陸水水利樞紐二號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號副壩閘墩出現斜向裂縫，對樞紐工程的安全可靠運行產生不利影響。依據《水工混凝土結構設計規范》，對閘墩進行結構強度及配筋復核計算。采用有限元計算，從受力角度進一步分析閘墩斜向裂縫產生的原因。計算結果表明：弧形工作閘門下游側附近受閘門支座推力及溫升荷載長期反復作用，加之閘門支座扇形鋼筋延伸長度不滿足規范要求，是導致泄洪閘閘墩部位混凝土產生斜向裂縫的主要原因。從裂縫成因、施工條件、工程造價等方面綜合考慮，提出了采用化學灌漿和粘貼鋼板的處理方案，有效控制了裂縫發展。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。

關鍵詞：閘墩裂縫;有限元分析;化學灌漿;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5～8 km，地理位置十分重要[1]。陸水系長江中游右岸一級支流，源出湘、鄂、贛3省交界的幕阜山北麓，流經湖北省的通城、崇陽、赤壁、嘉魚4縣市，在武漢上游約157 km的陸溪口注入長江。陸水干流全長183 km，流域面積3 950 km2，樞紐工程控制流域面積3 400 km2[2]。

陸水水庫總庫容7.42億 m3，是一座以防洪為主，兼有灌溉、發電、城市供水、航運、養殖、旅游和水利科學試驗任務的大（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、開關站、南北灌溉渠首、簡易干運垂直升船機等建筑物組成。工程等別為Ⅱ等，永久性主要建筑物級別為2級[3]。

2號副壩原為土壩，后因防洪需要，20世紀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，兩側各有3個重力壩段。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構與荷載、混凝土原材料、混凝土配合比及施工技術措施等。國內外目前采用的主要加固方法有：裂縫內部化學灌漿補強加固，表面涂刷單組份聚脲柔性涂層或彈性環氧砂漿封閉，外層粘貼高強玻璃纖維布，預應力碳纖維板加固，粘貼鋼板加固及預應力錨桿等[4]。

2.1 閘墩結構布置

泄洪閘共布置4個閘墩，閘墩順水流方向長26.0 m，其中1，4號閘墩為邊墩，寬1.7 m;2，3號閘墩為中墩，寬3.4 m。泄洪閘分為3段，在2，3號閘墩中部分縫，分段長度15.4 m，2，3號閘墩為縫墩。

2.2 閘墩裂縫情況

1～3號閘室左側閘墩距弧形閘門約20 cm處均存在斜向裂縫，與弧形閘門基本平行，縫長2.8～3.1 m，縫寬均為0.4 mm，縫深57.0～377.2 mm。

2號閘墩裂縫的取芯結果顯示：該裂縫跨過結構主筋，貫穿于芯樣長度，內部裂縫寬度大于表面裂縫寬度，且在鉆芯過程中發現對側裂縫出現滲水，推定該裂縫為貫穿裂縫。裂縫情況見圖1。

2.3 結構強度及配筋復核計算

經查閱工程原設計、施工及運行管理資料，2號副壩混凝土局部強度等級及配筋率低是閘墩產生裂縫的重要原因之一，嚴重影響泄洪建筑物的安全運行。

2.3.1閘墩結構強度復核計算

2.3.1.1計算條件

閘墩結構順水流方向受力最不利情況是閘門全關擋水、閘墩承受最大上下游水位差時出現最大縱向力的情況。將閘墩視為固端的整體構件，采用材料力學法計算閘墩截面應力。

2.3.1.2計算結果

經復核，縱向受力最不利情況下，閘墩計算截面上的縱向應力均為壓應力，且小于閘墩混凝土的抗壓強度，閘墩結構強度滿足要求。

2.3.2 弧形閘門支座結構計算

閘墩裂縫與弧形閘門支座受力方向垂直，為分析裂縫成因，對弧形閘門支座結構及扇形鋼筋配筋進行復核計算。

2.3.2.1計算條件

泄洪孔閘墩厚度B=3.4 m，閘墩中間分縫后單側厚度1.7 m。弧門支座尺寸為1.6 m×3.6 m（寬×高）;支座外邊緣高度h1=2.2 m;弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離為0.7 m。按設計擋水水頭11.0 m計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°。單個弧門支座的閘門推力為4 039.50 kN。

根據原設計資料，閘墩混凝土的設計標號為250號。考慮到泄洪閘已運行近30 a，閘墩和支座的混凝土強度等級取C20，混凝土軸心抗壓強度標準值為13.4 MPa，軸心抗拉強度為1.54 MPa。弧門支座計算簡圖見圖2。圖中：K為承載力安全系數;F 為閘墩一側弧門支座推力的設計值，N;[B′0]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 為按荷載標準值計算的閘墩一側弧門支座推力值，N;a 為弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離，mm;e0為弧門支座推力對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;α為牛腿底面的傾斜角，（°）。參數解釋下同。

2.3.2.2支座結構復核計算

（1）弧門支座附近閘墩裂縫控制復核。依據SL 191-2008 《水工混凝土結構設計規范》[5]（以下簡稱SL 191-2008 《設計規范》），弧門支座附近閘墩的局部受拉區的裂縫控制應滿足如下要求：①當閘墩設計為中墩時，弧形閘門支座相應承受兩側支座推力，使閘墩沿垂直推力方向形成軸心受拉應力狀態。②當閘墩設計為縫墩、邊墩時，弧形閘門支座相應承受一側支座推力，使閘墩沿垂直推力方向形成受拉應力狀態[5]。

本工程中墩分縫、縫墩及邊墩計算式均應采用閘墩受一側弧門支座推力作用時的計算公式，即

弧門支座附近閘墩裂縫控制復核成果見表1。經復核，受一側弧門支座推力作用時，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范要求。

（2）閘墩局部受拉區受拉鋼筋復核計算。依據SL 191-2008《設計規范》，閘墩局部受拉區的扇形受拉鋼筋截面面積應符合下式：

式中：[Asi] 為閘墩一側局部受拉有效范圍內的第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度設計值，N/mm2;[θi] 為第i根局部受拉鋼筋與弧門推力方向的夾角，（°）。

根據原設計施工詳圖，弧門支座配置扇形受拉鋼筋采用Φ34與Φ36焊接，共20根，長度4.8 m。

閘墩局部受拉區扇形受拉鋼筋復核成果見表2，受拉區扇形受拉鋼筋截面積滿足規范要求。

此外，SL 191-2008《設計規范》規定，閘墩局部受拉鋼筋從弧門支座支承面算起的延伸長度，應不小于2.5 h（h為支座高度）。根據原設計施工詳圖，閘墩扇形鋼筋從弧門支座支承面算起的延伸長度為5 m，小于2.5h（9 m），不滿足規范要求。

（3）弧門支座截面尺寸復核計算。根據SL 191-2008《設計規范》的規定，弧門支座剪跨比[α/h0]宜小于0.3（[α]為弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離）。弧門支座裂縫控制要求：[Fk≤0.7ftkbh] 。支座的外邊緣高度[h1]應不小于[h3]。在弧門支座推力標準值[Fk]作用下，支座支承面上的局部受壓應力應不超過[0.75fc]。

弧門支座截面尺寸復核成果見表3。復核結果表明：弧門支座剪跨比、裂縫控制和局部壓應力滿足規范要求。

2.3.2.3 計算結論

經結構強度及配筋復核計算可得：閘墩結構強度滿足規范要求;弧門支座附近閘墩裂縫控制滿足規范要求;閘墩局部受拉區受拉鋼筋截面面積滿足規范要求;弧門支座截面尺寸滿足規范要求;閘墩局部受拉區的扇形受拉鋼筋延伸長度不滿足現行規范要求。

2.4 有限元計算分析

2.4.1 計算模型

為進一步從受力角度分析閘墩斜向裂縫產生的原因，建立泄洪閘閘室三維有限元模型[6-7]，閘室計算模型和網絡示意見圖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、基礎及兩側閘墩作為一個計算整體進行分析。

2.4.2 荷載及邊界條件

有限元計算中主要荷載包括閘墩混凝土自重，閘門最高擋水位時上下游水壓力，閘墩工作閘門作用在牛腿上的推力，工作閘門、檢修閘門啟閉機及排架作用在閘墩頂部的作用力，交通橋重量等。

根據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。因此在有限元計算中考慮閘墩下游側受氣溫升高后產生的溫升荷載。根據壩址區實測多年代表月份月平均氣溫和水庫水溫，閘墩下游側溫升最大值為20 ℃。

材料參數取值：基巖容重為27 kN/m3，彈性模量24 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。對基礎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 計算結果分析

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力分布云圖見圖5。在不考慮溫升荷載時，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力區，最大拉應力為0.70 MPa，但該拉應力區的影響有限，裂縫面上最大拉應力為0.12 MPa。考慮溫升荷載時，受庫水溫影響閘墩上游側溫度較低，下游側受熱膨脹發生向下游方向的位移，在溫度應力和閘門推力的共同作用下，弧門下游側閘墩產生了較大的拉應力，最大拉應力為1.32 MPa，裂縫面上最大拉應力為1.02 MPa。據此分析，溫度荷載和閘門推力可能是閘墩斜向裂縫產生的主要原因。

2.5 裂縫成因綜合分析

根據閘墩結構強度及配筋復核計算和有限元計算分析，泄洪閘閘墩距弧形閘門約20 cm處均產生斜向裂縫的主要原因包括：閘門支座扇形鋼筋延伸長度不滿足規范要求、混凝土抗裂性不足;溫度荷載和閘門推力長期反復作用[9]。

3 缺陷處理方案

由于裂縫靠近閘墩底部，采用預應力錨固法加固存在施工不便、造價較高等問題。因此，擬確定對該裂縫采用化學灌漿和粘貼鋼板進行處理[10]。

首先對裂縫表面混凝土鑿毛，采取彈性環氧砂漿封閉縫口，沿逢打騎縫孔和斜孔相結合的方式對裂縫進行化學灌漿處理。裂縫灌漿孔間距200 mm，為防止對裂縫上部結構造成抬動，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10 m），閘墩一側粘貼12塊鋼板，沿閘墩弧門支座呈扇形布置，見圖6。粘貼鋼板后，采用環氧砂漿保護，保護層厚度2 cm[11]。通過確定的粘鋼處理方案進行有限元計算分析，粘鋼加固前、后裂縫面上第一主應力分布云圖見圖7，該面即為閘墩內部斜向分布的裂縫表面。粘鋼加固前裂縫面上最大拉應力為1.02 MPa，粘鋼加固后裂縫面上最大拉應力為0.59 MPa。采取粘鋼加固可明顯降低裂縫面上的拉應力，有效控制裂縫發展。

4結 語

本文以陸水水庫大壩2號副壩閘墩為研究對象，針對弧形閘門附近閘墩混凝土開裂現象，具體分析裂縫的成因。遵循應用新材料、新技術、新工藝的原則，綜合考慮各種影響因素，提出了采用化學灌漿和粘貼鋼板的裂縫修補處理方案。經過分析計算，該方案能有效控制裂縫發展，降低裂縫對大壩安全運行的影響，確保大壩安全。研究成果可為水利工程混凝土結構各種裂縫成因分析及修補技術提供一定參考。

參考文獻：

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（編輯：李曉濛）