太平闸连续反拱底板裂缝成因的分析

　　摘要：太平闸底板采用的连续反拱结构,24孔不分缝,它的优点是充分发挥砼的抗压性能,节省水泥30%,节省钢筋70%,缺点是对地基不均匀沉陷和温度变化较为敏感。本文利用非线性有限元分析的原理，结合工程多年观测资料，分析太平闸的底板裂缝成因和危害。
　　关键词：连续反拱底板，裂缝成因，不均匀沉陷
　　一、工程概况
　　太平闸位于扬州市东郊的太平河上，建成于1972年，系淮河入江水道控制工程之一，设计流量1950立方米/秒，校核流量2470立方米/秒，属大（2）型Ⅱ等工程，闸身为2级建筑物。该闸建成后在排洪、蓄水方面发挥了应有的作用，效益显著。
　　为节省工程造价，太平闸闸身结构型式以“轻”、“薄”、“拱”为主要特点。全闸共24孔，每孔净宽6.0m，闸室总宽167m。闸底板为钢筋混凝土连续反拱结构，并与岸墙结成整体，24孔不分缝，反拱底板厚60cm,采用200#混凝土。闸门处闸底板顶面高程-1.0m（废黄河零点，下同），闸底板长度17.0m；闸墩除墩体底板及门槽部位为钢筋混凝土结构外，其余均为浆砌块石结构。闸上设工作便桥、公路桥各一座，公路桥桥面高程8.80m，荷载等级为汽-13设计，拖-60校核。工作便桥与公路桥均为拱型结构。
　　太平闸闸底板座落在粉质粘土层上，C=55KPa，φ0=19°。贯入击数14左右，在设计和施工过程中，为了减少拱脚位移及温度变化等不利因素对反拱底板的影响，采取了以下措施：一是闸底板与反拱底板分期浇筑，充分使闸墩荷重直接传于地基，减少拱底板受力。二是24孔底板不分缝，成连续反拱底板，以解决拱底板及拱桥的水平推力问题。
　　二、反拱底板裂缝检查和工程观测
　　2009年2月，通过对太平闸闸室内底板的水下录像检测，发现10#孔闸室内有一条通长裂缝，位置从10#孔右侧闸门角底部开始向中部延伸，至闸室中部后向下游延伸，在靠近下游伸缩缝处转弯向左侧闸墩延伸，裂缝表层有多处混凝土剥落现象，最大剥落宽度约40mm，裂缝清晰，宽度约1mm，在距伸缩缝约1m处裂缝分叉。
　　多年垂直位移观测成果分析：垂直位移自1971年12月始测，至2008年12月止，上下游的位移量值相差不大，走势基本相同，采用下游沉降量为代表，从左岸墙下游、23个闸墩下游、到右岸墙下游的累积位移量统计分析情况来看，总体呈现中间小，两侧大的格局，其中，9#与10#之间的中墩累计位移量最小。其中9#闸墩下游侧累计沉陷量9.32mm，10#闸墩下游侧累计沉陷量12.72，边孔闸墩下游沉陷量累达23.96mm、25.94mm，左岸墙、1#-23#闸墩、右岸墙下游侧累计垂直位移分布示意图3
　　
　　
　　图3、左岸岸墙、1-23个闸墩、右岸岸墙下游侧累计垂直位移分布示意
　　三、反拱底板裂缝成因分析
　　反拱底板的优点是利用拱形结构的特点，充分发挥混凝土的抗压性能，使底板厚度减薄，与常用的水平底板相比，可节约水泥和钢筋30%和70%；但反拱底板是连拱式超静定结构，其内力主要为轴向压力，在均布荷载的作用下，反拱内力一般不起控制作用，起控制作用的是不均匀沉降、温度变化等引起的反拱内力。反拱底板对地基不均匀沉降和温度变化较为敏感。从太平闸下游沉陷总体呈现中间小，两侧大的格局，9#闸墩与边墩之间累计不均匀沉陷16.62mm，初步分析是造成10#孔下游产生裂缝的原因。
　　为进一步分析太平闸底板裂缝成因，依据太平闸结构型式及地形地质构造等基本资料，运用非线性有限元分析软件，建立太平闸-地基系统整体仿真数值计算模型，依据太平闸长期垂直位移观测数据，采用直接位移反分析方法对地基的弹性模量进行反分析，在太平闸未开裂条件下进而采用三维有限单元法对太平闸-地基系统进行应力变形分析，对10#孔底板现有裂缝进行成因分析，并针对反拱底板在现有状况下的安全性进行分析评价。在三维有限元计算分析模型中，闸和基础均采用空间八节点六面体等参单元。计算模型整体坐标系X轴正向指向右岸，Y轴正向指向下游，Z轴竖直向上。反拱底板厚度方向划分3层单元，整体模型单元总数为99089个，结点总数为116398个。计算模型边界位移约束条件为：地基上下游截断边界处顺河向水平向位移为零，地基左右侧截断边界处横河向水平向位移为零，底部截断边界处竖向位移为零。计算工况采用以下荷载组合：上游正向设计水位+相应下游水位+闸墩、底板、闸门自重+闸墩上部结构荷载+岸墙后填土自重。
　　在实际监测中可以发现：各孔反拱底板上表面以受拉为主，1#、10#、13#、24#反拱底板的最大主拉应力均分布在左（右）闸门槽与底板连接处，其中以10#反拱底板右侧闸门门槽底部的最大主拉应力数值最大，达到1.69Mpa，超过反拱底板混凝土（强度等级为C18）的轴心抗拉强度值1.62Mpa，在此处容易产生拉裂缝并在相关因素作用下出现裂缝扩展，这与太平闸反拱底板的裂缝检测结果是一致的，2#～5#、20#～23#反拱底板上表面的主拉应力均分布在底板中部下游侧边缘，最在值达到1.66Mpa，也存在拉裂的可能性；反拱底板下表面的最大主拉应力较小，部分区域最大主拉应力为负值；反拱底板上表面的最大主压力应力较小，小于混凝土的抗压强度，反拱底板下表面的最大主压应力较大，10#反拱底板下游处出现了明显的最大压应力集中区域，最大值发生在10#反拱底板下游侧为-1.9Mpa。
　　地基不均匀沉降改变了太平闸反拱底板上下表面受力规律，10#反拱底板右侧门槽底部的最大主拉应力数值超过反拱底板混凝土的极限抗拉强度，地基不均匀沉降是导致太平闸10#反拱底板裂缝产生的根本原因。
　　其它类似工程原体观测成果表明：反拱底板下的地基反力纵向接近于直线分布；横向分布的变化较大，有的断面是拱顶大、拱脚小，两者的比例为1.3~1.4；有些断面则接近于平均；边孔的地基反力大于中间闸孔，这是边墩荷载大于中墩的反映。太平闸工程技术总结在地基处理中注明：原河床宽度在180m左右，高程在零米左右，在原河床偏东（闸孔编号8#～10#）有一宽十多米的深沟，由上游向下游延伸，沟内充满淤泥、河砂、芦柴等杂物。从上游机坑到下游机坑全部予以清理，闸身部位清理到老土为此，一般-3.0m～-4.0m左右，深度比闸墩底板深1～2m，在该部位均用混凝土进行填实封底，再在上面砌块石做基础。8#、10#孔底板位于深泓东侧与西侧的坡边缘上，其中8#、9#反拱底板除填混凝土外，另在其上填了部分土方。由此可见，经地基处理后的8#~10#基础综合变形模量大于其余孔的变形模量，尤其是10#孔变形模量最大，底板地基的变形模量不同，使地基产生不均匀沉陷，直接导致10#孔底板产生裂缝，这与理论计算是一致的。
　　四、结论
　　连续反拱底板结构型式，较容易解决了拱底板及拱桥的水平推力问题的同时，也存在着难以适应各孔间不均匀沉降并容易导致底板出现裂缝等缺陷，太平闸底板不均匀沉陷达16.62mm，是导致10#反拱底板产生裂缝的原因。三维弹性有限元计算显示在10#孔完全贯通这一极端情况下，由于整体刚度的弱化、底板整体连续性的丧失，底板的竖向位移、横河向位移以及最大主拉应力都较开裂条件下有较大程度的提高，不利于水闸的正常运行，从改变反拱结构特征出发，建议采用将反拱填平的方案进行底板抗裂加固，阻止10#孔底板裂缝的继续扩展、贯通。

《太平闸连续反拱底板裂缝成因的分析》

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