一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法

摘要

本发明公开了一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法，具体为：获取泄洪道冲坑表观及内部三维形态特征及基底混凝土的材料参数，初步确定开挖范围、基底混凝土的粗糙度及修复砂浆，将修复砂浆试件的材料参数与获得的基底混凝土材料参数进行比较，优化修复砂浆，通过修复砂浆‑基底混凝土模型，得到修复砂浆与基底混凝土的界面应力分布和界面位移变化曲线，确定最终的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆，布设应力‑应变传感器及强度传感器，获取修复砂浆与基底混凝土界面运行期内的应力分布及位移变化，得到修复区的材料参数，循环优化，得到适用于全寿命周期的泄洪道基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆。

说明书

技术领域

本发明属于水工建筑物泄水道修复技术领域，涉及一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法。

背景技术

由于运行条件和工作环境的复杂性，水工结构混凝土界面普遍存在老化、冲刷磨损等破坏现象，影响水工结构的安全性。在水工建筑物破坏中，泄水道的破坏最为普遍。由于泄水道始终受到下泄水流、特别是高速水流的冲刷作用，其本身及下游河道中，水流冲刷造成的破坏随处可见而又难以避免，有时甚至是大坝失事的主要原因。对泄水道冲坑的修复关系着大坝的安全稳定运行。

传统上对泄水道冲坑的治理工作通常采用砂浆修补，对冲坑表面打磨后浇筑砂浆，使砂浆与基底混凝土粘结达到修复的目的。但是这种传统的修复方法仅仅能解决短期内的冲刷问题，存在以下缺点：(1)设计施工具有盲目性和经验性，这导致现有泄洪道冲坑修复治标不治本，导致施工期治理后数年内继续需要返工修补，运行期泄洪道冲坑治理；(2)未处理泄洪道基底混凝土内的深层裂缝，修复后的泄水道仍存在较大的安全隐患；(3)泄水道冲坑在修复后，每隔一两年又会出现冲刷破坏的现象，导致泄水道需要反复修补，耗费了大量人力、财力；(4)未做出泄水道全寿命周期的规划，无法知晓修复后的泄水道在施工期及运行期的状况，无法做到防患于未然。

发明内容

本发明的目的是提供一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法，解决了现有冲坑修复方法不能实时获取修复区域的信息且修复成本高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，对待测泄洪道混凝土表面进行三维扫描并进行综合超声波物理探测，获取泄洪道冲坑表观及内部三维形态特征并获取待测泄洪道基底混凝土的材料参数；

步骤2，根据步骤1获取的基底混凝土的材料参数，确定基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度并筛选修复砂浆；

步骤3，采用步骤2筛选的修复砂浆制备修复砂浆试件，测量修复砂浆试件的材料参数，将修复砂浆试件的材料参数与步骤1中获得的基底混凝土材料参数进行比较，得到优化后的修复砂浆；

步骤4，根据步骤2确定的泄洪道基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度与步骤3优化后的修复砂浆对修复区域进行数值模拟，得到修复砂浆与基底混凝土之间的界面应力分布曲线和界面位移变化曲线，确定最终的泄洪道基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆；

步骤5，根据步骤4得到的最终的基底混凝土的开挖范围、基底混凝土粗糙度、修复砂浆进行开挖，对基底混凝土中的深层裂缝打注浆孔灌入修复砂浆、对洪水道冲坑坑面打磨、向洪水道冲坑内进行灌入修复砂浆并布设应力-应变传感器及强度传感器；

步骤6，通过步骤5布设的应力-应变传感器及强度传感器获取修复砂浆与基底混凝土界面在施工期以及运行期内的应力分布及位移变化，得到修复区的抗压强度、弹性模量、密度、泊松比、线膨胀系数，重复步骤2-4，得到适用于全寿命周期的泄洪道基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆。

本发明的特征还在于，

步骤1中，泄洪道基底混凝土的材料参数包括基底混凝土抗压强度、弹性模量、密度、泊松比、线膨胀系数。

步骤2中，确定基底混凝土的开挖范围具体为：通过查阅泄洪道原始设计资料获得初始设计抗压强度，将初始设计抗压强度与步骤1中获得的基底混凝土抗压强度进行比较，将基底混凝土抗压强度小于初始设计抗压强度70％的基底混凝土挖除，得到基底混凝土的开挖范围；

基底混凝土的粗糙度为0.65～1.5mm；

修复砂浆采用环氧类或者聚氨酯类砂浆且凝固后的28天抗压强度不小于初始设计抗压强度。

步骤3的具体过程为：采用步骤2筛选的修复砂浆制备修复砂浆试件，测量修复砂浆试件的弹性模量、密度、泊松比和线膨胀系数，将修复砂浆试件的线膨胀系数与步骤1中获得的基底混凝土线膨胀系数进行比较，两者之差不大于10％，得到优化后的修复砂浆。

步骤4的具体过程为：

步骤4.1，采用ABAQUS软件建立修复砂浆-基底混凝土模型，修复砂浆-基底混凝土模型中的定量为步骤1获取的基底混凝土的弹性模量、密度、泊松比及步骤3得到的修复砂浆的弹性模量、密度、泊松比；修复砂浆-基底混凝土模型中的变量为基底混凝土开挖范围、基底混凝土粗糙度和优化后的修复砂浆；输出结果为界面应力分布曲线和界面位移变化曲线；

步骤4.2，根据泄洪道所处的实际环境，对步骤4.1建立的修复砂浆-基底混凝土模型施加荷载，模拟高速水流的冲刷荷载作用，得到修复砂浆与基底混凝土界面应力分布曲线和修复砂浆与基底混凝土界面位移变化曲线；

步骤4.3，根据步骤4.2得到的界面应力分布曲线和界面位移变化曲线，筛选出满足修复砂浆与基底混凝土界面拉应力小于初始设计抗拉强度且修复砂浆与基底混凝土界面位移小于0.01mm的方案，再在筛选出的方案中选出修复砂浆与基底混凝土界面的拉应力及位移最小的方案最为最终方案，最终方案所对应的变量作为最终的基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆。

步骤4.1中，修复砂浆-基底混凝土模型采用ABAQUS软件内嵌的损伤塑性模型。

步骤4.2中，水流的流速为15-25m/s。

步骤5中，在向洪水道冲坑填充修复砂浆的过程中，在基底混凝土与修复砂浆的界面处布置若干应力-应变传感器，相邻应力-应变传感器之间的距离为30cm，在修复砂浆内部布设若干排强度传感器，相邻强度传感器之间的间隔为30cm。

步骤5中，灌入修复砂浆后的基底混凝土及深层裂缝的整体抗压强度不小于初始设计抗压强度，且注浆孔对基底混凝土的抗渗系数影响小于10％。

本发明的有益效果是，

(1)本发明一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法，采用修复砂浆-基底混凝土模型，得到了最优的基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆，确保了泄洪道在施工期的稳定和运行期的安全，使泄洪道冲坑全寿命周期的治理成为可能；

(2)本发明一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法，通过应力-应变传感器及强度传感器获取泄洪道修复区域的实时信息，形成对界面应力分布及界面位移的量化检测，并进行不断地循环优化，从而实现了对洪道冲坑全寿命周期的修复规划。

附图说明

图1是本发明一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法的流程图；

图2是本发明一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法中应力-应变传感器及强度传感器的布设示意图。

图中，1.泄洪道冲坑轮廓线，2.应力-应变传感器，3.强度传感器，4.修复砂浆与基底混凝土界面，5.深层裂缝，6.注浆孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种泄洪道冲坑全寿命周期修复方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，对待测泄洪道混凝土表面进行三维扫描并进行综合超声波物理探测，获取泄洪道冲坑表观及内部三维形态特征并获取待测泄洪道基底混凝土的材料参数；

泄洪道冲坑表观形态特征包括泄洪道冲坑表面的骨料破碎形态、砂浆与骨料分布特征；

泄洪道冲坑内部三维形态特征包括基底混凝土内部浅层裂缝及深层裂缝5分布特征；

泄洪道基底混凝土的材料参数包括基底混凝土抗压强度、弹性模量、密度、泊松比、线膨胀系数；

综合超声波物理探测具体为：距离泄洪道冲坑边缘(即泄洪道冲坑轮廓线1)10m-30m范围采用超声波检测混凝土裂缝分布状况，距离泄洪道冲坑边缘(即泄洪道冲坑轮廓线1)0-10m范围采用超声波CT成像检测方法，同时联合跨孔电阻率CT探测方法，精细探测泄洪道冲坑周围的裂缝形态、长度与深度；

步骤2，根据步骤1获取的基底混凝土的抗压强度，确定基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度并筛选修复砂浆；

确定基底混凝土的开挖范围具体为：通过查阅泄洪道原始设计资料获得初始设计抗压强度，将初始设计抗压强度与步骤1中获得的基底混凝土抗压强度进行比较，将基底混凝土抗压强度小于初始设计抗压强度70％的基底混凝土挖除，得到基底混凝土的开挖范围(泄洪道冲坑的修复范围)；

基底混凝土的粗糙度为0.65～1.5mm，采用凿毛机处理得到；

修复砂浆采用环氧类或者聚氨酯类砂浆且凝固后的28天抗压强度不小于初始设计抗压强度；

步骤3，采用步骤2筛选的修复砂浆制备修复砂浆试件，测量修复砂浆试件的弹性模量、密度、泊松比和线膨胀系数，将修复砂浆试件的线膨胀系数与步骤1中获得的基底混凝土线膨胀系数进行比较，两者之差不大于10％，得到优化后的修复砂浆；

步骤4，根据步骤2确定的泄洪道基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度与步骤3优化后的修复砂浆对修复区域进行数值模拟，得到修复砂浆与基底混凝土之间的界面应力分布曲线和界面位移变化曲线，确定最终的泄洪道基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆；

具体过程为：

步骤4.1，采用ABAQUS软件建立修复砂浆-基底混凝土模型，修复砂浆-基底混凝土模型采用ABAQUS软件内嵌的损伤塑性模型；

修复砂浆-基底混凝土模型中的定量为步骤1获取的基底混凝土的弹性模量、密度、泊松比及步骤3得到的修复砂浆的弹性模量、密度、泊松比；修复砂浆-基底混凝土模型中的变量为基底混凝土开挖范围、基底混凝土粗糙度和优化后的修复砂浆；输出结果为界面应力分布曲线和界面位移变化曲线；

建模范围为步骤3优化后的修复砂浆、向基底混凝土方向选取修复砂浆最长边的0.5倍距离，该模型考虑了拉伸和压缩情况下不同的强度演化；为使修复砂浆-基底混凝土模型计算结果具有较高的精度，修复砂浆-基底混凝土模型的网格划分采用10节点四面体单元，对修复砂浆与基底混凝土的界面处进行加密网格单元处理；

步骤4.2，根据泄洪道所处的实际环境，对步骤4.1建立的修复砂浆-基底混凝土模型施加荷载，模拟高速水流的冲刷荷载作用，水流的流速为15-25m/s，得到修复砂浆与基底混凝土界面应力分布曲线和修复砂浆与基底混凝土界面位移变化曲线；

步骤4.3，根据步骤4.2得到的界面应力分布曲线和界面位移变化曲线，筛选出满足修复砂浆与基底混凝土界面4拉应力小于初始设计抗拉强度且修复砂浆与基底混凝土界面4位移小于0.01mm的方案，再在筛选出的方案中选出修复砂浆与基底混凝土界面4的拉应力及位移最小的方案最为最终方案，最终方案所对应的变量作为最终的基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆；

步骤5，根据步骤4得到的最终的基底混凝土的开挖范围、基底混凝土粗糙度、修复砂浆进行开挖，对基底混凝土中的深层裂缝5打注浆孔6灌入修复砂浆、对洪水道冲坑坑面打磨、向洪水道冲坑内进行灌入修复砂浆，如图2所示，在向洪水道冲坑填充修复砂浆的过程中，在修复砂浆与基底混凝土的界面4处布置若干应力-应变传感器2用于监测修复砂浆与基底混凝土的界面应力分布和界面位移的变化，相邻应力-应变传感器2之间的距离为30cm，在修复砂浆内部布设若干强度传感器3，用于监测修复砂浆的强度变化，每排强度传感器3之间的间隔为30cm；

灌入修复砂浆后的基底混凝土及深层裂缝的整体抗压强度不小于初始设计抗压强度，且注浆孔6对基底混凝土的抗渗系数影响小于10％。

步骤6，通过步骤5布设的应力-应变传感器2及强度传感器3获取修复砂浆与基底混凝土界面在施工期以及运行期内的应力分布及位移变化，得到修复区的抗压强度、弹性模量、密度、泊松比、线膨胀系数，重复步骤2-4，得到适用于全寿命周期的泄洪道基底混凝土的开挖范围、基底混凝土的粗糙度、修复砂浆。

本发明方法通过循环优化设计，对泄洪道冲坑进行全寿命周期的修复规划，在后续的设计施工中，选择更合适的基底混凝土开挖范围、基底混凝土粗糙度以及修复砂浆类型，实现步步优化，达到全寿命周期治理的目的。