五强溪船闸裂缝稳定性非线性模型分析

张 磊，付清潭，张国新，彭校初

（1.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038；2.南水北调中线水源有限责任公司，湖北 武汉 442700）

五强溪船闸裂缝稳定性非线性模型分析

张 磊1，付清潭2，张国新1，彭校初1

（1.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038；2.南水北调中线水源有限责任公司，湖北 武汉 442700）

本文通过多非线性优化方法，对五强溪船闸的裂缝开度监测资料进行统计分析，着重讨论了水位和温度效应对船闸开度的影响机理，并且建立了开度的统计模型，通过非线性拟合的方法分离了水位效应和温度效应对开度的影响度，明确了运行水位是影响船闸开度的首要因素，且温度变化也会影响缝开度变化，进而影响水压作用效果。最后结合对监测资料的分析，指出五强溪船闸在EL.108 m水位以下运行是安全的，但应加强观测，一旦观测结果出现异常或趋势发生变化，应限制运行，进行分析并考虑加固。

船闸；统计模型；非线性优化；裂缝开度

1 研究背景

钢筋混凝土结构出现裂缝是比较常见的现象，而船闸是一个挡水（盛水）建筑物，一旦出现裂缝，压力水将进入缝内，以缝面压力的形式作用于裂缝的表面，会引起水力劈裂，加大闸室的变形，严重时会危及闸室安全。另外，闸室出现裂缝进水后，水可能会对钢筋有侵蚀作用，引起钢筋锈蚀，影响船闸的耐久性。五强溪船闸自1995年初投入运行［1-4］，其侧墙为重力式，即靠侧墙的自重抵挡闸室内的水压力。在2000年10月，水位107.7 m时布置于闸顶的引张线自动观测设备实测闸墙变化超出测量范围报警，并伴随结构缝漏水明显加大现象。经人工观测，闸室最大开度达40 mm，超过设计水位110.5 m时的设计开度22.1 mm近一倍。后放空闸室检查，发现闸底板出现大量间距为0.8～1.0 m的轴向裂缝，侧墙与底板相交处及部分闸段侧墙在一定高度范围内还发现了水平裂缝，部分裂缝开度有2～4 mm。闸墙外侧也存在一定数量的水平裂缝。

为了分析船闸变形的影响因素并评价船闸运行的安全性，本文对现场监测资料进行统计分析，并结合闸室应力变形及反演分析，对船闸耐久性进行评价。

2 监测资料分析

现场船闸开度的监测资料分析是评价船闸安全度的最直接手段，从现有的船闸开度监测资料及以往的研究来看，在相同的水位条件下，五强溪船闸的开度呈夏天小冬天大的规律，因此从已有的船闸开度资料中选取夏季和冬季的6个月来进行分析。资料表明，五强溪船闸月均气温在4.2℃～27.8℃之间变化，河水水温在 7℃～25℃之间变化，且随季节呈周期性变化，水温和气温1月份最低，7月份最高。结合现有的观测资料中开度的实测值，取夏天的分析月份为7月、8月、9月，冬天的分析月份为11月、12月和1月，对于资料不全的年份选取与该月份最近的月份。

船闸开度的实测资料选取还应满足监测时的低水位相差不大的原则且监测时高水位大于105 m的危险情况，低水位85 m左右的实测资料较多，因此低水位取85 m±1 m。

图1是根据以上原则选取闸室纵向中间部位SS58—SS43测点开度随水头变化曲线。

图1 闸室开度与水头关系曲线（SS58-SS43）

从图1可以看到，曲线呈波动状且有很多平台，每个平台上的点为相同起始水位、相同水头差作用下的开度，开度值并不相等且相差较大，反映了温度的作用。根据以往的计算分析和实际经验，温度变化影响闸室内的裂缝开度。夏天温升使裂缝闭合［5］，裂缝内不易进水，减少了裂缝内的渗透压力，开度相对较小；冬天温降使裂缝张开［6］，水易渗入裂缝，从而增大了渗透压力，随着渗透压力的增大，少量裂缝可能会继续扩展，最终导致开度变大。随着水位升高，即使夏季裂缝也会张开，使闸室开度加大，从而使高水位时冬夏季开度差减小。

3 开度的敏感性分析

本文通过对监测资料进行分析建立相应统计模型，剖析并分离水位和温度对船闸开度的影响度。

由船闸开度监测资料定性分析可知，船闸的开度受水压、温度和时效等因素的影响，因此船闸开度K的统计模型主要由水压分量KH、温度分量KT和时效分量Kθ组成。实际上，温度变化对混凝土的裂缝的形成和扩展较敏感，水位变化导致水温变化，对裂缝开合度也有一定的影响，因此温度影响分量选用周期项模拟船闸开合度的变化且受水头项影响，即：KT=KH×Kt。船闸产生时效变形的原因极为复杂，它综合反映闸体混凝土与基岩的徐变、蠕变以及岩体地质构造的压缩变形等，船闸至今已经运行近20年，其时效分量已经基本稳定，在此不考虑此项影响。故考虑水压分量对温度分量的影响，船闸开度统计模型可表示为：

式中：a0为常数项；Hw、Hw0分别为监测时刻、始测时刻所对应的闸室内水头，(Hw-Hw0)即闸室内水头差；ai为水压因子系数，i=1～4；t为监测时刻；t0为基准时刻；ω为以月份，函数周期为12，ω=π6；b1为温度和水头因子系数。

根据船闸开度实测资料，以一闸室为特征闸室，以5组测点中的SS58-SS43测点的开度为样本，选取2004—2008年夏季和冬季的、低水位85 m左右的、高水位大于105 m的开度实测资料进行分析。建模时段取为整个测值系列，并剔除了明显不合规律的测值。对于温度的影响，本文以月份为单位输入来反映温度影响分量的作用，选取2004年12月15日为基准时刻，始测时刻水头取所有样本的均值85.0 m。

根据资料分析，综合考虑水压分量KH和温度影响分量KT的作用，通过非线性拟合，得出船闸开度的统计模型，同时也分离了水位效应和温度影响效应。各参数值如表1所示。

开度统计模型如下：

表1 开度统计模型参数

式中：hw=( Hw-Hw0)。

图2 开度统计模型拟合曲线与实测曲线

图3为水压分量与开度曲线。由图3可以看出，船闸的开度随着水头的增大呈非线性增长，水头越大，其开度增加越快，因此高水位运行时开度对水位比较敏感。

图4为107.7 m水头作用下温度与开度影响曲线。从图4可以看出，在温度荷载作用的综合影响下闸墙顶部开合度的年变化约为9 mm。

图3 水压分量与开度曲线

图4 温度与开度曲线

4 安全度评价

通过以上统计分析可知，船闸的开度随着水头的增大呈非线性增长，水头越大，其开度增加越快，因此高水位运行时开度对水位比较敏感，水位是影响船闸开合度大小的主要因素。五强溪船闸冬季出现其开合度的最大值，因此为了评价船闸的总体安全度，可以从已有的船闸开合度资料中选取冬季的资料进行分析。

图5和图6是从已有的监测资料中选取的多年冬季相同起始水位、相同最大水头差条件下船闸开合度的多年变化曲线。图5、图6表明，相同的工作环境下（相同最大水头、相同季节）船闸的开合度并没有随着年份呈增加的趋势，说明船闸在水位108 m以下运行时船闸的开合度是可控和稳定的。同样，相同条件下，夏季船闸开合度的多年变化曲线也说明了这一点。

图5 不同测点冬季开度曲线

图6 不同测点夏季开度曲线

图7 SS58-SS43测点的最大开度比较

图7是SS58-SS43测点多年最大开合度的比较。从图7可以看出，最低水位（85 m左右）和最高水位基本（107 m左右）一致的情况下，最大开合度出现在2005年，这也同样反映出开合度并没有随着运行年份的增加而呈变大。

本文分析说明，船闸目前在108 m水位以下运行是稳定可控的，但须加强观测，一旦观测结果出现异常或趋势发生变化，应限制运行，进行分析并考虑加固。

5 结论

通过对船闸已有开合度监测资料的分析，剖析了季节变化（温度）对船闸开合度影响的本质因素，通过非线性拟合得到了开合度统计模型并分离出影响船闸开合度的水位和温度效应。分析结果表明，在同样水头变化条件下，冬天开度大、夏天开度小，是由于温度作用使已有裂缝冬季张开，水渗入而以表面水压的形式作用于缝面，从而加大了水压荷载所致。夏季则由于温度作用使裂缝闭合，渗透水压作用变弱。冬季高水位是闸室受力最恶劣的状态，闸室应尽量避免108 m以上高水位运行。根据观测结果和分析结果，水位108 m以下时，闸室安全可以保证，在运行水位低于108 m前提下，加固可以暂缓，但是须加强观测，一旦观测结果出现异常或趋势发生变化，应限制运行，进行分析并考虑加固。

［1］ 湖南五凌水电开发有限责任公司.五强溪水电站工程竣工阶段验收资料汇编［R］.长沙：湖南五凌水电开发有限责任公司，1999.

［2］ 杭州大学土木工程检测中心.五强溪水电站大坝船闸混凝土检测报告［R］.杭州：浙江大学，2002.

［3］ 中国水利水电科学研究院.五强溪电站船闸变形问题研究报告［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2002.

［4］ 中国水利水电科学研究院.五强溪水电厂船闸综合检测及混凝土耐久性分析研究［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2008.

［5］ 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.

［6］ 张国新，许平，朱伯芳，等.龙滩重力坝三维仿真与劈头裂缝问题研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2003，1（2）：34-40.

（责任编辑：王冰伟）

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《中国水利水电科学研究院学报》编辑部

Crack stability analysis of Wuqiangxi navigation lock by nonlinear model

ZHANG Lei1，FU Qing-tan2，ZHANG guo-xin1，PENG Xiao-chu1
（1.Department of Sturctures and Materiaes，IWHR，Beijing 100038，China；2.Water Source CO.，LTd of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project，Wuhan 442700，China）

This paper adopts nonlinear optimization methods to statistically analyze the crack opening moni⁃toring data of Wuqiangxi navigation lock.It focuses on the influence mechanism of water level and tempera⁃ture effects on the navigation lock crack opening，and establishes a statistical model for it.Through using the non-linear fitting method it isolates the impact of water level and temperature effects on crack opening and makes it explicit that the running water level is the primary factor affecting the crack opening of navi⁃gation lock，and the temperature changes may also affect the changes of crack opening，thereby affecting the effect of water pressure.Finally，combined with the analysis of monitoring data,it indicates that Wuq⁃iangxi navigation lock is running safely below the water level of EL.108m，and it also emphasizes that ob⁃servation shall be intensified so that the operations should be limited，analyzed and the navigation lock should be reinforced once exceptions appear in observations or changes happen in trend.

navigation lock；statistic model；nonlinear optimization；crack opening

TV698.1

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.02.016

1672-3031（2014）02-0211-04

2013-01-07

水利部行业公益专项（201201050）；973项目（2013CB036406，2013CB035904）；十二五科技支撑项目（SQ2013BAJY4138）；中国水利水电科学研究院科研专项（1118，1208，1361，1353）

张磊（1980-），男，天津蓟县人，高级工程师，博士，主要从事大体积混凝土结构温控防裂及智能监控以及工程损伤检测与加固等研究。E-mail：zhangl@iwhr.com