陸水水利樞紐二號(hào)副壩閘墩裂縫成因分析及缺陷處理方案

1、    陸水水利樞紐二號(hào)副壩閘墩裂縫成因分析及缺陷處理方案    張俊文 張志新 倪元珍摘要：陸水水利樞紐2號(hào)副壩閘墩出現(xiàn)斜向裂縫，對(duì)樞紐工程的安全可靠運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。依據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)閘墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及配筋復(fù)核計(jì)算。采用有限元計(jì)算，從受力角度進(jìn)一步分析閘墩斜向裂縫產(chǎn)生的原因。計(jì)算結(jié)果表明：弧形工作閘門下游側(cè)附近受閘門支座推力及溫升荷載長(zhǎng)期反復(fù)作用，加之閘門支座扇形鋼筋延伸長(zhǎng)度不滿足規(guī)范要求，是導(dǎo)致泄洪閘閘墩部位混凝土產(chǎn)生斜向裂縫的主要原因。從裂縫成因、施工條件、工程造價(jià)等方面綜合考慮，提出了采用化學(xué)灌漿和粘貼鋼板的處理方案，有效控制了裂縫

2、發(fā)展。研究成果可為類似工程裂縫成因分析和缺陷處理提供參考。關(guān)鍵詞：閘墩裂縫;有限元分析;化學(xué)灌漿;粘貼鋼板;陸水水利樞紐1 工程概述陸水水利樞紐位于陸水干流山谷出口處，主壩坐落在湖北省赤壁市城區(qū)南端，距京廣鐵路蒲圻鐵路橋上游2 km，距京港澳高速公路、京廣高鐵和107國道陸水大橋上游58 km，地理位置十分重要1。陸水系長(zhǎng)江中游右岸一級(jí)支流，源出湘、鄂、贛3省交界的幕阜山北麓，流經(jīng)湖北省的通城、崇陽、赤壁、嘉魚4縣市，在武漢上游約157 km的陸溪口注入長(zhǎng)江。陸水干流全長(zhǎng)183 km，流域面積3 950 km2，樞紐工程控制流域面積3 400 km22。陸水水庫總庫容7.42億 m3，是一座以

3、防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、城市供水、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游和水利科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)的大（2）型綜合利用水利樞紐。工程由主壩和15座副壩、泄洪建筑物、電站廠房、開關(guān)站、南北灌溉渠首、簡(jiǎn)易干運(yùn)垂直升船機(jī)等建筑物組成。工程等別為等，永久性主要建筑物級(jí)別為2級(jí)3。2號(hào)副壩原為土壩，后因防洪需要，20世紀(jì)80年代改建為泄洪閘，壩頂高程59.0 m，最大壩高16.0 m，壩軸線長(zhǎng)102.2 m。泄洪閘閘室分3孔，每孔凈寬12.0 m，閘底板高程46.0 m，兩側(cè)各有3個(gè)重力壩段。閘室下游接泄槽段，泄槽出口采用挑流消能方式。2 閘墩裂縫成因分析引起閘墩裂縫的因素包括結(jié)構(gòu)與荷載、混凝土原材料、混凝土配合比及施工技術(shù)措施等

4、。國內(nèi)外目前采用的主要加固方法有：裂縫內(nèi)部化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)加固，表面涂刷單組份聚脲柔性涂層或彈性環(huán)氧砂漿封閉，外層粘貼高強(qiáng)玻璃纖維布，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，粘貼鋼板加固及預(yù)應(yīng)力錨桿等4。2.1 閘墩結(jié)構(gòu)布置泄洪閘共布置4個(gè)閘墩，閘墩順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)26.0 m，其中1，4號(hào)閘墩為邊墩，寬1.7 m;2，3號(hào)閘墩為中墩，寬3.4 m。泄洪閘分為3段，在2，3號(hào)閘墩中部分縫，分段長(zhǎng)度15.4 m，2，3號(hào)閘墩為縫墩。2.2 閘墩裂縫情況13號(hào)閘室左側(cè)閘墩距弧形閘門約20 cm處均存在斜向裂縫，與弧形閘門基本平行，縫長(zhǎng)2.83.1 m，縫寬均為0.4 mm，縫深57.0377.2 mm。2號(hào)閘墩裂縫的取芯結(jié)果

5、顯示：該裂縫跨過結(jié)構(gòu)主筋，貫穿于芯樣長(zhǎng)度，內(nèi)部裂縫寬度大于表面裂縫寬度，且在鉆芯過程中發(fā)現(xiàn)對(duì)側(cè)裂縫出現(xiàn)滲水，推定該裂縫為貫穿裂縫。裂縫情況見圖1。2.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及配筋復(fù)核計(jì)算經(jīng)查閱工程原設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行管理資料，2號(hào)副壩混凝土局部強(qiáng)度等級(jí)及配筋率低是閘墩產(chǎn)生裂縫的重要原因之一，嚴(yán)重影響泄洪建筑物的安全運(yùn)行。2.3.1閘墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算2.3.1.1計(jì)算條件閘墩結(jié)構(gòu)順?biāo)鞣较蚴芰ψ畈焕闆r是閘門全關(guān)擋水、閘墩承受最大上下游水位差時(shí)出現(xiàn)最大縱向力的情況。將閘墩視為固端的整體構(gòu)件，采用材料力學(xué)法計(jì)算閘墩截面應(yīng)力。2.3.1.2計(jì)算結(jié)果經(jīng)復(fù)核，縱向受力最不利情況下，閘墩計(jì)算截面上的縱向應(yīng)力均為壓應(yīng)

6、力，且小于閘墩混凝土的抗壓強(qiáng)度，閘墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。2.3.2 弧形閘門支座結(jié)構(gòu)計(jì)算閘墩裂縫與弧形閘門支座受力方向垂直，為分析裂縫成因，對(duì)弧形閘門支座結(jié)構(gòu)及扇形鋼筋配筋進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。2.3.2.1計(jì)算條件泄洪孔閘墩厚度b=3.4 m，閘墩中間分縫后單側(cè)厚度1.7 m?；￠T支座尺寸為1.6 m×3.6 m（寬×高）;支座外邊緣高度h1=2.2 m;弧門推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣的距離為0.7 m。按設(shè)計(jì)擋水水頭11.0 m計(jì)算弧形閘門水平水壓力為7 260.0 kn，豎向水壓力為3 544.5 kn，總推力8 079.0 kn，總推力與水平面角度26.02°。單個(gè)弧門支

7、座的閘門推力為4 039.50 kn。根據(jù)原設(shè)計(jì)資料，閘墩混凝土的設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為250號(hào)。考慮到泄洪閘已運(yùn)行近30 a，閘墩和支座的混凝土強(qiáng)度等級(jí)取c20，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為13.4 mpa，軸心抗拉強(qiáng)度為1.54 mpa?；￠T支座計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。圖中：k為承載力安全系數(shù);f 為閘墩一側(cè)弧門支座推力的設(shè)計(jì)值，n;b0為受拉邊局部受拉鋼筋中心至閘墩另一邊的距離，mm;b為閘墩厚度，mm;as為局部受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊緣的距離，mm;h為支座高度，mm;h0為牛腿與下柱交接處的垂直截面有效高度，mm;h1 為支座的外邊緣高度，mm;as 為受力鋼筋的總截面面積，mm2;fk 為按荷載標(biāo)準(zhǔn)值

8、計(jì)算的閘墩一側(cè)弧門支座推力值，n;a 為弧門推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣的距離，mm;e0為弧門支座推力對(duì)閘墩厚度中心線的偏心距，mm;d為受力鋼筋直徑，mm;asv為承受集中荷載所需的附加橫向鋼筋總截面面積，mm2;為牛腿底面的傾斜角，（°）。參數(shù)解釋下同。2.3.2.2支座結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算（1）弧門支座附近閘墩裂縫控制復(fù)核。依據(jù)sl 191-2008 水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范5（以下簡(jiǎn)稱sl 191-2008 設(shè)計(jì)規(guī)范），弧門支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫控制應(yīng)滿足如下要求：當(dāng)閘墩設(shè)計(jì)為中墩時(shí)，弧形閘門支座相應(yīng)承受兩側(cè)支座推力，使閘墩沿垂直推力方向形成軸心受拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)閘墩設(shè)計(jì)為縫墩、邊墩時(shí)

9、，弧形閘門支座相應(yīng)承受一側(cè)支座推力，使閘墩沿垂直推力方向形成受拉應(yīng)力狀態(tài)5。本工程中墩分縫、縫墩及邊墩計(jì)算式均應(yīng)采用閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時(shí)的計(jì)算公式，即弧門支座附近閘墩裂縫控制復(fù)核成果見表1。經(jīng)復(fù)核，受一側(cè)弧門支座推力作用時(shí)，弧門支座附近閘墩可抵抗支座推力5 086.40 kn，閘墩裂縫控制滿足規(guī)范要求。（2）閘墩局部受拉區(qū)受拉鋼筋復(fù)核計(jì)算。依據(jù)sl 191-2008設(shè)計(jì)規(guī)范，閘墩局部受拉區(qū)的扇形受拉鋼筋截面面積應(yīng)符合下式：式中：asi 為閘墩一側(cè)局部受拉有效范圍內(nèi)的第i根局部受拉鋼筋的截面面積，mm2;fy 為局部受拉鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，n/mm2;i 為第i根局部受拉鋼筋與弧門推力

10、方向的夾角，（°）。根據(jù)原設(shè)計(jì)施工詳圖，弧門支座配置扇形受拉鋼筋采用34與36焊接，共20根，長(zhǎng)度4.8 m。閘墩局部受拉區(qū)扇形受拉鋼筋復(fù)核成果見表2，受拉區(qū)扇形受拉鋼筋截面積滿足規(guī)范要求。此外，sl 191-2008設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，閘墩局部受拉鋼筋從弧門支座支承面算起的延伸長(zhǎng)度，應(yīng)不小于2.5 h（h為支座高度）。根據(jù)原設(shè)計(jì)施工詳圖，閘墩扇形鋼筋從弧門支座支承面算起的延伸長(zhǎng)度為5 m，小于2.5h（9 m），不滿足規(guī)范要求。（3）弧門支座截面尺寸復(fù)核計(jì)算。根據(jù)sl 191-2008設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，弧門支座剪跨比/h0宜小于0.3（為弧門推力作用點(diǎn)至閘墩邊緣的距離）。弧門支座裂縫控制要

11、求：fk0.7ftkbh 。支座的外邊緣高度h1應(yīng)不小于h3。在弧門支座推力標(biāo)準(zhǔn)值fk作用下，支座支承面上的局部受壓應(yīng)力應(yīng)不超過0.75fc。弧門支座截面尺寸復(fù)核成果見表3。復(fù)核結(jié)果表明：弧門支座剪跨比、裂縫控制和局部壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。2.3.2.3 計(jì)算結(jié)論經(jīng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及配筋復(fù)核計(jì)算可得：閘墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求;弧門支座附近閘墩裂縫控制滿足規(guī)范要求;閘墩局部受拉區(qū)受拉鋼筋截面面積滿足規(guī)范要求;弧門支座截面尺寸滿足規(guī)范要求;閘墩局部受拉區(qū)的扇形受拉鋼筋延伸長(zhǎng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。2.4 有限元計(jì)算分析2.4.1 計(jì)算模型為進(jìn)一步從受力角度分析閘墩斜向裂縫產(chǎn)生的原因，建立泄洪閘閘室三維有限元模

12、型6-7，閘室計(jì)算模型和網(wǎng)絡(luò)示意見圖3和圖4。泄洪閘采用閘墩中間分縫型式，并且將一孔閘室底板、基礎(chǔ)及兩側(cè)閘墩作為一個(gè)計(jì)算整體進(jìn)行分析。2.4.2 荷載及邊界條件有限元計(jì)算中主要荷載包括閘墩混凝土自重，閘門最高擋水位時(shí)上下游水壓力，閘墩工作閘門作用在牛腿上的推力，工作閘門、檢修閘門啟閉機(jī)及排架作用在閘墩頂部的作用力，交通橋重量等。根據(jù)閘墩裂縫的分布情況分析，該裂縫由閘底板向上延伸，可能為溫升荷載引起的裂縫。因此在有限元計(jì)算中考慮閘墩下游側(cè)受氣溫升高后產(chǎn)生的溫升荷載。根據(jù)壩址區(qū)實(shí)測(cè)多年代表月份月平均氣溫和水庫水溫，閘墩下游側(cè)溫升最大值為20 。材料參數(shù)取值：基巖容重為27 kn/m3，彈性模量24

13、 gpa，泊松比0.25;混凝土容重25 kn/m3，彈性模量25.5 gpa，泊松比0.167。對(duì)基礎(chǔ)底面施加三向位移約束，在閘室橫縫面施加法線方向的約束。通過施加荷載，分析正常蓄水位情況下裂縫的受力情況8。2.4.3 計(jì)算結(jié)果分析未考慮溫升荷載和考慮溫升荷載兩種情況下閘墩截面第一主應(yīng)力分布云圖見圖5。在不考慮溫升荷載時(shí)，受閘門支座推力影響，閘門支座附近閘墩存在一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.70 mpa，但該拉應(yīng)力區(qū)的影響有限，裂縫面上最大拉應(yīng)力為0.12 mpa。考慮溫升荷載時(shí)，受庫水溫影響閘墩上游側(cè)溫度較低，下游側(cè)受熱膨脹發(fā)生向下游方向的位移，在溫度應(yīng)力和閘門推力的共同作用下，弧門

14、下游側(cè)閘墩產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.32 mpa，裂縫面上最大拉應(yīng)力為1.02 mpa。據(jù)此分析，溫度荷載和閘門推力可能是閘墩斜向裂縫產(chǎn)生的主要原因。2.5 裂縫成因綜合分析根據(jù)閘墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及配筋復(fù)核計(jì)算和有限元計(jì)算分析，泄洪閘閘墩距弧形閘門約20 cm處均產(chǎn)生斜向裂縫的主要原因包括：閘門支座扇形鋼筋延伸長(zhǎng)度不滿足規(guī)范要求、混凝土抗裂性不足;溫度荷載和閘門推力長(zhǎng)期反復(fù)作用9。3 缺陷處理方案由于裂縫靠近閘墩底部，采用預(yù)應(yīng)力錨固法加固存在施工不便、造價(jià)較高等問題。因此，擬確定對(duì)該裂縫采用化學(xué)灌漿和粘貼鋼板進(jìn)行處理10。首先對(duì)裂縫表面混凝土鑿毛，采取彈性環(huán)氧砂漿封閉縫口，沿逢打騎縫孔和斜

15、孔相結(jié)合的方式對(duì)裂縫進(jìn)行化學(xué)灌漿處理。裂縫灌漿孔間距200 mm，為防止對(duì)裂縫上部結(jié)構(gòu)造成抬動(dòng)，過程中控制灌漿壓力。灌漿處理后，跨縫粘貼q345b鋼板（厚12 mm，寬15 cm，長(zhǎng)10 m），閘墩一側(cè)粘貼12塊鋼板，沿閘墩弧門支座呈扇形布置，見圖6。粘貼鋼板后，采用環(huán)氧砂漿保護(hù)，保護(hù)層厚度2 cm11。通過確定的粘鋼處理方案進(jìn)行有限元計(jì)算分析，粘鋼加固前、后裂縫面上第一主應(yīng)力分布云圖見圖7，該面即為閘墩內(nèi)部斜向分布的裂縫表面。粘鋼加固前裂縫面上最大拉應(yīng)力為1.02 mpa，粘鋼加固后裂縫面上最大拉應(yīng)力為0.59 mpa。采取粘鋼加固可明顯降低裂縫面上的拉應(yīng)力，有效控制裂縫發(fā)展。4結(jié) 語本文以

16、陸水水庫大壩2號(hào)副壩閘墩為研究對(duì)象，針對(duì)弧形閘門附近閘墩混凝土開裂現(xiàn)象，具體分析裂縫的成因。遵循應(yīng)用新材料、新技術(shù)、新工藝的原則，綜合考慮各種影響因素，提出了采用化學(xué)灌漿和粘貼鋼板的裂縫修補(bǔ)處理方案。經(jīng)過分析計(jì)算，該方案能有效控制裂縫發(fā)展，降低裂縫對(duì)大壩安全運(yùn)行的影響，確保大壩安全。研究成果可為水利工程混凝土結(jié)構(gòu)各種裂縫成因分析及修補(bǔ)技術(shù)提供一定參考。參考文獻(xiàn)：1 張起和.陸水樞紐主壩閘墩裂縫粘鋼板加固處理j.人民長(zhǎng)江，2004，35（9）：5-6.2 陳明祥，黃本忠，常曉林，等.陸水試驗(yàn)水利樞紐主壩閘墩加固j.大壩安全，2004（6）：54-57.3 張俊文，曾曲星，繆力.陸水水利樞紐升船機(jī)牛腿裂縫成因分析及處理方案j.建筑技術(shù)開發(fā)，2012（6）：43-45.4 唐卓.蟒塘溪大壩廠房壩段下游面裂縫成因分析及處理j.湖南水利水電，2014（4）：27-28.5 sl191-2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范s.6 夏建芳，葉南海. 有限元法原理與ansys應(yīng)用m. 北京：國防工業(yè)出版社，2011.7 王朝鋒