中小型水庫滲漏檢測與除險加固工程技術研究

公 穎

(蒙陰縣水利局，山東 臨沂 276200)

0 引 言

隨著水利和水工建設工程的不斷推進和發展，對水利工程的安全性和穩定性提出了更高的要求。根據對中小型水庫滲漏檢測，提高中小型水庫的安全監測能力；通過對中小型水庫裂縫的穿透深度分析，設計中小型水庫滲漏檢測技術；通過除險加固工程設計，及早發現裂縫的跡象，設計現場用檢測儀器，實現對中小型水庫的結構缺陷特征分析和裂縫檢測，實現中小型水庫滲漏準確檢測和加固[1]。

對中小型水庫滲漏檢測的除險加固是建立在對中小型水庫的裂縫力學補強特征分析基礎上，通過擬靜力試驗分析和損傷檢測，建立鋼筋及加固筋的材料力學性能分析模型，通過對鋼筋及加固筋的材料參數分析，實現裂縫滲漏檢測。文獻[2]中提出預應力鋁合金筋嵌入式補強鋼筋混凝土梁裂縫分析與計算方法，通過對中小型水庫的裂縫形成、分布、裂縫寬度和間距進行分析，結合預應力學參數分析[3]，有效控制裂縫擴展，但該方法進行裂縫參數分析的準確性不高[2]。文獻[4]中提出基于數據驅動的大體積結構裂縫深度反演分析方法實現對中小型水庫的滲漏檢測，基于XFEM 數據集的裂縫深度預測模型，通過數據驅動分析，實現水庫的滲透裂縫檢測。該方法能夠準確預測裂縫深度，但對滲漏裂縫的定位和加固性能不好。

針對上述問題，本文提出基于加固補強及恢復結構學預測控制的中小型水庫滲漏檢測與除險加固工程技術。首先根據裂紋面上的投影點分析和吸收層內阻尼特性衰減并進行裂縫紋理檢測，通過加固補強及恢復結構學分析，實現對中小型水庫的除險加固，最后進行實驗測試，得出有效性結論。

1 中小型水庫滲漏的力學模型和參數分析

1.1 中小型水庫滲漏力學分析模型

為了實現中小型水庫滲漏檢測與除險加固工程設計，構建中小型水庫滲漏檢測模型，結合對中小型水庫的開裂損傷因素分析和力學分析，分析中小型水庫的化學組成成分和膨脹因素，通過中小型水庫的混凝土開裂損傷的影響因素模擬，實現對中小型水庫滲漏的動態力學參數模擬，綜合考慮預應力、鐵銹膨脹率等力學性能，建立中小型水庫滲漏力學參數分析模型[5]。中小型水庫滲漏力學參數分布見圖1。

圖1 中小型水庫滲漏力學參數分布

根據圖1的中小型水庫滲漏力學參數分布，建立中小型水庫吸收層內的阻尼特性來衰減檢測模型，通過構建裂紋尖端局部坐標系，采用彈性模量和位移控制的方法，結合網格自動分區和裂縫檢測方法，得到中小型水庫滲漏的網格分布單元和節點選取模型參數，見圖2。

圖2 中小型水庫滲漏的網格分布單元

1.2 中小型水庫滲漏參數模擬

建立中小型水庫滲漏力學分析和參數解析模型，通過結構內部的物理或材料界面分析以及XFEM 位移模式分析，得到中小型水庫滲漏的裂縫信息配對式表示為：

(1)

計算單元空間位置的相應于剪切波，根據位移模式，得到中小型水庫滲漏的多向衰減模型參數為：

(2)

式中：r、θ為中小型水庫滲漏檢測的局部坐標系。

在滲漏檢測過程中，結合網格自動分區和裂縫檢測方法進行中小型水庫滲漏裂縫的稀疏矩陣分區，并設置發射器和接收器，取結構域缺陷附近局部檢測域進行無損檢測，在結構域和檢測域中實現對裂縫的定位和檢測[6]。裂縫檢測域分布見圖3。

圖3 水庫裂縫檢測域分布

分析水庫結構試件破壞模式和裂縫特性，采用施加預應力、增大加固量的方法進行水庫的滲漏裂縫檢測和寬度測量，有效控制裂縫擴展，減小裂縫寬度。

2 中小型水庫滲漏檢測及加固技術

2.1 中小型水庫滲漏檢測

采用非接觸式、連續性測量的方法，根據加載階段的位移場和變形場分布，分析變形、扭轉位移特征量。在中小型水庫滲漏的子區形狀分布域中，采用位移計和傳感器實現對中小型水庫滲漏的位移場檢測，結合三維視覺檢測的方法，分析中小型水庫滲漏分布點特征集[7]，考慮土體參數空間變異性，得到子區任一點的應變為：

(3)

采用預應力鋁合金筋嵌入式補強的方法，實現對中小型水庫滲漏的裂縫形態分布擬合，建立中小型水庫滲漏的測量，采用非接觸式光學測量的方法進行微細裂縫的有限元模型的分區檢測，在圖分區與網格分區中，采用粗化、分區與還原的分階段模擬進行中小型水庫滲漏的節點受壓承載力與初始剛度力學分析，采用顯著降低節點域的試件結構分析方法得到水庫的破壞模式。由此，采用圖4所示的有限元結構模型，根據裂紋面上的投影點分析和吸收層內阻尼特性衰減并進行裂縫紋理檢測[8]。

圖4 裂縫檢測有限元結構

2.2 除險加固技術優化

根據邊坡失穩性和邊坡時效概率分析的方法進行中小型水庫滲漏的除險加固設計，基于狀態面非線性約束的方法，通過線性抽樣法計算邊坡失效概率，采用三維建模分析，設計中小型水庫的除險加固檢修模型，通過模型參數分析，考慮參數空間變異性，分析土體參數空間變異性，計算塑性應變云圖。在除險加固過程中，選擇熱力學性能好的細骨材料，通過混凝土澆筑的方法，增加鋼筋預應力，降低滲漏風險，除險加固的設計結構流程見圖5。

圖5 除險加固的設計流程

在工程應用中，通過有限單元分析的方法，選擇合理的防裂和防滲漏組合方式，將中小型水庫的滲漏加固分為材料選擇、控制混凝土澆筑的時間以及增加鋼筋里面的預壓應力幾個方面，解決中小型水庫的滲漏和裂縫加固問題。

3 實驗測試

在中小型水庫滲漏檢測的實驗中，裂縫加固的原材料Sikadur-30CN 雙組分環氧樹脂型結構膠，嵌入式補強加固的混凝土試件為BA-E-2-80，非預應力加固試件 BA-E-1，水庫裂縫的初始開裂荷載為66.87 kN，開裂前水庫滲漏1 mm為一級，開裂后2 mm為一級，中小型水庫滲透破壞時裂縫分布情況見圖6。

圖6 中小型水庫滲透破壞時裂縫分布情況

根據裂縫位置、計算裂縫寬度，分析裂縫發育及其擴展規律的影響，中小型水庫的最大裂縫寬度的荷載大小見表1。

表1 最大裂縫寬度的荷載與裂縫寬度

根據上述參數設定，分析中小型水庫的最大裂縫寬度值與裂縫觀測儀的試驗值，測試結果見圖7。

圖7 中小型水庫滲漏測試結果

分析圖7可知，采用本文方法進行中小型水庫滲漏檢測與除險加固，測試水庫的防漏穩定性，得到測試結果見表2。分析表2可知，采用本文方法進行中小型水庫滲漏除險加固，滲漏率較小，提高了水庫的穩定性和中小型水庫的缺陷檢測修復能力。

表2 滲漏率對比測試

4 結 語

設計現場用檢測儀器，實現對中小型水庫的結構缺陷特征分析和裂縫檢測，本文提出基于加固補強及恢復結構學預測控制的中小型水庫滲漏檢測與除險加固工程技術。通過中小型水庫的混凝土開裂損傷的影響因素模擬，計算單元空間位置的相應于剪切波，結合三維視覺檢測的方法，分析中小型水庫滲漏分布點特征集。在除險加固過程中，選擇熱力學性能好的細骨材料，通過混凝土澆筑的方法，增加鋼筋預應力，降低滲漏風險。本文方法有效降低了滲漏率，提高了水庫的加固能力。