中小型水库渗漏检测与除险加固工程技术研究

公 颖

(蒙阴县水利局，山东 临沂 276200)

0 引 言

随着水利和水工建设工程的不断推进和发展，对水利工程的安全性和稳定性提出了更高的要求。根据对中小型水库渗漏检测，提高中小型水库的安全监测能力；通过对中小型水库裂缝的穿透深度分析，设计中小型水库渗漏检测技术；通过除险加固工程设计，及早发现裂缝的迹象，设计现场用检测仪器，实现对中小型水库的结构缺陷特征分析和裂缝检测，实现中小型水库渗漏准确检测和加固[1]。

对中小型水库渗漏检测的除险加固是建立在对中小型水库的裂缝力学补强特征分析基础上，通过拟静力试验分析和损伤检测，建立钢筋及加固筋的材料力学性能分析模型，通过对钢筋及加固筋的材料参数分析，实现裂缝渗漏检测。文献[2]中提出预应力铝合金筋嵌入式补强钢筋混凝土梁裂缝分析与计算方法，通过对中小型水库的裂缝形成、分布、裂缝宽度和间距进行分析，结合预应力学参数分析[3]，有效控制裂缝扩展，但该方法进行裂缝参数分析的准确性不高[2]。文献[4]中提出基于数据驱动的大体积结构裂缝深度反演分析方法实现对中小型水库的渗漏检测，基于XFEM 数据集的裂缝深度预测模型，通过数据驱动分析，实现水库的渗透裂缝检测。该方法能够准确预测裂缝深度，但对渗漏裂缝的定位和加固性能不好。

针对上述问题，本文提出基于加固补强及恢复结构学预测控制的中小型水库渗漏检测与除险加固工程技术。首先根据裂纹面上的投影点分析和吸收层内阻尼特性衰减并进行裂缝纹理检测，通过加固补强及恢复结构学分析，实现对中小型水库的除险加固，最后进行实验测试，得出有效性结论。

1 中小型水库渗漏的力学模型和参数分析

1.1 中小型水库渗漏力学分析模型

为了实现中小型水库渗漏检测与除险加固工程设计，构建中小型水库渗漏检测模型，结合对中小型水库的开裂损伤因素分析和力学分析，分析中小型水库的化学组成成分和膨胀因素，通过中小型水库的混凝土开裂损伤的影响因素模拟，实现对中小型水库渗漏的动态力学参数模拟，综合考虑预应力、铁锈膨胀率等力学性能，建立中小型水库渗漏力学参数分析模型[5]。中小型水库渗漏力学参数分布见图1。

图1 中小型水库渗漏力学参数分布

根据图1的中小型水库渗漏力学参数分布，建立中小型水库吸收层内的阻尼特性来衰减检测模型，通过构建裂纹尖端局部坐标系，采用弹性模量和位移控制的方法，结合网格自动分区和裂缝检测方法，得到中小型水库渗漏的网格分布单元和节点选取模型参数，见图2。

图2 中小型水库渗漏的网格分布单元

1.2 中小型水库渗漏参数模拟

建立中小型水库渗漏力学分析和参数解析模型，通过结构内部的物理或材料界面分析以及XFEM 位移模式分析，得到中小型水库渗漏的裂缝信息配对式表示为：

(1)

计算单元空间位置的相应于剪切波，根据位移模式，得到中小型水库渗漏的多向衰减模型参数为：

(2)

式中：r、θ为中小型水库渗漏检测的局部坐标系。

在渗漏检测过程中，结合网格自动分区和裂缝检测方法进行中小型水库渗漏裂缝的稀疏矩阵分区，并设置发射器和接收器，取结构域缺陷附近局部检测域进行无损检测，在结构域和检测域中实现对裂缝的定位和检测[6]。裂缝检测域分布见图3。

图3 水库裂缝检测域分布

分析水库结构试件破坏模式和裂缝特性，采用施加预应力、增大加固量的方法进行水库的渗漏裂缝检测和宽度测量，有效控制裂缝扩展，减小裂缝宽度。

2 中小型水库渗漏检测及加固技术

2.1 中小型水库渗漏检测

采用非接触式、连续性测量的方法，根据加载阶段的位移场和变形场分布，分析变形、扭转位移特征量。在中小型水库渗漏的子区形状分布域中，采用位移计和传感器实现对中小型水库渗漏的位移场检测，结合三维视觉检测的方法，分析中小型水库渗漏分布点特征集[7]，考虑土体参数空间变异性，得到子区任一点的应变为：

(3)

采用预应力铝合金筋嵌入式补强的方法，实现对中小型水库渗漏的裂缝形态分布拟合，建立中小型水库渗漏的测量，采用非接触式光学测量的方法进行微细裂缝的有限元模型的分区检测，在图分区与网格分区中，采用粗化、分区与还原的分阶段模拟进行中小型水库渗漏的节点受压承载力与初始刚度力学分析，采用显著降低节点域的试件结构分析方法得到水库的破坏模式。由此，采用图4所示的有限元结构模型，根据裂纹面上的投影点分析和吸收层内阻尼特性衰减并进行裂缝纹理检测[8]。

图4 裂缝检测有限元结构

2.2 除险加固技术优化

根据边坡失稳性和边坡时效概率分析的方法进行中小型水库渗漏的除险加固设计，基于状态面非线性约束的方法，通过线性抽样法计算边坡失效概率，采用三维建模分析，设计中小型水库的除险加固检修模型，通过模型参数分析，考虑参数空间变异性，分析土体参数空间变异性，计算塑性应变云图。在除险加固过程中，选择热力学性能好的细骨材料，通过混凝土浇筑的方法，增加钢筋预应力，降低渗漏风险，除险加固的设计结构流程见图5。

图5 除险加固的设计流程

在工程应用中，通过有限单元分析的方法，选择合理的防裂和防渗漏组合方式，将中小型水库的渗漏加固分为材料选择、控制混凝土浇筑的时间以及增加钢筋里面的预压应力几个方面，解决中小型水库的渗漏和裂缝加固问题。

3 实验测试

在中小型水库渗漏检测的实验中，裂缝加固的原材料Sikadur-30CN 双组分环氧树脂型结构胶，嵌入式补强加固的混凝土试件为BA-E-2-80，非预应力加固试件 BA-E-1，水库裂缝的初始开裂荷载为66.87 kN，开裂前水库渗漏1 mm为一级，开裂后2 mm为一级，中小型水库渗透破坏时裂缝分布情况见图6。

图6 中小型水库渗透破坏时裂缝分布情况

根据裂缝位置、计算裂缝宽度，分析裂缝发育及其扩展规律的影响，中小型水库的最大裂缝宽度的荷载大小见表1。

表1 最大裂缝宽度的荷载与裂缝宽度

根据上述参数设定，分析中小型水库的最大裂缝宽度值与裂缝观测仪的试验值，测试结果见图7。

图7 中小型水库渗漏测试结果

分析图7可知，采用本文方法进行中小型水库渗漏检测与除险加固，测试水库的防漏稳定性，得到测试结果见表2。分析表2可知，采用本文方法进行中小型水库渗漏除险加固，渗漏率较小，提高了水库的稳定性和中小型水库的缺陷检测修复能力。

表2 渗漏率对比测试

4 结 语

设计现场用检测仪器，实现对中小型水库的结构缺陷特征分析和裂缝检测，本文提出基于加固补强及恢复结构学预测控制的中小型水库渗漏检测与除险加固工程技术。通过中小型水库的混凝土开裂损伤的影响因素模拟，计算单元空间位置的相应于剪切波，结合三维视觉检测的方法，分析中小型水库渗漏分布点特征集。在除险加固过程中，选择热力学性能好的细骨材料，通过混凝土浇筑的方法，增加钢筋预应力，降低渗漏风险。本文方法有效降低了渗漏率，提高了水库的加固能力。