某排沙底孔結(jié)構(gòu)除險加固

李　超，萬克誠，李　洋

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安　710065)

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某排沙底孔結(jié)構(gòu)除險加固

李超，萬克誠，李洋

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安710065)

隨著中國部分中小型水電站多年的運行，陸續(xù)出現(xiàn)了各種安全問題，為保證水庫安全，需對各病險水庫進(jìn)行除險加固。文章以某水電站排沙底孔結(jié)構(gòu)為例，針對排沙底孔外包鋼筋混凝土開裂、露筋，采用有限單元法對原結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計算。最終確定在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采取加固措施的方法，為排沙底孔結(jié)構(gòu)除險加固提供了一種可行的方案。

除險加固；排沙底孔；有限單元法；水電站

0　前　言

中國建于20世紀(jì) 50～70 年代的水電站受當(dāng)時經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的限制，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量總體偏差，加上長期的管理、維護(hù)和更新投入不足，運行維護(hù)人員專業(yè)技術(shù)欠缺，導(dǎo)致工程老化失修嚴(yán)重，部分水庫帶“病”運行，存在著嚴(yán)重的安全隱患和失事風(fēng)險[1-3]。

泄洪建筑物結(jié)構(gòu)裂縫、失穩(wěn)、破壞、無消能工或消能工不完善、基礎(chǔ)淘刷等；輸水建筑物裂縫、斷裂、露筋、剝離、沖蝕、漏水，嚴(yán)重影響建筑物結(jié)構(gòu)的整體性和安全性[4]。

本文以某水電站排砂底孔結(jié)構(gòu)為例，該排砂底孔原結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，過流斷面為矩形，尺寸為3 m×5 m(寬×高)，配筋情況見表1。由于排砂底孔外包鋼筋混凝土開裂、露筋，造成鋼筋銹蝕、斷面減小，對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋復(fù)合表明原鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不滿足規(guī)范強度和剛度要求，必須采取加固措施。參考文獻(xiàn)[5-7]，加固措施采取減小過流斷面為圓形，直徑2.2 m，增加壁厚16 mm鋼襯。排沙底孔典型剖面結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

表1　原結(jié)構(gòu)底孔配筋表

圖1　　排砂底孔典型剖面　單位：cm;樁號，m

采用有限單元法[8-13]，對原結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，復(fù)核了原結(jié)構(gòu)配筋并研究加固結(jié)構(gòu)的可行性。

1　計算模型、參數(shù)及工況

1.1計算模型

計算模型直角坐標(biāo)系原點位于剖面左下角，X軸沿左右岸方向指向右岸，Y軸豎直向上，Z軸沿水流向指向上游。排沙底孔結(jié)構(gòu)剖面采用PLANE182單元劃分網(wǎng)格，打開單元平面應(yīng)變屬性。考慮到仿真分析主要目的在于分析排沙底孔結(jié)構(gòu)，為減少計算時間，同時保證計算精確，靠近排沙底孔結(jié)構(gòu)的混凝土結(jié)構(gòu)單元劃分緊密，其余遠(yuǎn)端混凝土單元劃分稀疏。模型底部3向約束。原結(jié)構(gòu)及加固結(jié)構(gòu)典型剖面有限元模型見圖2、3。

1.2計算參數(shù)

本次計算所采用的物理力學(xué)參數(shù)見表2～4。

表2　混凝土參數(shù)表

表3　鋼筋參數(shù)表

表4　鋼材參數(shù)表

圖2　原結(jié)構(gòu)典型剖面有限元模型圖

圖3　加固結(jié)構(gòu)典型剖面有限元模型圖

1.3工況及作用組合

計算工況考慮正常蓄水位、校核洪水位、施工、檢修和地震工況。考慮到該底孔只在非汛期無泄洪時段閘門擋水檢修，此時下游尾水位低于底孔底高程，與施工工況一樣，只有重力作用，不存在內(nèi)、外水壓力，對于外包混凝土配筋計算必然不是控制工況；該底孔結(jié)構(gòu)按3級建筑物設(shè)計，工程區(qū)基本烈度6度，抗震不設(shè)防，地震工況也不用考慮；正常蓄水位工況底孔充水，廠房滿發(fā)尾水位低于底孔底高程，因此底孔結(jié)構(gòu)存在內(nèi)水壓力而無外水壓力；校核洪水位工況底孔過流，校核洪水相應(yīng)下游水位高于底孔底高程，因此底孔結(jié)構(gòu)存在內(nèi)水壓力和外水壓力。工況及作用組合具體見表[14-15]。

表5　工況及作用組合表

2　計算結(jié)果與分析

2.1工況1應(yīng)力場分析

原結(jié)構(gòu)及加固結(jié)構(gòu)典型剖面工況1應(yīng)力云圖見圖4～7。

圖4　原結(jié)構(gòu)X向應(yīng)力云圖

圖5　原結(jié)構(gòu)Y向應(yīng)力云圖

原結(jié)構(gòu)頂、底部厚度很大，相比左、右邊墻，剛度較大，左、右邊墻類似于兩端固結(jié)在頂、底部的豎向梁，結(jié)構(gòu)自重對豎向梁起到預(yù)壓應(yīng)力作用，在內(nèi)水壓力作用下，左、右邊墻向外側(cè)變形。典型剖面X向應(yīng)力最大值為2.19 MPa，出現(xiàn)在排沙底孔底部靠近左岸側(cè)，同時排沙底孔頂部X向應(yīng)力也較大，大于混凝土抗拉強度設(shè)計值，需要采取配筋措施；Y向應(yīng)力最大值為1.66 MPa，出現(xiàn)在排沙底孔左邊墻外側(cè)，同時排沙底孔右邊墻外側(cè)Y向應(yīng)力也較大，大于混凝土抗拉強度設(shè)計值，需要采取配筋措施。

圖6　加固結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力云圖

圖7　加固結(jié)構(gòu)Y向應(yīng)力云圖

加固結(jié)構(gòu)內(nèi)加鋼襯，在內(nèi)水壓力作用下，鋼襯與外包混凝土聯(lián)合受力，外包混凝土變形量和應(yīng)力水平降低。典型剖面環(huán)向應(yīng)力最大值為0.53 MPa，出現(xiàn)在排沙底孔底部，同時排沙底孔頂部也存在不大的環(huán)向應(yīng)力；Y向應(yīng)力最大值為0.04 MPa，出現(xiàn)在排沙底孔左邊墻外側(cè)。

2.2工況2應(yīng)力場分析

原結(jié)構(gòu)及加固結(jié)構(gòu)典型剖面工況2應(yīng)力云圖見圖8～11。

原結(jié)構(gòu)頂、底部厚度很大，相比左、右邊墻，剛度較大，左、右邊墻類似于兩端固結(jié)在頂、底部的豎向梁，結(jié)構(gòu)自重對豎向梁起到預(yù)壓應(yīng)力作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)水壓力遠(yuǎn)大于外水壓力，在內(nèi)、外水壓力作用下，左、右邊墻向外側(cè)變形。典型剖面X向應(yīng)力最大值為1.91 MPa，出現(xiàn)在排沙底孔底部靠近左岸側(cè)，同時排沙底孔頂部X向應(yīng)力也較大，大于混凝土抗拉強度設(shè)計值，需要采取配筋措施；Y向應(yīng)力最大值為1.45 MPa，出現(xiàn)在排沙底孔左邊墻外側(cè)，同時排沙底孔右邊墻外側(cè)Y向應(yīng)力也較大，大于混凝土抗拉強度設(shè)計值，需要采取配筋措施。

圖8　原結(jié)構(gòu)X向應(yīng)力云圖

圖9　原結(jié)構(gòu)Y向應(yīng)力云圖

加固結(jié)構(gòu)內(nèi)加鋼襯，結(jié)構(gòu)內(nèi)水壓力遠(yuǎn)大于外水壓力，在內(nèi)、外水壓力作用下，鋼襯與外包混凝土聯(lián)合受力，外包混凝土變形量和應(yīng)力水平降低。典型剖面環(huán)向應(yīng)力最大值為0.46 MPa，出現(xiàn)在排沙底孔底部，同時排沙底孔頂部也存在不大的環(huán)向應(yīng)力；Y向應(yīng)力最大值為0.04 MPa，出現(xiàn)在排沙底孔左邊墻外側(cè)。

2.3配筋計算

根據(jù)DL/T5057-2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄D的配筋方法，綜合2個工況的計算結(jié)果，對原結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋計算，結(jié)果見表6、7[16]。

圖10　加固結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力云圖

圖11　加固結(jié)構(gòu)Y向應(yīng)力云圖

表6　原結(jié)構(gòu)典型剖面底孔計算配筋面積表

表7　加固結(jié)構(gòu)典型剖面底孔計算配筋面積表

3　結(jié)　語

對比各工況計算結(jié)果，工況1是外包混凝土配筋的控制工況。

原結(jié)構(gòu)底孔過流斷面為矩形斷面，在內(nèi)水壓力作用下，4個角點部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時邊墻抗彎剛度低，向外變形，導(dǎo)致邊墻外側(cè)應(yīng)力水平高，總之，原結(jié)構(gòu)斷面應(yīng)力分布不均勻，結(jié)構(gòu)承載能力低，導(dǎo)致鋼筋混凝土開裂、露筋，根據(jù)配筋計算結(jié)果，底孔頂部、底部和邊墻外側(cè)配筋面積不夠，不能滿足規(guī)范要求，需加固處理。

加固結(jié)構(gòu)在原結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土基礎(chǔ)上減小斷面、增加鋼襯，使鋼襯成為承受內(nèi)水壓力的主要結(jié)構(gòu)，大大降低底孔孔口附近混凝土拉應(yīng)力水平，避免應(yīng)力集中，減小邊墻變形，除孔口附近存在環(huán)向拉應(yīng)力外，其余部位混凝土呈壓應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力水平低，斷面應(yīng)力分布均勻，發(fā)揮了鋼材抗拉強度高、混凝土抗壓強度高的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)承載能力高，根據(jù)配筋計算結(jié)果，孔口附近配置環(huán)向鋼筋較少，施工便利。由分析可知，加固結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，方案可行，為排沙底孔結(jié)構(gòu)除險加固提供一種思路。

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Risk Elimination and Reinforcement of Structure of Sand Sluicing Bottom Outlet

LI Chao, WAN Kecheng, LI Yang

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

With operation of small & mediate hydropower stations for a couple of years, various risks occur continuously. To secure the reservoir safety, reservoirs with risks need to be reinforced with risk elimination. One sand sluicing bottom outlet of a hydropower station is taken for example. Both the existing structure and the reinforcing structure are analyzed and calculated by application of finite element method regarding cracks and reinforcement exposure of the external reinforced concrete of the bottom outlet. Finally, the measures of the reinforcement on the existing structure are taken. It provides reinforcement with risk elimination of sand sluicing bottom outlet with a feasible scheme. Key words:risk elimination and reinforcement; sand sluicing bottom outlet; finite element method; hydropower station

1006—2610(2016)04—0054—04

2016-01-26

李超(1989- )，男，陜西省西安市人，助理工程師,從事水利水電工程水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作.

TV673+.3；TV544

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.014