大型水闸改造决策与闸室混凝土温度仿真研究

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水闸是一种具有挡水和泄水双重功能的低水头水工建筑物,在灌溉供水、防洪、排涝、挡潮、水资源调控、改善水环境等方面发挥着重要作用。截至2017年,全国已建成流量在5m~3/s及以上的水闸共有103878座,其中大中型病险水闸就达2600余座,对这些水闸进行加固改造对国计民生有着重大意义。本文以河南省某大型水闸改造项目为依托,对大型水闸技术改造中的改造决策和闸室段大体积混凝土的温度场两个关键问题进行了研究,主要研究工作如下:(1)依照现行规范对河南省某水闸进行了全面的复核计算和检测分析,结果表明:该水闸的闸顶高程、消力池深度、海漫长度、闸室及挡土墙的稳定等不符合现行规范要求;第1、2、5、7孔闸底板与地基结合部及以下区域存在脱空区并疑似充水;第9孔和第11孔在闸上水位为73m及以上情况下无法正常关闭;启闭机排架顶部、交通桥大梁端部等上部结构均存在严重缺陷;金属结构及电气设备严重老化。(2)在对原水闸结构复核分析和全面检测的基础上,结合国内外类似工程改造实例,提出了该水闸改造的两种备选方案,并拟定了每种方案所包含的具体工作内容;探讨了价值工程方法应用于水闸改造方案决策中的可行性;通过计算分别确定了两种备选方案的功能系数和成本系数,并计算出价值系数;根据价值系数的大小选定“拆除原闸,原址重建”方案为最优实施方案。(3)从空间尺寸、用料特点、温度扩散规律以及裂缝危害等方面对水闸大体积混凝土的特点进行了总结;介绍了大体积混凝土的温度场理论及温度场的有限元理论,并对热传导方程进行了推导;以河南省某水闸左侧第三联闸底板及其上的中墩为例建立了有限元模型,分析了温度场随时间的变化规律;选取结构内部及表面若干不同点为代表节点对最大温差出现的位置做出了预测,并分析了不同养护条件对混凝土温度场和最大温差的影响,为混凝土的养护提供指导。
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