫长度复核院按叶水闸设计规范曳渊SL 265-2016冤8附录 B袁当qs驻H忆姨姨=1要9袁且消能扩散良好时袁海漫长度按下式计算院Lp=Ksqs驻H忆姨姨渊7冤式中院Lp要海漫长度渊m冤曰qs要消力池末端单宽流量渊m3/s冤曰Ks要海漫长度计算系数袁根据叶水闸设计规范曳渊SL 265-2016冤8附录 B 表 B.2.1袁取 10遥渊4冤复核结果经计算袁在原设计流量 32.00m3/s 时袁跃后水深图 7排架柱图 8启闭机梁吉林水利某水闸结构安全性影响因素分析胡海松等圆园圆3 年 09 月碳化保护层1234567891011121314151617181920测点渊点冤碳化保护层1234567891011121314151617181920测点渊点冤504540353025201510505045403530252015105011-为 0.12m袁小于出池河床水深 3.20m袁产生淹没式水跃遥 因此袁可不设消力池袁消能防冲设施满足规范要求遥 计算海漫长度为 9.26m袁 实际海漫长度为14.50m袁海漫长度满足规范要求遥 该水闸下游消能防冲设施未受水流明显冲刷尧损毁现象遥3讨论与分析渊1冤根据国内外学者对水闸安全性影响因素分析袁结合该水闸的四项主要影响因素进行试验可知袁 影响水闸安全性最主要一个因素为混凝土结构强度袁其不仅仅起到挡水和承重的作用袁最主要还与闸门尧 启闭机等机械设备有效地结合组成一个整体运行遥 而影响混凝土结构强度的因素包括原材料尧环境因素尧浇筑成型后养护等袁对于既有混凝土建筑物的主要影响因素是后期养护和环境因素袁养护不到位对强度影响极大袁甚至导致裂缝遥 混凝土长期暴露在空气中可与已水化的水泥矿物碳酸发生反应袁 使混凝土结构碳化深度超过保护层厚度袁进一步使钢筋锈蚀膨胀袁导致混凝土开裂影响结构安全遥渊2冤消能防冲影响下游结构安全和过流能力袁因此袁需要保证消力池深度和长度尧海漫长度达到设计要求袁 同时在水闸后期运行中需要定期对其表面淤泥层和垃圾进行清理遥4结论渊1冤通过对该水闸测试与分析袁得出闸墩现龄期混凝土抗压强度达到 C30 的 94.6%要97.7%袁并且墩头顶部斜向剪切裂缝袁 混凝土碳化深度超过钢筋混凝土保护层厚度的 60%袁 大部分钢筋失去混凝土的碱性保护袁处于易锈蚀状态袁因此袁需要对闸墩部位进行加固处理遥渊2冤闸门边框混凝土碳化深度超过钢筋混凝土保护层厚度 50%袁部分钢筋失去混凝土的碱性保护袁需要对钢筋保护层进行有效的封闭处理遥渊3冤相比之下启闭机梁混凝土碳化深度超过钢筋混凝土保护层厚度 1.5%袁 排架柱碳化均未超保护层厚度遥 这是因为排架柱和启闭机梁处于水上袁构件碳化加深较小袁相比之下袁水下构件影响程度要大于水上构件遥渊4冤通过对该水闸研究分析袁发现影响水下建筑物安全性的主要因素是钢筋混凝土结构常年处于大气或水下湿度中袁 混凝土碳化深度不断加深超越混凝土保护层厚度袁致使钢筋锈蚀尧膨胀进而导致混凝土产生裂缝袁 最终影响水下建筑物的安全性袁而消能防冲也是其一项影响因素遥 阴参考文献院1张晓丽.混凝土碳化的影响因素及其控制措施J.黑龙江交通科技袁2020袁43渊10冤院33+35.2袁缤络.水工混凝土碳化的原因及预防措施J.中国新技术新产品袁2009袁165渊23冤院77.3朱雅仙袁朱锡昶袁李岩袁等.大寺节制闸混凝土结构的检测与分析J.水利水电科技进展袁2007渊3冤院38-41.4贺芳丁袁林家禄袁张玉燕.闸墩混凝土裂缝对水闸系统安全性的影响分析J.山东水利袁2009袁138渊Z2冤院32-33+35.5邹江威袁韩时琳.综合评判法在水闸安全评估中的运用J.吉林水利袁2014袁383渊4冤院28-31.6张杨.病险水闸成因及其对应加固方式研究J.河南水利与南水北调袁2017袁307渊1冤院55-56.7 住建部.叶回弹法检测混凝土抗压强度技术规程曳JGJ/T 23-2011S.北京院中国建筑工业出版社袁2011.8水利部.叶水闸设计规范曳SL 265-2016S.北京院中国水利水电出版社袁2004.总流量渊m3/s冤单宽流量渊m2/s冤收缩水深 hc渊m冤跃后水深 hc义渊m冤出池河床水深渊m冤判别结果计算海漫长度渊m冤实际海漫长度渊m冤32.002.713.490.123.20淹没式水跃袁不需要设消力池9.2614.50设计工况消能防冲计算成果汇总表表 2吉林水利某水闸结构安全性影响因素分析胡海松等圆园圆3 年 09 月12-