軟基上閘壩工程的壽命預測

王 彬,張全貴

(青海省有色地質礦產勘查局八隊，青海 西寧 810001)

我國內陸河流水域分布極為廣泛，水能資源較為豐富。水利電力資源的開發是國內能源供給的核心保證。很多水利工程均采用低閘引水的方式進行水利發電，水利閘壩工程的修建大多位于軟基覆蓋層上。軟基覆蓋層一般位于河谷堆積地帶，厚度一般高于30 m，屬于第四系河谷松散沉積性地層。因為河谷內軟基覆蓋層成因多樣，且地質性質、形態極為復雜，沒有一致的分布規律，所以內在結構和級配變化極大，體現在建筑工程上為力學性質多樣、承重能力不均勻等。多樣化的軟基覆蓋層為閘壩工程的修建帶來了一定影響，主要體現在閘壩承重能力差、易腐蝕等。但閘壩自身的重要作用，決定了其必須處在一個相對安全的使用環境內[1]。對此，國內水力學和工程學領域專家一致對軟基覆蓋層上閘壩工程的使用壽命預測方法進行研究探討，希望可以通過觀測閘壩現有情況，對其未來使用壽命進行精確估測，保證工程安全。傳統預測方法一般為表面繪測法和工程預估法。上述兩種方法，因為缺乏工程損耗趨勢性概念以及沒有進行相關評估風險項去除導致評估結果精確度不高。為解決這一問題，設計了軟基閘壩工程壽命預測方法。在閘壩工程壽命預測前先進行工程表面預處理，并進行損傷演化計算，科學評估。

1 軟基上閘壩工程壽命預測方法

1.1 上閘壩工程表面預處理

除了腐蝕物質層以外，閘壩表面還有可能存在大量可溶鹽，如果不能及時處理，不僅對閘壩本身破壞力巨大，還會對后續閘壩損傷演化趨勢的評估產生影響，降低預估準確度。可溶鹽的產生一般與閘壩兩側軟基底部地下水潮氣上升有關，對其處理可以采取敷劑處理的方式。利用上述的閘壩表面破損區清洗方式對閘壩實驗評估區域進行表面處理后，涂抹敷劑黏土。黏土的主要成分為紙漿、植物纖維以及黏土材料。將上述材料與水充分混合形成膏狀復合材料后，在閘壩實驗區域進行大規模涂抹即可。

閘壩表面存在的可溶鹽(NaCl)與硫酸鎂會產生直接置換，在水分子的作用下，將Cl-和Na+留在閘壩表面，不會再對閘壩壽命預測結果產生影響。其原理如圖1所示[4]。

圖1 排鹽灰漿示意圖

利用涂抹敷劑黏土這種去鹽方式可以有效降低閘壩表面可溶鹽含量。涂抹持續時間與閘壩總體大小、表面凹洞數量有關，通常情況下為3 d左右。此外，在涂抹閘壩敷劑前后，均需要對閘壩實驗區域進行明鹽度檢測。檢測深度一般分為0～25 mm、50～80 mm、75～100 mm。敷劑移除后，一些未干燥的可溶鹽有可能會溶解在墻體表面的水溶液中，需要先進行墻體干燥，然后檢測閘壩墻體含鹽量。

1.2 閘壩工程損傷演化計算

設計引入了閘壩混凝土損傷趨勢演化概念，在現實情況下，閘壩工程出現初始損傷后，損傷趨勢會逐漸加劇，且不同的損傷因素會造成不同趨勢，其整體影響性也不同。為了提高壽命預測精度，對軟基上閘壩工程表面進行預處理后，需要繼續進行上閘壩工程混凝土損傷演化計算，確定閘壩損傷趨勢相應參數[5]。

閘壩所用混凝土的損傷演化過程可以看做是闡壩混凝土在不同種類負面因素作用下的損傷失效過程。其剩余壽命會隨著負面因素的循環和累計而逐漸減少。根據力學承重原理，閘壩混凝土結構損傷變量計算公式為：

(1)

式中：D為閘壩損傷變量；Et和E0分別為閘壩損傷前和損傷后的動態彈性模量，可以客觀表述當前閘壩混凝土耐久性。

閘壩混凝土Et的變化過程可以客觀展現閘壩損傷失效過程。通過第三方模擬軟件將閘壩混凝土分別設置為普通混凝土、引氣混凝土，以及高強高性能混凝土，在不同閘壩地域環境內分別進行模擬，將外界負面影響因素的疊加分別設置為單一因素累積和多類因素累積，可以獲取閘壩在不同負面環境因素組合條件下的多組損耗性曲線。根據分析整理，可以歸納為三類損傷演化趨勢曲線，分別為：直線型、拋物線型和雙線混合型三類，如圖2所示[6]。

圖2 損傷趨勢曲線

根據圖2顯示的直線型、拋物線型和混合型三類閘壩損傷趨勢曲線的共性和各自特點，將三類趨勢的損傷失效趨勢曲線分為兩類：即單段損傷和多段損傷。

單段損傷就是可以用單一數據函數表示其損傷的趨勢曲線，主要概括類型為直線型和拋物線型。多段損傷模式即需要通過兩個數據函數表示的損傷趨勢。表1為閘壩混凝土損傷趨勢相應方程。

對于單段損傷模式，損傷系數b可以反映閘壩承載力損傷的初始速度，系數c則表示為閘壩混凝土損傷的加速度。在單段損傷模式下腐蝕開始時，閘壩混凝土在初始速度-b的狀態下，出現損傷。之后閘壩出現損傷加速度-c。設一次腐蝕循環的損傷速度為-(b+cN)。當損傷參數為0時，閘壩損傷為勻速損傷，當其大于0時，闡壩混凝土損傷為加速損傷[7]。

表1 閘壩混凝土損傷趨勢方程

對于雙段損傷模式，閘壩損傷趨勢系數a和b分別為閘壩混凝土損傷初始速度和二次初始速度。系數c同樣為損傷加速度。從整個損傷趨勢上來看，閘壩混凝土在雙段損傷趨勢中，整體為勻加速損傷。因此在該模式下，閘壩混凝土以初速度a發生勻速損傷，當到達變速點N12時，速度開始發生劇烈變化，第二階段的損傷速度為-(b+cN)。

根據表1中的計算公式，可以對當前預測目標閘壩的現有損傷趨勢對應參數進行求取和校對，并生成趨勢曲線。根據趨勢曲線，明確預測閘壩當前最重要的壽命影響因素和因素系數，即當前閘壩為單段損傷還是多段損傷，然后將求取結果作為數據參數進行閘壩實際壽命預測[8]。

1.3 閘壩工程壽命預測

通過上述設計過程，可以明確計算出閘壩所承受的損傷趨勢是單段損傷還是多段損傷。所以設計分別對兩種情況進行預測。閘壩實際預測前需要完成以下工作：根據上述求取的閘壩混凝土在各類外界影響因素下的損傷趨勢方程，建立基本參數數據庫；對預處理后的閘壩實驗樣本點進行化驗，確定閘壩混凝土在凍融或者腐蝕等外界條件下的具體損傷系數和混凝土原料、原料搭配比，以及閘壩日常養護的現狀和條件關系。根據上述條件建立單一因素和多重因素下閘壩混凝土承重失效線性關系圖和趨勢曲線圖，作為函數判別依據，最后建立判別關系式。具體流程如圖3所示[9]。

圖3 閘壩工程壽命預測流程

當根據趨勢流程和相關參數確定當前閘壩所受到的為單段損傷趨勢時，可以根據上閘壩結構混凝土承重能力計算，確定其預測壽命。計算公式為：

(2)

當根據趨勢流程和相關參數確定當前閘壩所受到的為多段損傷趨勢時，可以根據閘壩當前損傷過程中受到多類損傷因子的擴散程度進行預測。程度計算需要基于Fick第一擴散定理，其擴散率計算式為：

(3)

式中：R為閘壩腐蝕程度因子量；u為已有的閘壩損傷系數；r為腐蝕強度定子。根據式(3)求取的擴散率φ可以直接計算出閘壩的預測壽命t2，如式(4)所示。

(4)

式中：x為閘壩混凝土配比源值；t為配比源值的特征值。

閘壩混凝土原料失效模式的判別需要根據當地初始條件。此外，對于演化方程的使用可以取E值的60%，因為在實際條件下，閘壩使用壽命會受到干擾因素的影響。最后根據式(2)～式(4)即可測算出軟基上閘壩工程的壽命。

2 實驗結果分析

上述過程完成了軟基上閘壩工程壽命預測技術的設計，為了實際驗證設計的工程壽命預測技術是否可以有效提高壽命預測精度，設計對比實驗。令實驗組使用設計的壽命預測方法，對比組選擇傳統預測方法。利用第三方仿真軟件，模擬不同外界損傷因素，造成閘壩工程單段損傷趨勢和多段損傷趨勢。分別對比兩組實驗闡壩工作壽命預測精度。

2.1 單段損傷預測

在仿真環境下，對閘壩進行單段損傷因素添加，并記錄對應混凝土配合比。令實驗組和對比組分別進行閘壩壽命預測，對比預測精確率，其結果如圖4所示。

圖4 單段損傷預測對比

根據圖4數據可以看出，隨著仿真實驗設置的負面因子量不斷增多，實驗組和對比組預測精度均有不同程度的下滑，但是實驗組預測精度均高于對比組，經過實際量化計算可以確定，實驗組單段損傷預測準確率高于對比組19.5%。

2.2 多段損傷預測

混凝土參數配比不變，設置不同負面因子量，使閘壩損傷趨勢為多段損傷趨勢，記錄實驗組和對比組預測精確度，其結果如圖5所示。

圖5 多段損傷預測對比

根據圖5數據可以看出，隨著負面因子量的不斷增加，實驗組和對比組多段損傷預測精度同樣出現不斷降低的趨勢。

3 結 語

設計通過化學試劑，對閘壩表面進行清洗，減少閘壩工程干擾因素量，并引入軟基上閘壩損傷趨勢演化概念，把損傷趨勢劃分為單段和多段損傷不同種類，針對上述因素分別設計不同壽命算法，計算軟基上閘壩工程壽命。實驗研究表明，通過上述設計方案可以有效提高軟基上閘壩工程壽命預測精度，具有實際推廣意義。