西洋河水庫1#橋柱傾斜原因分析與處理

楊勝慧

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

1 概述

西洋河水庫位于張家口市懷安縣境內的西洋河上，是一座以防洪、灌溉為主的中型水利工程。水庫于1971年6月動工興建，1973年9月蓄水運用。2003年進行了除險加固，加固項目中包括灌溉洞交通橋拆除新建。

新建交通橋為3孔簡支П型梁結構，單孔跨度13.2m，橋面寬2.6m。1#橋柱直徑1.2m，高12.2m，帽梁寬1.2m，橋柱基礎為擴大基礎，尺寸為3.4m×3.4m（長×寬），基礎厚1.6m，底高程101.2m，坐落在壩體土上。1#柱基礎底面以下1.7m處為內徑1.6m的鋼筋混凝土灌溉洞洞身，洞基為1.15m厚漿砌石，其下為礫砂層，該礫砂層承載力為250kN/m2。

加固工程于2004年完工，汛后蓄水運用。2007年12月，水庫管理人員發現灌溉洞1#橋柱傾斜，頂部向大壩方向變位達50cm，向左側變位約10cm，豎向變位不明顯。

2 現場檢查情況

2008年汛前放空水庫后對1#橋柱進行檢查，發現該柱108.7m高程處出現裂縫，東北方向最大裂縫寬度約4mm，西南方向縫寬約1mm。為了檢查1#柱破壞情況，將柱周圍土挖除至基礎頂面102.8m高程，發現柱根部破壞嚴重。柱西南方向距根部1.5m范圍內發現多條水平裂縫，縫寬3～5mm，底部寬、上部窄，延伸長度為0.5～0.25倍周長；柱東北方向距根部0.4m范圍內出現壓剪裂縫，縫口呈倒“U”型，裂縫閉合狀；柱基礎頂面未發現明顯變位。柱位矯正后，西南方向裂縫閉合，東北方向裂縫張開，基礎頂面高程沒有變化。

3 橋柱傾斜原因分析

3.1 橋柱基礎穩定復核

柱基壩體填土承載力特征值不低于100kN/m2，按最小埋深2.4m進行深度修正后的地基承載力為：水庫蓄水情況119kN/m2，建成無水或空庫情況138kN/m2。

3.1.1 無水情況

考慮基礎上的土重基底應力122.5kN/m2，小于地基承載力138kN/m2；水庫蓄水至高程110m情況（不考慮冰壓），基礎底面至水位間基礎按浮重度計算，基底應力84.5kN/m2，小于地基承載力119kN/m2。

3.1.2 蓄水位110m時

冬季結冰厚度20cm時，按冰壓力向下游進行抗滑、抗傾及基底應力計算。

根據DL5077—1997 《水工建筑物荷載設計規范》，作用于獨立墩柱上的冰壓力計算公式為：

Fp1=mfibdib

式中 Fp1為冰塊對墩柱產生的冰壓力（MN）；m為墩柱前沿的平面形狀系數，取0.9；fib為冰的抗擠壓強度（MPa），取平均數0.6MPa；di為冰厚度（m）；b為墩柱前沿寬度（m）。

3.1.3 冰厚20cm時

作用在柱上的壓力可達129.6kN，水位110m時對基礎底面產生的力矩1128kN·m；考慮結構自重、土重及柱頂支座摩擦力情況，柱基礎底面最大應力102.5kN/m2，最小應力66.4kN/m2，應力比值1.54，抗滑穩定安全系數4.47，抗傾安全系數2.34，均滿足規范要求。

對以上計算結果進行分析可知，在外荷載作用下橋柱基礎是穩定的。橋柱基礎為已填筑多年的壩體土，沉陷變形已經穩定，橋柱傾斜不會是地基沉陷變形所致。

3.2 橋柱強度復核

橋柱直徑1.2m，高12.2m，內設16根直徑20mm的Ⅱ級縱向受力鋼筋，混凝土強度等級C25。按底端固結、頂端自由進行受力分析，該柱在冰荷載作用下為偏心受壓構件。所受荷載為：頂端梁重300kN，自重250kN，頂端支座摩阻力75kN，冰推力依據水位、冰厚計算。根據結構尺寸、配筋情況，橋柱可承受的最大彎矩為900kN·m。

3.3 水平冰壓力對柱體結構內力影響

當水庫蓄水位110m（冬季常遇水位）時，不同冰厚情況冰壓力及柱底彎矩計算結果見表1。

由于1#橋柱較高，柱體上部承受水平推力作用易產生轉動變位，柱體易出現傾斜現象。當冰厚增至40cm時，作用在柱上的壓力可達259.2kN，在庫水位為110m高程時，柱底斷面彎矩為899kN·m，達到柱體的承載能力，當超過該值時，柱底將產生破壞。

2007年冬季該水庫冰厚約55cm，由表1可知，柱底產生的彎距遠大于柱體所能承受的最大彎矩900kN·m，致使柱體產生破壞。

綜上述分析，灌溉洞交通橋1#橋柱的傾斜是由水平冰壓力引起柱體破壞所致。

表1 不同冰厚情況冰壓力及柱底彎矩計算結果

4 處理措施

4.1 高程107.5m以下

采用鋼筋混凝土加固柱體。處理時，首先用鋼絲繩對1#橋柱牽引糾偏，待調整基本至原設計位置后固定。在現有擴大基礎頂面上柱周外包混凝土加固。

為了少增加自重，以便于施工的最小厚度25cm為加固厚度，混凝土等級采用C25F150，內設直徑25mm受力鋼筋和直徑8mm的螺旋箍筋。在綁扎鋼筋前，對原混凝土表面鑿毛，并清除壓碎部分混凝土。澆筑混凝土前，涂界面劑，使新老混凝土結合更好。

4.2 高程107.5m以上

采用鋼筒混凝土加固。因高程107.5m以上柱體不僅有裂縫，且水位變動區表面混凝土凍融剝落嚴重，為了少增加柱體直徑，減少冰壓力和自重，采用鋼筒內填細石混凝土方法加固。

鋼筒混凝土填筑厚度以可施工為原則，取10cm，混凝土等級采用C25F150。鋼筒壁厚考慮剛度和抗銹蝕的耐久性，選為5mm。新老混凝土結合面處理措施同107.5m以下部分。鋼筒外表面清理油漬、除銹后，涂防銹底漆2道、面漆1道。

4.3 帽梁與橋梁拉結

為防止上部水平推力造成柱體傾斜，在柱頂與梁之間設鉸連接，即在帽梁上打錨筋孔，用錨筋使∏梁與柱帽拉結在一起，允許梁轉動，以約束柱頂與梁之間的滑動幅度，減輕水平推力引起向下游方向的傾斜，作為輔助措施。

4.4 處理后柱體強度復核

柱體加固以后，107.5m高程以上部分仍按原斷面考慮，最大承載900 kN·m；107.5m高程以下部分不考慮原混凝土承載，僅按0.25m環形斷面計算，最大承載能力2200kN·m。

1#橋柱考慮庫水位112.0m（水庫正常蓄水位），結冰厚度30cm情況，按底部固結計算，柱底產生的最大彎矩為903kN·m，小于柱體的承載力，結構是安全的。

4.5 管理措施

按上述措施加固完成后，可以抵抗庫水位112.0m時，30cm冰厚產生的冰推力，但考慮適當安全余度，當冰厚大于25cm時仍需破冰。故處理完成后，在冬季運用期仍需柱周破冰，控制冰厚不超過25cm。

5 結語

（1）1#橋柱復位加固后，經5年運行未發生變位傾斜現象，說明采用的加固措施效果明顯。

（2）冰厚度的變化對冰壓力影響較大，在寒冷地區必須注意冰壓力對建筑物穩定的影響。

［1］河北省水利水電勘測設計研究院.西洋河水庫除險加固工程初步設計報告［R］.2002.

［2］河北省水利水電勘測設計研究院.西洋河水庫灌溉洞交通橋1#柱傾斜處理措施［R］.2008.

［3］DL5077—1997，水工建筑物荷載設計規范［S］.

［4］J220—2002，建筑地基處理技術規范［S］.

［5］SL191—2008，水工混凝土結構設計規范［S］.