拱壩壩后橋封閉結構設計探討

張 浩

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)03—0080—05

拱壩壩后橋封閉結構設計探討

張 浩

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

拱壩的壩后橋作為巡視人員的便捷通道，在以往的設計中均未考慮采用封閉結構，致使在雨雪冰凍惡劣天氣的影響下，壩后橋的正常通行受到了影響。因此，需要對壩后橋加裝封閉結構建筑，以保證巡視工作的正常進行。以拉西瓦水電站為例，介紹了壩后橋封閉結構方案的設計，為今后類似工程的設計提供了經驗。

壩后橋；封閉；設計

拉西瓦水電站位于青海省貴德縣與貴南縣交界的黃河干流上，是黃河上游的一座大型水電站，壩高250 m，壩頂高程2 460 m。壩后橋位于大壩中下部的2 250 m高程，為鋼筋混凝土牛腿結構。大壩建成之后，壩后橋成為了巡視人員往返兩岸的便捷通道。但遇到惡劣天氣，尤其是冬季，雨雪天氣時，壩后橋表面結冰情況嚴重，影響巡視人員的正常通行和人身安全。為了使正常的巡視工作不受雨雪冰凍等天氣的影響，保障巡視人員的安全，需設置封閉結構建筑，將壩后橋進行封閉。壩后橋封閉結構在類似的工程中未有先例，本工程為首次采用。

1 封閉結構

封閉結構為鋼筋混凝土板式框架，由頂板、下游墻組成，高3.15 m，凈高2.85 m，底部凈寬1.66 m，頂部寬2.67 m，并設有向外的4%坡。為便于施工，下游墻與壩后橋外邊緣留有15 cm寬的距離；下游墻厚30 cm，頂板厚30～40 cm。頂板與壩體相交處采取了加腋措施，尺寸為50 cm×61 cm(高×寬)，如圖1所示。

圖1 封閉結構剖面圖 單位：cm

封閉結構頂板及下游墻混凝土均為C30F300。為了防止外部的水滲入封閉結構內部，在頂板與壩體連接處設651型橡膠止水1道，封閉結構沿縱向每20 m設置伸縮縫1道，分縫處設紫銅片止水1道，并在分縫處用橡膠止水帶作為縫面填充材料在整個縫面平行鋪設。

為了減少對壩體的損傷，并使新舊混凝土結構能夠緊密連接，封閉結構頂部與壩下游連接采用了與地下廠房巖錨梁相似結構，在壩后設置錨筋，使之與框架能很好的連接，確保框架結構的安全穩定。封閉結構頂板與壩體之間共設置了2排?28 mm抗拉錨桿，1排?28 mm受壓錨桿，間距均為50 cm，梅花狀布置，如圖2所示。壩后橋橋面與下游墻之間設置了2排?25 mm的插筋，間距80 cm，梅花狀布置，見圖3。

為了保證新舊混凝土面的良好結合，澆筑混凝土之前，對原混凝土面進行鑿毛處理。

圖2 封閉結構剖面詳A圖 單位：cm

圖3 錨桿布置圖 單位：高程,m;其它，cm

2 計算原理與荷載

2.1 計算原理

采用錨桿的連接方式對新舊混凝土結構進行連接未曾有類似的工程經驗，也未有相關規范明確計算方法。經過分析認為，該連接方式與水電站廠房中的巖壁吊車梁極為相似。兩者的不同之處在于，本封閉結構的連接是新舊混凝土之間的連接，而巖壁吊車梁是混凝土結構與巖石之間的連接，但主要都是靠錨桿來承受拉力，確保結構的穩定。因此，可以參考巖壁吊車梁的計算進行設計[1-3]。

錨桿牛腿梁計算見圖4，計算假定如下：

(1) 忽略受壓錨桿和第2排受拉錨桿的作用，第2排受拉錨桿作為增加安全儲備的措施。

(2) 忽略封閉結構與壩體之間的粘聚力，但考慮了摩擦力。

(3) 假定封閉結構與壩體連接支座處的反力為均勻分布。

圖4 節點力的平衡圖

2.2 作用荷載

本封閉結構屬于大壩的附屬結構，位于大壩的中下部,結構規模小，安全級別較低，因此本次計算不考慮地震荷載、風荷載。

(1) 結構自重

頂部受力板為30 cm厚，由于可能在頂部布置化冰或其他設施，頂部按增加10 cm厚的現澆層計，荷載計算時，板厚按照40 cm考慮。鋼筋混凝土的容重取25 kN/m3。

單寬內頂板沿跨度方向荷載：g1=0.4×25 kN/m=10 kN/m。

單寬內頂板與壩體加腋的自重：g2=1/2×0.73×0.5×25 kN=4.56 kN。

(2) 冰壓力

該地區為嚴寒地區，在冬季，壩后橋表面存在結冰的情況，需考慮冰荷載的作用，根據歷年壩后橋表面的結冰情況綜合分析，最終確定的冰荷載為10 kN/m2。

本次計算時，板自重按照永久荷載考慮，冰壓力按照可變荷載考慮。

2.3 荷載組合

根據GB50009-2012《建筑結構荷載規范》[4]第3.2.3條,對于荷載基本組合，荷載效應組合的設計值S應從下列組合值中取最不利值確定。

(1) 由可變荷載效應控制的組合

(1)

式中:γG為永久荷載的分項系數;γQi為第i個可變荷載的分項系數;SGk為按永久荷載標準值Gk計算的荷載效應值;SQik為按可變荷載標準值Qik計算的荷載效應值,其中SQ1k為諸可變荷載效應中起控制作用者;ψci為可變荷載Qi的組合值系數,本次計算取0.7;n為參與組合的可變荷載數。

按照可變荷載控制計算，組合后的荷載設計值如下：

P=1.2g1+1.4q1

=1.2×10+1.4×10=26 kN/m

(2) 由永久荷載效應控制的組合

(2)

根據文獻[4]第3.2.4條，永久荷載的分項系數取值：① 永久荷載的分項系數。當其效應對結構不利時,對由永久荷載效應控制的組合,取1.35;② 可變荷載的分項系數取1.4。

按照永久荷載控制計算，組合后的荷載設計值如下：

P=1.35g1+0.7×1.4q1

=1.35×10+0.7×1.4×10=23.3 kN/m

取永久荷載和可變荷載控制計算結果的較大值，P=26 kN/m

3 錨桿布置及承載力計算

3.1 錨桿布置

根據GB50007-2002《建筑地基基礎設計規范》[5]，錨桿孔直徑D取錨桿直徑d的3倍但不應小于1倍錨桿直徑加50 mm，錨桿的間距不應小于6D，水泥砂漿強度不低于M30。

[1]，錨桿采用熱軋帶肋鋼筋,直徑28 mm，錨桿孔直徑D為84 mm，錨桿計算間距為504 mm，實際取500 mm。

3.2 錨桿抗拉、抗滑移計算

按照極限平衡法，簡化為如圖4所示的計算簡圖，S為錨桿承受的拉力，N為作用在壩體和頂板接觸面上的反力，V為單根錨桿承受的豎向荷載。支座與壩體之間的摩擦系數f=0.8。

根據力的平衡得到如下的方程：

Scos 43°+Vsin 13°=N

Ssin 43°-Vcos 13°=0

單寬內支座處豎向荷載V′=1/2×26×2.63+4.56=38.75 kN,單寬內共有2根錨桿，單根承受的豎向荷載V=38.75/2=19.38 kN。

根據以上計算得到V=19.38 kN，S=27.68 kN，N=24.6 kN。

由《巖壁吊車梁有限元分析的關鍵技術問題研究》[6]中列舉的相關工程的錨桿抗拉及接觸面的抗滑移安全系數，本次計算取抗拉安全系數[K]=1.5，抗滑移安全系數[Ks]=1.4。

考慮安全系數后，單根錨桿的設計拉拔力[S]=fyA/[K]=121.3 kN；錨桿抗拉安全系數K=121.3/27.68=4.38>1.5，滿足要求；接觸面抗滑移安全系數Ks=(Ssin 43°+fN)/Vcos 13°=2.04>1.4，滿足要求。

3.3 錨桿錨固長度計算

參考Q/CHECC 003-2008《地下廠房巖壁吊車梁設計規范》，錨桿在穩定巖體內錨固長度應符合下列規定：

(3)

(4)

式中：γ0為結構重要性系數，工程的安全級別按Ⅲ級考慮，取0.9；ψ為設計狀況系數，本次計算為持久狀況，ψ取1.0；La為受拉錨桿在穩定巖體內的錨固段長度，mm；γd為結構系數，本次計算取1.35；γb為粘結強度的材料性能分項系數，取1.25；fy為受拉錨桿抗拉強度設計值，MPa；f(rb，k)為膠結材料與孔壁的粘結強度標準值，本次計算按Ⅲ類圍巖的粘結強度的中間值1 MPa；f(b，k)為膠結材料與鋼筋的粘結強度標準值，本次計算取中間值2.5 MPa；d為錨桿直徑，mm；D為錨桿孔直徑，mm；As為單根受拉錨桿的截面面積，mm2；根據式(3)計算得La≥1 064 mm；根據式(4)計算得La≥1 277 mm。

根據GB50007-2002《建筑地基基礎設計規范》第8.6.2條，錨桿的錨固長度應根據下面的公式計算：

L≥Rt/(0.8πDf)

(5)

式中:Rt為錨桿承受的拉力；f為砂漿與巖石間的粘結強度特征值,取0.3 MPa。

L≥Rt/(0.8πDf)=437 mm

根據計算結果，取較大值L=1 277 mm，實際取L=1 300 mm。

4 2 250 m高程牛腿復核計算

2 250 m高程牛腿的計算簡圖見圖5，牛腿承受頂板及下游墻傳遞來的集中荷載。混凝土的保護層厚度取100 mm，依據文獻[3]進行計算。

圖5 支座牛腿計算簡圖 單位：cm

(1) 荷載計算(1 m范圍)

頂部荷載：1.2×0.4×25+1.4×10=26 kN/m；

頂部傳遞給下游墻的荷載P1=1/2×26×2.63=34.19 kN；

下游墻荷載P2=1.2×0.3×2.85×25=25.65 kN；

牛腿頂部承擔的荷載P=34.19+25.65=59.84 kN。

(2) 牛腿的裂縫控制

a=1.5 m

a/h0=1.5/1.7=0.88

(6)

式中：Fvk為作用于牛腿頂部按荷載效應標準組合計算的豎向力值；Fhk為作用于牛腿頂部按荷載效應標準組合計算的水平拉力值；β為裂縫控制系數;對支承吊車梁的牛腿取0.65，對其他牛腿取0.80；a為豎向力的作用點至下柱邊緣的水平距離；b為牛腿寬度；h0為牛腿與下柱交接處的垂直截面有效高度。

=1252 kN>59.84kN，滿足要求。

(3) 牛腿受拉鋼筋

(7)

式中：Fv為作用在牛腿頂部的豎向力設計值；Fh為作用在牛腿頂部的水平拉力設計值。

As≥59.84×103×1500/(0.85×300×1700)

=207 mm2

實配鋼筋為Φ20mm@20mm，As=1 571 mm2，滿足要求。

5 相關技術要求

(1) 壩后橋封閉結構為在原有建筑物上新建的建筑物，除滿足自身結構的穩定外，還需對壩后橋結構進行復核計算。

(2) 在新舊混凝土結合處的壩體和壩后橋表面進行鑿毛，鑿除深度3 cm，并清除表面的浮灰，確保新舊混凝土的良好結合。

(3) 封閉結構錨桿施工要求按DL/T 5198—2004《水電水利工程巖壁梁施工規程》執行。除進行拉拔檢驗抽檢外，對錨桿砂漿要求進行密實度全面檢測。砂漿錨桿密實度和錨桿長度檢測采用砂漿飽和儀器或超聲波物探儀進行。錨桿注漿密實度應大于95%，要求合格率為100%。

6 結 語

拉西瓦水電站壩后橋封閉結構建筑物已完成施工及竣工驗收，至今運行良好，達到了預期目標，為今后類似工程的設計提供了參考。封閉2 250 m高程壩后橋，可更好地滿足運行期防雨雪、橋面濕滑及泄洪時減少雨霧影響，改善壩下游運行管理環境，方便運行人員正常巡視、檢查。

參考文獻:

[1] Q/CHECC 003-2008,地下廠房巖壁吊車梁設計規范[S].中國水電工程顧問集公司,2008.

[2] 石廣斌,劉有權,李敬昌.巖壁吊車梁穩定性剛體極限平衡分析法之商榷[J].西北水電,2008,(5):15-21.

[3] GB50010-2002,混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2002.

[4] GB50009-2012,建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2001.

[5] GB50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2002.

[6] 傅少君,岳煥峰,于英姬,陳勝宏.巖壁吊車梁有限元分析的關鍵技術問題研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(10):2124-2128.

Study on Design of Closed Structure for Catwalk on Arch Dam

ZHANG Hao

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

As a convenient access for inspectors, the catwalk of arch dam in previous design is never considered to apply the closed structure. Therefore, the normal pass on the catwalk is affected in poor weather condition such as in raining, snowing and freezing days. To secure the normal inspecting operation, additional closed structure is required to build to the catwalk. With case of Laxiwa Hydropower Station, the design of the closed structure for the catwalk is introduced so as to provide the design of similar works with reference.

catwalk; closed; design

2015-01-08

張浩(1980- ),男,陜西省城固縣人，工程師，從事水利水電設計工作.

TV642.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.023