王 彬,張全貴

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局八隊，青海 西寧 810001)

我國內(nèi)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(fā)是國內(nèi)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(fā)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(nèi)軟基覆蓋層成因多樣，且地質(zhì)性質(zhì)、形態(tài)極為復(fù)雜，沒有一致的分布規(guī)律，所以內(nèi)在結(jié)構(gòu)和級配變化極大，體現(xiàn)在建筑工程上為力學性質(zhì)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(xiàn)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(huán)境內(nèi)[1]。對此，國內(nèi)水力學和工程學領(lǐng)域?qū)＜乙恢聦浕采w層上閘壩工程的使用壽命預(yù)測方法進行研究探討，希望可以通過觀測閘壩現(xiàn)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(tǒng)預(yù)測方法一般為表面繪測法和工程預(yù)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(guān)評估風險項去除導(dǎo)致評估結(jié)果精確度不高。為解決這一問題，設(shè)計了軟基閘壩工程壽命預(yù)測方法。在閘壩工程壽命預(yù)測前先進行工程表面預(yù)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(yù)測方法

1.1 上閘壩工程表面預(yù)處理

除了腐蝕物質(zhì)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(xù)閘壩損傷演化趨勢的評估產(chǎn)生影響，降低預(yù)估準確度?？扇茺}的產(chǎn)生一般與閘壩兩側(cè)軟基底部地下水潮氣上升有關(guān)，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(qū)清洗方式對閘壩實驗評估區(qū)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(fù)合材料后，在閘壩實驗區(qū)域進行大規(guī)模涂抹即可。

閘壩表面存在的可溶鹽(NaCl)與硫酸鎂會產(chǎn)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(yù)測結(jié)果產(chǎn)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(xù)時間與閘壩總體大小、表面凹洞數(shù)量有關(guān)，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(qū)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(shè)計引入了閘壩混凝土損傷趨勢演化概念，在現(xiàn)實情況下，閘壩工程出現(xiàn)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(yù)測精度，對軟基上閘壩工程表面進行預(yù)處理后，需要繼續(xù)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(yīng)參數(shù)[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(huán)和累計而逐漸減少。根據(jù)力學承重原理，閘壩混凝土結(jié)構(gòu)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(tài)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(xiàn)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(shè)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(huán)境內(nèi)分別進行模擬，將外界負面影響因素的疊加分別設(shè)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(huán)境因素組合條件下的多組損耗性曲線。根據(jù)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(jù)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(shù)據(jù)函數(shù)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(shù)據(jù)函數(shù)表示的損傷趨勢。表1為閘壩混凝土損傷趨勢相應(yīng)方程。

對于單段損傷模式，損傷系數(shù)b可以反映閘壩承載力損傷的初始速度，系數(shù)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(tài)下，出現(xiàn)損傷。之后閘壩出現(xiàn)損傷加速度-c。設(shè)一次腐蝕循環(huán)的損傷速度為-(b+cN)。當損傷參數(shù)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(shù)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(shù)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(fā)生勻速損傷，當?shù)竭_變速點N12時，速度開始發(fā)生劇烈變化，第二階段的損傷速度為-(b+cN)。

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

1.3 閘壩工程壽命預(yù)測

通過上述設(shè)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(shè)計分別對兩種情況進行預(yù)測。閘壩實際預(yù)測前需要完成以下工作：根據(jù)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(shù)數(shù)據(jù)庫；對預(yù)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(shù)和混凝土原料、原料搭配比，以及閘壩日常養(yǎng)護的現(xiàn)狀和條件關(guān)系。根據(jù)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(guān)系圖和趨勢曲線圖，作為函數(shù)判別依據(jù)，最后建立判別關(guān)系式。具體流程如圖3所示[9]。

圖3 閘壩工程壽命預(yù)測流程

當根據(jù)趨勢流程和相關(guān)參數(shù)確定當前閘壩所受到的為單段損傷趨勢時，可以根據(jù)上閘壩結(jié)構(gòu)混凝土承重能力計算，確定其預(yù)測壽命。計算公式為：

(2)

當根據(jù)趨勢流程和相關(guān)參數(shù)確定當前閘壩所受到的為多段損傷趨勢時，可以根據(jù)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(yù)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(shù)；r為腐蝕強度定子。根據(jù)式(3)求取的擴散率φ可以直接計算出閘壩的預(yù)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(jù)當?shù)爻跏紬l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(jù)式(2)～式(4)即可測算出軟基上閘壩工程的壽命。

2 實驗結(jié)果分析

上述過程完成了軟基上閘壩工程壽命預(yù)測技術(shù)的設(shè)計，為了實際驗證設(shè)計的工程壽命預(yù)測技術(shù)是否可以有效提高壽命預(yù)測精度，設(shè)計對比實驗。令實驗組使用設(shè)計的壽命預(yù)測方法，對比組選擇傳統(tǒng)預(yù)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(yù)測精度。

2.1 單段損傷預(yù)測

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

圖4 單段損傷預(yù)測對比

根據(jù)圖4數(shù)據(jù)可以看出，隨著仿真實驗設(shè)置的負面因子量不斷增多，實驗組和對比組預(yù)測精度均有不同程度的下滑，但是實驗組預(yù)測精度均高于對比組，經(jīng)過實際量化計算可以確定，實驗組單段損傷預(yù)測準確率高于對比組19.5%。

2.2 多段損傷預(yù)測

混凝土參數(shù)配比不變，設(shè)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(yù)測精確度，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 多段損傷預(yù)測對比

根據(jù)圖5數(shù)據(jù)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(yù)測精度同樣出現(xiàn)不斷降低的趨勢。

3 結(jié) 語

設(shè)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(shè)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(shè)計方案可以有效提高軟基上閘壩工程壽命預(yù)測精度，具有實際推廣意義。