近尾洲水電廠泄洪閘閘墩裂縫成因研究分析

傅 旭

（五凌電力公司近尾洲水電廠 衡陽市 421127）

引 言

近尾洲水電廠位于湘江中游，是湘江干流開發規劃中的第五級電站，是一個以發電為主、兼具航運、灌溉等綜合效益的工程。壩址以上控制流域面積28 600 km2，多年平均流量752m3/s，總庫容4.6億m3，電站總裝機容量為63.18MW，設計水頭6.8m，為徑流式低水頭電站，設22孔泄洪閘，6孔為平底閘、16孔為實用堰；近尾洲水電站工程于1994年9月開工建設，2002年9月工程通過竣工安全鑒定和竣工質量鑒定，2010年通過首次大壩安全定期檢查。

2010年9月進行首次大壩安全定期檢查工作中，提出大壩泄洪閘閘墩液壓油缸支鉸附近等部位存在的裂縫應重點關注，根據大壩定檢的鑒定意見，2010年10月電廠組織進行了全面檢查，2012年組織進行了“泄洪閘薄壁閘墩裂縫對其安全穩定性影響研究”項目，對閘墩混凝土外觀、強度進行檢查檢測，對閘墩結構進行分析計算，以對泄洪閘閘墩裂縫成因進行研究分析及提出后續處理意見。檢查、研究發現近尾洲溢流壩23個閘墩均有裂縫分布、共計發現裂縫352條，貫穿性等部分裂縫對閘墩結構安全性存在不利影響，部分裂縫對閘墩的安全穩定性在短時間內沒有太大的影響，但由于裂縫的存在，將鋼筋暴露在外部，極易將鋼筋腐蝕，長此以往對閘墩的安全穩定性同樣存在不利影響。

1 泄洪閘閘墩檢測情況

近尾洲工程溢流壩系閘壩型式，總長358.2m，閘壩底寬24m，最大壩高26m，共設22孔溢流孔口，其中 1#～6#孔為平底閘、7#～22#孔為實用堰（WES堰型）， 其中 0#閘墩厚 4m，1#～6#閘墩厚 2.2m，7#～21#閘墩厚2m，22#閘墩厚3m，溢流壩閘墩屬于薄壁閘墩，閘墩配筋為常規鋼筋、未采用預應力鋼筋，沿弧門支臂方向布設有射線鋼筋。閘孔采用露頂式鋼質弧門擋水，使用液壓啟閉機啟閉閘門，啟閉機與閘墩聯結。表1為閘門主要技術參數。

表1 閘門主要技術參數表

1.1 檢測方法及部位

檢測主要進行了以下項目：

（1）表觀檢測：檢查全部閘墩的鋼筋混凝土等材料表面的顏色，腐蝕層厚度、混凝土脫落及其他表面物理特征，分析確定破壞程度，檢查整體結構的裂縫、變形和構件的局部破壞情況，統計裂縫分布的部位與規律，定性分析裂縫、變形的性質。

（2）材料強度的檢測：采用回彈法、超聲波法、取芯法檢測混凝土強度。

（3）混凝土強度檢測測區布置：

① 裂縫檢查：溢流壩23座閘墩混凝土裂縫；

② 混凝土碳化及回彈檢查：溢流壩23座閘墩兩側閘墻混凝土，每個閘墩左右兩側閘墻均勻布置12個測區，測區見附圖。

③ 混凝土超聲檢查：溢流壩23座閘墩兩側閘墻混凝土。每個閘墩左右兩側閘墻均勻布置6個測區，測區見附圖。

④ 混凝土取芯：在溢流壩 1#邊墩、5#、10#、15#、18#閘墩頂部壩軸線處各取一組芯樣（每組3～6個芯樣），共 5組。

1.2 檢測情況

1.2.1 裂縫檢查情況

近尾洲溢流壩共23個閘墩（閘墩結構圖參考附圖），每個閘墩上均有裂縫分布，共發現裂縫352條，裂縫分布范圍和形式主要有以下幾種：

附圖 閘墻混凝土回彈及超聲測區布置示意圖

（1）溢流壩23個閘墩距壩軸線上游約2.3m，高程75m，閘墩頂部與弧門液壓站房樓梯的結合部位兩側均有斜向下游15°～45°（少數為垂直向）裂縫分布。 裂縫長度（0.5～3）m 之間，裂縫寬度（0.05～0.2）mm之間，大部分裂縫深度在（100～500）mm 之間，少數裂縫深度在500mm以上，局部析出鈣化物。這個部位的裂縫主要為B類、C類裂縫。

（2）溢流壩23個閘墩中部，即壩軸線上游1.5 m～壩軸線下游5.5m之間，均有近似垂直向的裂縫分布。 裂縫長度（1.0～10）m 之間，裂縫寬度（0.05～0.6）mm之間（個別裂縫寬度1.0mm左右），大部分裂縫深度在（200～1 000）mm 之間，少數裂縫深度在1 000mm以上，局部析出鈣化物。這個部位的裂縫主要以C類裂縫為主，部分為D類裂縫。

（3）溢流壩23個閘墩支鉸的預埋件兩側附近，即壩軸線下游5.5m～壩軸線下游8.0m之間，有近似垂直向的裂縫和環形裂縫分布。裂縫長度（0.5～5）m 之間，裂縫寬度（0.05～0.3）mm 之間（少數裂縫寬度 0.3mm～0.5mm 之間），裂縫深度在（100～600）mm之間，局部析出鈣化物。這個部位的裂縫主要為C類裂縫。

（4）溢流壩23個閘墩牛腿附近，即壩軸線下游8.0m～壩軸線下游13.0m之間，有近似垂直向的裂縫和斜向裂縫分布。裂縫長度（0.2～4）m之間，裂縫寬度（0.05～0.3）mm 之間 （少數裂縫寬度 0.3mm～0.6mm之間），大部分裂縫深度在（100～800）mm 之間，少數裂縫深度在（800～1 000）mm之間，局部析出鈣化物。這個部位的裂縫主要為C類裂縫，個別為D類裂縫。

（5）經過統計，大于0.25mm裂縫寬度有38條，裂縫寬度最寬的為1mm（17#閘墩），裂縫寬度大于0.25mm且深度達到1.0m以上有17條；裂縫深度大于0.3m有243條，閘墩相對應部位裂縫深度到（1.0～1.5）m（＞1/2 閘墩厚度）的裂縫有 27 條；閘墩相對應部位裂縫深度達到1.5m以上 （＞3/4閘墩厚度）的裂縫有16條；貫穿性裂縫共有16條，主要分布在 15#閘墩 （4 條）、16#閘墩 （3 條）、14#閘墩（2條）、3#、5#、7#、12#、13#、17#、20#閘墩（各 1 條），這些裂縫對閘墩結構的安全有較大的影響。

1.2.2 混凝土強度檢測

各閘墩混凝土強度最高值為19#閘墩的23.4 MPa，最低值為0#閘墩的12.7MPa，閘墩混凝土平均強度為17.7MPa之間，由抗壓強度標準值推得溢流壩段閘墩混凝土實際強度等級為C25。

1.2.3 碳 化

各閘墩最大碳化深度為21mm，碳化深度小于鋼筋保護層厚度，但由于閘墩裂縫較多，裂縫部位鋼筋仍然可能發生銹蝕，非裂縫處的鋼筋還在混凝土堿性保護之中，鋼筋暫時不會生銹。

1.2.4 混凝土性能檢測

閘墩的單個芯樣混凝土強度最大為23.0MPa，最小為13.1 MPa，抗壓強度推定為13.5 MPa，推出閘墩混凝土強度等級為C20；溢流壩閘墩混凝土彈性模量為2.25×104MPa，根據規范可以看出溢流壩閘墩混凝土彈性模量與C15相當；通過混凝土強度及性能檢測表明溢流壩閘墩混凝土還處于較良好的狀態。

2 閘墩結構計算分析

2.1 閘墩平面復核驗算

（1）平底閘段結構復核計算。

① 根據現行規范驗算作用在閘門上的靜水壓力、溢流壩段平底閘段閘墩一側弧門支座的推力為5 130 kN，啟門瞬間的側向推力為6 208.445 kN。

② 閘墩局部受拉區的扇形局部受拉鋼筋截面面積驗算見表2。

③ 弧門支座附近閘墩局部受拉區的裂縫控制計算見表3。

表2 平底閘段扇形鋼筋截面面積成果表

表3 平底閘段扇形鋼筋截面面積成果表

（2）消力池、護坦段段結構復核計算。

① 一側弧門支座的推力為3 489 kN，瞬間的啟門力為4 151.05 kN，而作用于油缸支鉸處對溢流壩消力池段閘墩的拉力為603.52 kN。

② 閘墩局部受拉區的扇形局部受拉鋼筋截面面積驗算見表4。

③ 弧門支座附近閘墩局部受拉區的裂縫控制計算見表5。

（3）復核驗算小結。

① 平底閘段中墩和邊墩局部受拉區的扇形局部受拉鋼筋截面面積均不滿足現行規范要求；平底閘段中墩和邊墩受拉區裂縫控制均不滿足現行規范要求。

表4 消力池、護坦段段扇形鋼筋截面面積成果表

表5 消力池、護坦段段閘墩受拉區裂縫控制安全復核成果表

② 消力池、護坦段中墩和邊墩局部受拉區的扇形局部受拉鋼筋截面面積均不滿足現行新規范要求；消力池、護坦段中墩和邊墩受拉區裂縫控制均不滿足現行新規范要求。

③ 根據《水工混凝土結構設計規范》（DL/T 5057-2009）第13.10.2條的要求，閘墩扇形鋼筋延伸長度應≥2.5 h，溢流壩閘墩扇形鋼筋延伸長度剛好滿足要求，富裕度不大。

2.2 閘墩三維有限元計算

采用混凝土材料的非線性本構關系進行非線性有限元法模擬計算，根據Mises應力圖、第一主應力圖、Mises等值線圖、第一主應力等值線圖、雙側受力下溢流壩消力池“X、Y、Z”方向位移圖、單側受力下溢流壩消力池“X、Y、Z”方向位移圖、單側受力下溢流壩消力池閘墩第一主應力矢量圖等計算結果表明：

（1）閘墩在自重+水壓力+弧形閘門推力（閘墩兩側工作閘門同時關閉）的共同作用下（設定拉應力為正，壓應力為負），牛腿附近的拉應力最大，然后沿著閘墩向外圍逐漸減小。

（2）混凝土破壞的主要因素是最大拉應力，從第一主應力等值線可以看出，閘墩從臺階處到牛腿處拉應力值為（0.13～2.537）MPa。

（3）從主應力圖中可以看出，結構絕大部分區域在自重和靜水壓力以及弧形閘門推力的作用下處于受壓狀態，壓應力數值比較小。在牛腿受荷面與閘墩連接處發生應力集中，第一主應力達到最大值，但個別節點（牛腿受荷面的角點處）的拉應力達到了2.348MPa，明顯超過了C20混凝土的最大抗拉強度設計值1.10MPa。

（4）從計算結果可以看出，溢流壩閘墩在臺階上游側絕大部分拉應力幾乎為零，所以很少會出現受拉破壞而產生的拉應力裂縫，這與現場檢驗的結果基本上是一致的。

（5）從計算結果可以看出，閘墩在受一側弧門推力作用時，空間位移都比受二側弧門推力作用時明顯要大許多；在單側弧門推力下，受推力作用面主要承受拉應力，而另一側未受推力作用面主要承受壓應力，因此相對于雙側受推力作用更容易遭受受拉破壞。在牛腿及閘墩復核驗算部分，弧形閘門在受一側推力作用下的承載能力明顯低于閘門受二側推力作用下的承載能力。在牛腿附近拉應力值較大，最大達到了2.547MPa，這個應力值已經超過了C20混凝土的抗拉強度標準值，容易受拉破壞。

（6）根據三維有限元的計算結果可以看出：閘墩裂縫的分布規律與閘墩受力狀態比較吻合，可見閘門推力是閘墩裂縫產生的原因之一。

2.3 溫度應力對閘墩的影響

使用ANSYS軟件熱-結構耦合場分析，計算中考慮了混凝土分層澆筑（利用生死單元實現）、層厚、施工間歇、水動熱溫升變動、徐變、材料不同分區、澆筑溫度、對流邊界條件、重力荷載等條件和因素，氣溫采用實測氣溫的平均值，結果表明：

（1）經過28天的澆筑，溢流壩消力池段閘墩的第一溫度主應力在閘墩底下部分達到最大值，然后以它為源點不斷減小，最大處達到9.215MPa，最小處為-0.071 27MPa，而閘墩的Mises溫度應力最大處達到12.506MPa，應力分布與第一主應力類似。

（2）根據計算結果可以看出：溫度應力的分布規律與閘墩裂縫分布不相符，可見溫度應力不是產生裂縫的主要原因。

（3）由于缺乏有關施工期溫度的相關資料和信息，故溫度應力計算所取的各項參數都是根據有關文獻參考而來，溫度應力計算結果僅作為溫度對閘墩裂縫影響的一個參考。

2.4 混凝土開裂模擬計算

在已知溢流壩閘墩裂縫存在的條件下，為了評估裂縫對閘墩的安全穩定性的影響，取存在三條貫穿性裂縫的16#閘墩作為計算對象，模擬正常水位作用下裂縫對閘墩應力的影響。

模擬計算表明：消力池閘墩裂縫存在下的第一主應力與其主應力矢量圖與沒有裂縫相比：①應力向前（上游）傳遞的量要小，向下傳遞的量要大一點；②局部應力有所增加，裂縫端部最大應力增大了16%左右；③裂縫對閘墩底部的應力影響比較均衡，在量值上沒有大的影響。

3 結論

1993年設計院是依據原SDJ20-78《水工鋼筋混凝土結構設計規范》對大壩水工混凝土結構進行設計的，當時對弧形閘門支座設計并沒有硬性要求，1997年電力部修編 《水工混凝土結構設計規范》后增加了弧形閘門支座設計內容，本研究是依據《水工鋼筋混凝土結構設計規范》（DL/T 5057-2009）規范實施的。通過對混凝土檢測及閘墩結構計算分析表明：

（1）混凝土收縮（包括化學收縮和自身收縮）是引起閘墩頂部與弧門液壓站房樓梯的結合部位斜裂縫的主要原因。

（2）閘墩呈現規律性的垂直裂縫主要分布在閘墩扇形鋼筋受拉區及弧門支座附近閘墩局部受拉區，表明混凝土的收縮外加設計荷載作用下的受拉是造成閘墩中部、支鉸及牛腿附近垂直向裂縫的主要原因，而環境溫度變化形成的溫度應力對裂縫也有一定的影響。

（3）危害。裂縫的出現將造成鋼筋的外露，加快鋼筋的銹蝕，隨著鋼筋不斷的銹蝕、銹蝕物膨脹，使混凝土開裂脫落失去共同受力作用，在溫度效應的作用下鋼筋承受裂縫收縮時所產生的附加應力，使鋼筋受損，因而給閘墩的安全運行埋下隱患，且溢流壩閘墩裂縫數量較多，且有不少裂縫深度大于1/2閘墩厚度，對閘墩結構有較大的影響，根據規范的要求，應對閘墩裂縫采取封口灌漿等加固處理措施。

（4）裂縫形成的主要原因是由于閘墩牛腿附近拉應力值較大，受拉區的扇形局部受拉鋼筋截面面積及閘墩裂縫控制均不滿足現行規范要求，應對閘墩進行補強加固，保證結構的安全運行。

4 后續處理

根據大壩定檢要求及“泄洪閘薄壁閘墩裂縫對其安全穩定性影響研究”項目研究成果，目前近尾洲電廠每年對泄洪閘墩裂縫建立了檔案并進行定期檢查，同時計劃在2013～2015年開展對泄洪閘閘墩加固及處理，消除裂縫對閘墩的影響，確保大壩運行安全。

[1]李衛明，陳和春，等.多閘孔低壩消能設計與閘門調度研究[J].水利科技經濟，2007，（4）.

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