闸室外包混凝土在卧虎山水库除险加固工程中的应用

2014-09-05李志乾董永霞

黑龙江水利科技 2014年12期

关键词：闸墩植筋闸室

李志乾，董永霞

(1.黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003；2.商丘市水利建筑勘测设计院，河南商丘 476000)

闸室外包混凝土在卧虎山水库除险加固工程中的应用

李志乾1，董永霞2

(1.黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003；2.商丘市水利建筑勘测设计院，河南商丘 476000)

针对卧虎山水库溢洪闸闸室结构裂缝成因、结构受力等问题的分析,卧虎山水库溢洪闸闸室采用外包混凝土的加固措施,消除闸室存在的结构病险,完善闸室运行功能。实践证明,该措施技术可行,经济可靠,对大型水闸病险处理具有宝贵的借鉴价值。

溢洪闸；除险加固；卧虎山水库；加固设计

1 工程概况

卧虎山水库位于济南市历城区仲宫镇境内，锦绣川、绵阳川、锦云川三川汇流处的玉符河上游，是一座具有防洪、灌溉和城市供水为一体的大型水库，属黄河水系，水库流域面积557 km2。

溢洪闸工程位于大坝左岸，为坝肩式溢洪闸，共5孔，单孔14 m，总净宽70 m，闸室总长28 m，中墩宽2.0 m，长25 m，闸底板高程118.3 m，最大墩高24.78 m，闸室分缝位于各底板跨中。

闸底板设一低驼峰，堰顶高程121.0 m，设工作闸门一道，为弧型钢闸门，闸门尺寸14 m×11 m。

卧虎山水库溢洪闸于 1976年在拆除原溢洪闸后新建。

2007年4月经对溢洪闸进行安全鉴定，卧虎山水库溢洪闸存在下列病险：

1)闸墩、底板发生多道横向、竖向裂缝；混凝土碳化深度平均50 mm，超过混凝土保护层厚度。

2)溢洪闸无检修闸门，无法保证工作闸门的正常检修；现有工作闸门锈蚀严重，钢丝绳、滚轮锈蚀，行洪时无保障。

3)闸门止水橡胶老化，漏水严重，且闸门止水不具备检修条件[1-2]。闸门门顶高程135.0 m，闸门高度不满足水库防洪运用要求。

4)交通桥荷载标准为汽-13级，设计标准偏低，不满足现状交通要求。

5)弧门牛腿推力最大推力428.8 t，最小264.5 t，不满足现有闸门推力700 t的设计要求。

2 裂缝成因分析

为了分析裂缝成因，采用ANSYS结构分析软件，对溢洪闸在运行情况下闸室结构的应力应变进行数值计算分析。

通过计算，溢洪闸闸室:

1)在温降工况下，在底板下游区域均会出现范围较大的拉应力区，中墩σz约7 MPa，边墩约8 MPa，可能导致底板产生开裂，与实际检测到的底板横向裂缝吻合，底板裂缝可判断是由温度降低所引起。

2)闸室左侧的Ⅱ号滑坡体对边墩安全的影响较大，在计算工况下将使边墩产生过大的位移(x向最大位移近0.22 m)、过大的拉应力(44 MPa，分布于边墩内下侧)和过大的压应力(68 MPa，分布于边墩外侧，即临水侧)[3-4]。

3)正常运行下，水压作用对中墩的影响不大，但在牛腿附近会产生应力集中拉应力最大达到z向5.1 MPa。

最大主应力为10.4 MPa，实际检测到的闸墩上有水平缝存在，可以判断只要施工中存在水平缝或施工质量较差，就会导致闸墩上水平裂缝的产生。

4)温升工况对闸墩及底板的影响较小。

由于溢洪闸已经运行近30 a，至今没有破坏性的事故发生，表明闸室左岸滑坡体还没有产生严重的滑动，闸室裂缝与滑坡体无关，否则滑坡体产生的滑动推力将使整闸事发生毁灭性的破坏而不是限于开裂[5-6]。同时，结合对闸室结构的复核以及对闸室施工情况的调查，可以判断得出闸墩贯穿性裂缝是由于结构配筋不足以及施工因素导致的，闸室底板贯穿裂缝是由于运用期温度应力过大导致的。闸室裂缝素描图见图1。

图1 闸室裂缝素描图

3 闸室外包加固设计

3.1 加固方案的选择及加固思路

卧虎山水库大坝溢洪闸等原设计标准为10 000 a一遇洪水校核，此次加固是按5 000 a一遇校核洪水的标准。

根据卧虎山水库防洪的运用原则和对溢洪闸泄洪能力的复核，溢洪闸闸墩、闸底板具备增大结构断面进行加固治理的条件。通过对拆除重建闸室和闸室外包混凝土两个方案的工程投资、施工工期及技术可行性等方面的比较，最终选用了闸室外包混凝土的加固方案。

闸室外包混凝土方案主要是根据溢洪闸泄洪要求，确定闸墩、闸底板截面加大的尺寸，对原闸结构裂缝、配筋不足的结构性缺陷，采取闭缝灌浆、外包混凝土并重新配置结构受力钢筋进行解决。

对于钢筋密集的弧门牛腿，再次布置牛腿钢筋比较困难，采取拆除整个牛腿重新进行设计。

同时在闸墩、闸底板外包混凝土的过程中，增设检修闸门门槽及弧门检修孔，修复止水，重新设计混凝土闸门、启闭机房、按最新交通要求，恢复闸顶交通桥等。

为保证新浇混凝土与原结构混凝土结合紧密，除凿除原结构碳化混凝土外，并凿毛老结构表面，在新老混凝土之间涂刷界面剂、布置插筋。

3.2 加固设计

加固设计内容包括：现状闸室裂缝灌浆及修补、现状闸室拆除、凿毛及设置插筋、闸墩、闸底板化学植筋和闸墩、闸底板外包混凝土。

3.2.1 现状闸室裂缝灌浆及修补

根据裂缝部位、宽窄、深浅及是否为贯穿裂缝等不同情况，对闸墩、闸底板出现的延伸长度>5 m，裂缝深度>50 cm(底板)或深度>20 cm(闸墩)的较宽裂缝(δ>0.5 mm)，采用环氧树脂进行灌浆修补。裂缝闭缝灌浆见图2。

图2 裂缝闭缝灌浆

3.2.2 现状闸室拆除、凿毛及设置插筋

根据闸墩牛腿影响范围，将牛腿下游8.5 m×9.5 m范围内闸墩混凝土进行拆除。同时为保证新老混凝土黏结效果，将闸墩、闸底板混凝土碳化层进行凿除，凿除深度5 cm，并在新老混凝土之间布置插筋，插筋间排距1.0 m，梅花形布置。中墩插筋对穿闸墩，与新布的闸墩两侧钢筋进行焊接,形成整体，底板、边闸墩插筋伸入老混凝土端0.75 m，外露插筋同样与新布的钢筋焊接，形成整体。

凿毛后的混凝土表面要求半露骨料，对于碳化深度较大及局部有损伤的部位，根据实际情况对凿毛深度相应加大。拆除、凿毛、插件布置见图3。

图3 拆除、凿毛、插件布置

3.2.3 闸墩、闸底板化学植筋

为保证重新布置的闸底板钢筋、闸墩钢筋承荷效果，底板钢筋及闸墩纵向钢筋采用化学植筋，单根植筋深度公式为：

ld≥ΨnΨcmls[1]

(1)

式中：ΨN为植筋受拉力影响的修正系数，Ψcm为植筋位移延性修正系数。

新植钢筋部分是浇筑在外包混凝土中，因此在老混凝土中的植筋深度需考虑外包混凝土对钢筋的锚固作用。

经过计算，扣除新浇混凝土的锚固后，闸墩、闸底板钢筋在老混混凝土结构中的植筋深度取0.75 m。

闸墩及闸底板的大范围采用化学植筋，在闸墩根部造孔密集，对原闸结构破坏较大。为了减少对老结构的破坏，植筋分两排间隔进行，内侧的植筋与外侧钢筋进行搭接连接。分两排间隔植筋见图4。

图4 分两排间隔植筋

3.2.4 闸墩、闸底板外包混凝土

卧虎山水库溢洪闸起调水位为正常蓄水位130.5 m，根据泄洪复核计算，将闸底坎抬高0.50 m，过流净宽由原来的70.0 m调整为65.0 m，最大下泄流量7 030 m3/s，此时校核洪水位137.51 m，相应计算所需最大坝顶高程139.19 m，小于现状大坝坝顶及闸室顶高程139.50 m，满足防洪要求，闸底板、闸墩具备外包混凝土0.5 m的加固条件。

原闸室混凝土为200号混凝土，闸墩配筋面积1 546 mm2，底板配筋面积4 926 mm2，混凝土标号及配筋均较低。

外包混凝土强度根据GB50367—2006提高一个等级且≥C25，采用C30混凝土，外包后闸墩钢筋不考虑已有闸墩钢筋，按新配钢筋考虑。

随同外包增大闸墩、闸底板的断面尺寸、中闸墩的加长，增设检修门槽、弧门检修孔，重新恢复弧门牛腿、闸顶启闭机房、交通桥等，同时根据水库防洪要求，重新设计闸门及启闭设备等，以完善闸室的功能。闸结构外包混凝土见图5。