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基于统计模型的水工混凝土裂缝工作性态诊断

2025-03-01 35 上传者：管理员

摘要：针对传统裂缝诊断方法考虑因素不全面、结果不准确的弊端，提出基于统计模型的裂缝诊断方法。以某扩建水利枢纽工程为例，诊断9支裂缝的开合度，建立裂缝统计模型，评价水利枢纽设施裂缝工作性态。结果表明：测点1、2、3、5、9的时效分量不收敛，裂缝具有闭合趋势；测点4、6、8的时效分量平稳变化；测点7时效分量收敛，裂缝工作性态均保持正常；诊断泄水闸裂缝基本稳定。文章为水工建筑裂缝工作性态诊断提供了技术思路。

关键词：
工作性态
时效分量
水工建筑
统计模型
裂缝
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1、概述

水库､大坝等水工混凝土结构具有灌溉､防洪､发电等功能,属于重要水利设施｡受荷载变化､环境等因素影响,水工混凝土结构可能产生裂缝,结构完整性变差,稳定性和耐久性下降,影响水利设施正常使用,严重时诱发安全事故[1]｡精准诊断水工混凝土裂缝是发现问题以及解决问题的重要前提,能够保障水利设施安全运行｡水工混凝土裂缝评价指标常采用裂缝开合度,用于反映水工混凝土结构健康状态以及裂缝发展趋势[2]｡裂缝开合度取决于混凝土材料､荷载､温度等因素,影响机制复杂,传统分析方法以定性分析为主,缺乏定量分析,考虑因素有限,研究结果缺乏指导意义｡因此,以何种方法提高裂缝开合度研究水平是亟需探讨的技术课题｡裂缝开合度统计模型在水工混凝土裂缝工作性态诊断中取得广泛应用,分离影响开合度的时效分量,研究结果真实可靠｡基于此,本文建立裂缝开合度统计模型,诊断裂缝工作性态,通过速度和加速度反映裂缝发展速率,评估裂缝是否具有持续发展趋势以及对水工建筑的危害,为裂缝维护管理决策提供依据,在源头妥善处置裂缝,保障水利设施安全运行｡

2、工程概况

某扩建水利枢纽工程采用3级泄水闸及重力坝,沿老闸相同轴线扩建新闸,每孔净宽10m,12孔,设计流量3369m3/s,采用开敞式结构,中心线距老闸北端下游导流墩顶南侧225m｡泄水闸左岸门库上游交通桥顶部有3条裂缝,门库上游挡墙竖直面有1条延伸至墙底板的裂缝,存在长期析钙痕迹;有2条裂缝贯穿上下游,终止于胸墙最低高程82.16m处,3条裂缝产生时间尚不明确｡裂缝贯穿门库上游胸墙,影响门库挡水设施稳定性,存在安全隐患｡巡视检查确定裂缝分布位置后,监测裂缝开合度和错动量,进行裂缝工作性态诊断,布置9组双向裂缝计,每组2支相互垂直｡测点监测采用灵敏度系数为0.001的传感器,测点布置位置和及编号:门库上游面,测点1､2;门库顶上游面,测点3､4､5;门库内,测点6､7;门库顶下游面,测点8､9｡

3、裂缝统计模型建立

研究采用2022年6月20日17:00:00至2023年4月20日12:00:00的裂缝计监测资料,此时间段内的水工混凝土结构经历汛期､高温及低温季节多个不利工况｡由于裂缝巡视检查发现泄水闸检修门库有裂缝,出于安全考虑,限制重型卡车通行,避免外界荷载影响泄水闸稳定性[3]｡研究表明[4]:水压､温度和时效是影响裂缝变形的主要因素,建立本水闸裂缝统计模型,如下:

式中,δ(t)—裂缝实测值,mm;δT(t)—温度分量,℃;δH(t)—水压分量,Pa;δθ(t)—时效分量,d;a0—常系数;L—反映非线性温度影响的温度多项式的最高阶次;K—测点数量;H—水深,m;t—时间,d;aip—Ti的p次方的回归系数;Ti—测点i实测温度,℃;bi—水压因子回归系数;c1､c2—时效因子回归系数｡

根据裂缝观测资料,采用便捷性和可靠性均良好的逐步回归分析法分离裂缝时效分量｡泄水闸检修门库裂缝开合和错动主要受温度影响,裂缝统计模型中温度因素数据采用9支裂缝计的实际测温数据,测点总数K=9,拟合精度最高的是测点温度分量与实测温度的1次方､2次方､3次方成正比的情况,因此式(1)的L取3｡基于逐步回归分析法确定裂缝统计模型系数,在此基础上计算复相关系数､均方根误差,各测点裂缝统计模型的计算结果如图1所示｡

图1复相关系数､均方根误差值

如图2所示,图中信息反映测点变幅及分量影响占比,通过对比分析,拟合精度较高且具有规律性的是测点6,针对此测点绘制如图3所示的实测值与拟合值及温度过程线｡

统计与分析各测点计算结果,评价拟合效果,得出复相关系数0.884~0.996,均方根误差0.006~0.051mm,分布相对集中,拟合效果良好｡研究时间段内的不利工况包含汛期､高温季节､低温季节｡根据气象资料,最高温度34.5℃､最低温度0.3℃,对应裂缝开合度实测值分别为-0.08､0.20mm｡由于温度变化,裂缝开合度随之改变,其规律是:裂缝开合度随温度升高而降低､随温度下降而提高,两者相关性显著｡温度分量影响占比为58.10%~84.67%,在各类影响水工混凝土结构开合度的因素中,温度起主导作用｡本文对水工混凝土裂缝工作性态诊断采用的裂缝开合度统计模型基于非线性温度影响因素所构建,考虑温度对裂缝开合度的影响,可以反映裂缝变化趋势,精度高,将其用于泄水闸裂缝工作性态诊断能够获得较可靠的诊断结果｡

图2测点变幅及分量影响占比

图3实测值与拟合值及温度过程线(以测点6为例)

4、基于统计模型的裂缝工作性态诊断流程

根据已掌握的泄水闸裂缝信息,在典型裂缝处安装裂缝计组,建立裂缝开合度统计模型,分离时效分量,进行裂缝工作性态诊断[5]｡由于泄水闸经历工况多,模型构建数据采用各类不利工况的裂缝实测值｡考虑到裂缝实际工作性态诊断结果可靠性,基于速度和加速度准则进行诊断,流程如下｡

(1)在宏观裂缝典型位置安装裂缝计组,考虑水工混凝土结构使用过程中遇到的工况类型,分别在不利工况时进行监测,采集裂缝计组的监测数据,通过实测值反映结构宏观裂缝的工作性态｡

(2)对裂缝开合度统计模型分离时效分量,不同时间的时效分量变化特征,如图4所示｡

根据图4可知,测点1､2时效分量变化规律为先增后减;测点3､5时效分量变化规律与测点1､2一致;测点4基本呈平缓直线,虽有变化但幅度小;测点6､7时效分量减小;测点8时效分量近似平缓直线,后期更为稳定,总体变幅小;测点9先增后减｡时效分量对各测点影响程度不同,对测点3的影响尤为显著,通过与开合度日变幅规律的对比分析,得知开合度时效分量分布特点与之具有相似性,时效分量变化因开合度变动幅度增加表现得愈发明显｡不同位置测点的时效分量存在差异,远离闸墩部分高于临近闸墩部分,究其原因,闸墩位于基岩上,左岸联接段沉降对检修门库使用状况产生影响,测点越临近左岸,受沉降影响越显著,导致的结果是裂缝开合度测值偏高｡所有测点中,绝大部分测点的时效分量均为闭合趋势,但测点8例外(张开趋势),根据不同测点的时效分量变化规律,认为裂缝朝着有利方向发展｡

(3)裂缝时效分量对单位时间的一､二阶､三阶导数分别为:

基于速度与加速度准则对水工混凝土裂缝工作性态进行诊断,结合不同时段的裂缝时效分量变化规律,分为4个裂缝性态变化阶段[6]:①时效分量平稳阶段｡若dδθdθ≈0,时效分量仅发生微小变化,稳定性较好,裂缝变化规律正常｡若dδθdθ<0.01mm,认为一阶导数为0,时效分量单位增量较裂缝计有效读数精度更低,100d时效增量在0.01mm以内｡②时效分量收敛阶段｡时效分量减速率加大,实测变形量未超过历史极值,具备dδθdθ>0,d2δθdθ20)但δθ0,d3δθdθ3,时效分量快速增加,表明水工混凝土结构存在急剧开裂情况,严重影响结构完整性和稳定性｡

图4时效分量过程线

5、裂缝工作性态诊断结果分析

不同测点的时效因子回归系数如图5所示,结合图中信息和各阶导数计算表达式,确定测点时效分类1阶､2阶､3阶导数值,判断不同时间段的时效分量收敛和发展情况,综合以上信息,对水工混凝土结构裂缝工作性态做出诊断｡

图5时效因子回归系数/10-2

各测点时效分量计算结果及收敛评价见表1｡

根据表1可知,相比裂缝计有效读数精度,测点4､6､8的时效分量单位增量均更小,绝对值0,收敛,水工混凝土结构裂缝工作性态正常;其余测点时效分量不收敛,呈闭合趋势｡诊断结果表明,本泄水闸裂缝基本处于稳定状态,但水工设施使用条件复杂,安全管理不可松懈,后续需要加强监测,及时评估水工混凝土裂缝工作性态,做好维护和管理,尤其要注意高温､低温等不利工况对水工混凝土结构的不良影响,排除隐患,避免险情｡

表1时效分量计算结果及收敛评价

6、结语

本文建立裂缝开合度统计模型,分离时效分量以及分析不同时间段的变化规律,结合速度和加速度准则,诊断裂缝工作性态,得出如下结论:①裂缝开合度统计模型准确度高,裂缝工作性态诊断具有灵敏性和可靠性,反映裂缝扩展速率和发展趋势,是分析裂缝动态变化特征的可行方法｡②温度非线性效益的统计模型拟合精度高,泄水闸裂缝测点数量共计9个,部分测点时效分量不收敛,但裂缝有闭合趋势｡

后续研究中,应继续深化模型和诊断方法,考虑更多对水工混凝土结构产生不利影响的工况,提高裂缝工作性态诊断水平｡

参考文献:

[1]武旭东.钢筋混凝土板裂缝修复及结构性能研究[J].水利技术监督,2024(3):175-178.

[2]赵文剑,黄会宝,陈建康,等.基于监测数据-变形倾度的瀑布沟大坝坝顶开裂成因分析[J].水利规划与设计,2023(5):141-148.

[3]邹彦艳,高宇佳,赵宁,等.基于改进Yolov5s的混凝土坝裂缝检测研究[J].自动化与仪器仪表,2023(11):1-5.

[4]徐世媚,黄耀英,徐小枫,等.基于速度与加速度准则的泄水闸裂缝工作性态诊断[J].水利水运工程学报,2022(5):78-85.

[5]聂军洲.大坝混凝土温控防裂措施优化研究[J].水利科技与经济,2022,28(6):109-112.

[6]卓胜.某河床式水电站溢流坝裂缝分析处理[J].江西水利科技,2023,47(6):431-436.

文章来源:郑泽棉.基于统计模型的水工混凝土裂缝工作性态诊断[J].水利技术监督,2025,(03):29-32.