密云水庫(kù)小西庫(kù)擋水閘右邊墩裂縫安全復(fù)核分析

于 茜 張曉軍 劉 寧

(北京市密云水庫(kù)管理處，北京 101512)

密云水庫(kù)位于北京密云區(qū)境內(nèi)，是華北地區(qū)最大的水庫(kù)，肩負(fù)著南水北調(diào)工程中水資源儲(chǔ)備和調(diào)蓄的功能，目前處于高水位運(yùn)行時(shí)期。小西庫(kù)調(diào)節(jié)池是密云水庫(kù)白河電站尾水調(diào)節(jié)池西側(cè)的一部分，因被修建密云水庫(kù)時(shí)的運(yùn)料鐵路專線鐵路橋分隔在調(diào)節(jié)池西側(cè)，故稱小西庫(kù)調(diào)節(jié)池。小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l是小西庫(kù)調(diào)節(jié)池的重要構(gòu)筑物之一，小西庫(kù)調(diào)節(jié)池的穩(wěn)定與否，對(duì)于調(diào)節(jié)池的庫(kù)容及安全運(yùn)行有很大的影響。為了檢測(cè)小西庫(kù)調(diào)節(jié)池的穩(wěn)定性，并對(duì)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時(shí)發(fā)現(xiàn)修正，對(duì)其閘墩抗滑穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了檢測(cè)計(jì)算。

1 工程概況

密云水庫(kù)調(diào)節(jié)池總庫(kù)容503萬(wàn)m3(已淤積約160萬(wàn)m3)，有效庫(kù)容210萬(wàn)m3，最高蓄水位94.00m，蓄水最低位91.20m，堤頂總長(zhǎng)8507.95m。位于白河大壩下游約4km的白河上，上接白河電站尾水渠，下與京密引水工程相連，也可經(jīng)泄洪閘放水至下游。包括東堤、中堤、西堤、南堤、小西庫(kù)北堤及擋水閘、泄水閘、進(jìn)水閘, 是密云水庫(kù)的一項(xiàng)以取水為主，綜合利用的配套工程。小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l位于調(diào)節(jié)池小西庫(kù)調(diào)節(jié)池北端，設(shè)有3.5m×4m的平板定輪擋水閘門兩扇，非汛期常閉，用以阻擋閘門下游調(diào)節(jié)池水倒灌閘門上游河床耕地；汛期常開，用以排泄黑山寺局部山洪于調(diào)節(jié)池內(nèi)，具有排洪、排澇、減災(zāi)等作用[1]。由于建成年代較早，混凝土結(jié)構(gòu)存在老化病害。小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l平面布置見圖1。

圖1 小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l平面布置 (單位：mm)

小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l為2孔整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墩頂設(shè)排架柱，排架頂部為啟閉機(jī)室。由于建成年代較早，混凝土結(jié)構(gòu)存在老化病害。閘墩頂部高程94.50m，閘室底板頂高程88.50m。閘室凈寬3.5m，中墩厚1.5m，邊墩頂寬1.0m、底寬2.0m，底板厚1.0m。工作門槽部位設(shè)高2.0m、寬0.3m胸墻?；炷翗?biāo)號(hào)為150號(hào)。閘室順河向長(zhǎng)6.0m。圖2為小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l閘墩剖面。

圖2 小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l閘墩剖面

閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門，板梁結(jié)構(gòu)，等高布置。閘門面板支承在由主橫梁、縱梁、邊梁和小橫梁組成的梁格上，面板與梁格直接焊接。主橫梁為工字形截面組合梁，共3根；縱梁為焊接T形截面組合梁，共1根；邊梁為Π形截面組合梁；小橫梁為20號(hào)工字鋼，共2根；頂、底梁為60mm×60mm的角鋼。

2 現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)

2.1 裂縫外觀檢測(cè)

對(duì)小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l的外觀檢查以目測(cè)方法為主，重點(diǎn)檢查混凝土剝蝕、裂縫等外觀缺陷，繪制結(jié)構(gòu)各部位表面剝蝕、裂縫分布等缺陷的位置圖，按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50204—2002)評(píng)定混凝土缺陷等級(jí)[2]。

在檢查中發(fā)現(xiàn)右側(cè)邊墩存在一條較大裂縫，發(fā)展方向由閘墩上游墩頭斜向下游至工作閘門閘槽。裂縫上游端距閘底板約2.5m，下游端距閘底板約1.0m，從走向和表面寬度可以看出，該裂縫靠近上游端較寬，向下游端縫寬逐漸減小，裂縫位置及走向如圖3所示。

圖3 裂縫位置及走向

為檢查該裂縫深度，采用直徑100mm工程鉆機(jī)跨縫鉆取混凝土芯樣的方法，鉆孔中心距閘墩上游端0.3m，距離底板2.4m。通過鉆芯取樣，探查裂縫寬度為2～3mm，直至深度85cm左右裂縫仍然發(fā)育且寬度未減小，取出的芯樣中含有細(xì)泥土和植物根須。

鉆孔位置閘墩厚度約1.5～1.6m，在深度85cm位置裂縫仍有發(fā)育，裂縫深度已大于閘墩厚度1/2，從檢查情況判斷，靠近閘墩上游部位為貫穿性裂縫[3]。

2.2 右邊墩混凝土檢測(cè)

采用回彈法和試劑法分別對(duì)擋水閘右邊墩的混凝土強(qiáng)度和碳化深度進(jìn)行檢測(cè)，小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度結(jié)果如表1所列。從表1可看出，右邊墩混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度基本滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 191—96)中規(guī)定的混凝土指標(biāo)，但因小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l運(yùn)行條件屬于新規(guī)范(SL 191—2008)規(guī)定的三類運(yùn)行環(huán)境“淡水水位變化區(qū)”，該運(yùn)行環(huán)境要求的混凝土最低等級(jí)為C25，因此小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l混凝土強(qiáng)度已不滿足現(xiàn)行規(guī)范(SL 191—2008)的要求。

表1 小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果 單位：MPa

小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l碳化深度檢測(cè)結(jié)果如表2所列，檢測(cè)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)大部分構(gòu)件的碳化深度較大，測(cè)值均超過或接近鋼筋保護(hù)層厚度值。

表2 混凝土碳化深度檢測(cè)結(jié)果 單位：mm

3 裂縫安全復(fù)核計(jì)算及分析

3.1 結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)，影響結(jié)構(gòu)安全的主要缺陷為右側(cè)邊墩裂縫，鑒于小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l右邊墩開裂較為嚴(yán)重，可能影響結(jié)構(gòu)的安全，須對(duì)此進(jìn)行復(fù)核分析。

復(fù)核裂縫部位的混凝土層面抗滑穩(wěn)定，使用剛體極限平衡法按照抗剪斷計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算?；炷翆用婵辜魯鄥?shù)參照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35026—2014)表D.0.3，混凝土層面抗剪斷摩擦系數(shù)f′c取1.3，混凝土層面抗剪斷黏聚力c′c取1.6MPa。

作用力函數(shù)：

S=ΣPc

(1)

抗滑穩(wěn)定抗力函數(shù)：

R=f′cΣWc+c′cAc

(2)

抗滑穩(wěn)定系數(shù)

K=R/S

(3)

式中 ΣPc——計(jì)算層面上全部切向作用力之和，kN；

ΣWc——計(jì)算層面上全部法向作用力之和，kN；

f′c——混凝土層面抗剪斷摩擦系數(shù)；

c′c——混凝土層面抗剪斷黏聚力，kPa；

Ac——計(jì)算層面截面積，m2;

K——抗剪斷穩(wěn)定系數(shù)。

荷載與荷載組合為：工況①非汛期閘門擋下游側(cè)調(diào)節(jié)池水：下游靜水壓力+側(cè)向土壓力+結(jié)構(gòu)自重；工況②汛期正常過水：側(cè)向水壓力+側(cè)向土壓力+結(jié)構(gòu)自重+揚(yáng)壓力。側(cè)向土壓力按照靜土壓力計(jì)算，靜土壓力系數(shù)取0.4。經(jīng)計(jì)算，工況②為不利工況，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 混凝土層面抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

從表3可見，計(jì)算工況②(正常過水)條件下，裂縫部位的右邊墩混凝土層面不滿足規(guī)范中抗剪斷穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于1的要求；工況①(閘門下游側(cè)擋水)無(wú)論是否考慮閘門擋水時(shí)的下游水壓作用，裂縫部位的混凝土層面同樣不滿足規(guī)范中抗剪斷穩(wěn)定系數(shù)大于1的要求。

3.2 裂縫成因分析

為了更好地控制裂縫和采取有效措施對(duì)裂縫進(jìn)行預(yù)防,必須對(duì)裂縫的成因機(jī)理進(jìn)行全面的分析。小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l閘墩裂縫的產(chǎn)生主要與墩體內(nèi)外溫差、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外部約束等有關(guān),通常是多因素綜合作用的結(jié)果。

3.2.1 墩體內(nèi)外溫差

閘墩作為大體積混凝土，內(nèi)外混凝土散熱條件不同，外部混凝土和外界環(huán)境接觸,散熱條件好，熱量容易散發(fā),內(nèi)部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成了外部混凝土溫度低于內(nèi)部混凝土溫度。這樣在升溫和降溫階段都使閘墩內(nèi)外混凝土形成了同一方向的溫度梯度，導(dǎo)致其變形的不一致。內(nèi)部膨脹受到外部的限制，或相應(yīng)的外部收縮受到內(nèi)部約束，于是在外部混凝土中產(chǎn)生了拉應(yīng)力。隨著外部混凝土拉應(yīng)變達(dá)到其極限拉應(yīng)變,裂縫由此產(chǎn)生[4]。裂縫初期很細(xì),隨著時(shí)間推移繼續(xù)擴(kuò)大、變深,甚至貫穿。

除了混凝土水化引起的溫度作用外，運(yùn)行期環(huán)境溫度變化也會(huì)產(chǎn)生作用，特別是遇到寒潮襲擊、表面溫降特別大時(shí),裂縫發(fā)展更為嚴(yán)重。

影響內(nèi)外溫差的主要因素有澆筑入模溫度及環(huán)境溫度等。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原設(shè)計(jì)邊墩內(nèi)側(cè)設(shè)置了構(gòu)造筋，外側(cè)未配筋，由于混凝土材料是非均質(zhì)的，承受拉力作用時(shí)，截面中各點(diǎn)受力是不均勻的，有大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn)。這些點(diǎn)由于內(nèi)部應(yīng)力(溫度應(yīng)力、收縮應(yīng)力、線性膨脹系數(shù)差異引起的應(yīng)力)的疊加使得拉應(yīng)力首先達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限，引起局部塑性變形，在無(wú)鋼筋處繼續(xù)受力，便在應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂縫[5]。因此混凝土的內(nèi)部配筋不足或配筋不當(dāng)，將直接導(dǎo)致混凝土的開裂。

3.2.3 外部約束

裂縫發(fā)生部位近似于閘墩高度方向距底部1/3處，考慮閘墩頂部胸墻和橋面板的支承作用時(shí)，邊墩受力形式近似于回填土壓力作用下的梁，而裂縫開裂的部位恰好是土壓力合力作用處。初步判斷裂縫是因結(jié)構(gòu)承載力不足引起，為了證實(shí)上述推測(cè)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力分析[6]。如圖7所示，將閘墩按照簡(jiǎn)支梁進(jìn)行受力分析，取結(jié)構(gòu)單寬計(jì)算，跨度取6m。

圖4 簡(jiǎn)支梁內(nèi)力分布示意圖

(4)

式中l(wèi)——計(jì)算跨度,m；

q——荷載,kN/m2。

由上式計(jì)算得最大彎矩299.3kN·m，距墩頂3.46m(距底板2.54m)，該處墩厚1.58m，故按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)對(duì)深受彎構(gòu)件(指跨高比小于5的受彎構(gòu)件)進(jìn)行承載力復(fù)核，其正截面受彎承載力應(yīng)符合下列規(guī)定：

KM≤fyAsz

(5)

z=ad(h0-0.5x)

(6)

ad=0.80+0.04l0/h

(7)

式中K——承載力安全系數(shù)，取1.2；

M——彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；

fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

As——縱向受拉鋼筋截面積，mm2，雙層φ16鋼筋；

ad——內(nèi)力臂系數(shù)；

x——截面受壓區(qū)高度，mm；

l0——計(jì)算跨度，mm；

h——截面高度，mm；

h0——截面有效高度，mm。

經(jīng)計(jì)算，作用力為3.5916×108N·mm，抗力為3.5099×108N·mm，抗力小于作用力，深受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力不滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)中抗力不小于作用力的要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，彎矩最大部位距底板2.54m，這與裂縫實(shí)際發(fā)生的部位一致?？紤]到該閘室為整體式結(jié)構(gòu)，閘室左側(cè)是山體，結(jié)構(gòu)變形后可能存在整體向右側(cè)偏移的現(xiàn)象[7]，而在閘室右側(cè)距底板高約2.50m處存在厚50cm的防浪墻混凝土板，其對(duì)閘墩的變位亦存在頂推作用，造成閘墩內(nèi)側(cè)受拉，是造成右邊墩裂縫的原因之一。

4 結(jié) 論

a.小西庫(kù)調(diào)節(jié)池?fù)跛l右邊墩存在較寬的橫向貫穿裂縫，裂縫寬度較大，評(píng)定為D類裂縫；混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)使用環(huán)境條件的要求，構(gòu)件碳化深度較大，鋼筋發(fā)生銹蝕的可能性較大。

b.右側(cè)邊墩受彎構(gòu)件的正截面承載力復(fù)核結(jié)果表明，承載力不滿足《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)要求。復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明引起右邊墩深層裂縫的原因一方面是作用于整體閘室邊墩的土壓力及防浪墻底部混凝土板的頂推作用力，另一方面是迎水面的結(jié)構(gòu)配筋不足。

c.加固開始后，經(jīng)開挖右邊墩外側(cè)填土證實(shí)此處裂縫已經(jīng)貫穿，安全復(fù)核時(shí)按現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)縫深度85cm計(jì)算。混凝土層面抗滑穩(wěn)定的復(fù)核表明，裂縫部位的混凝土層面抗滑穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求。

d.騎縫取芯檢測(cè)的縫深超過85cm，實(shí)際上裂縫已經(jīng)貫通整個(gè)右邊墩，而且縫間充填淤泥等雜質(zhì)，裂縫的存在嚴(yán)重削弱了閘墩的整體性，對(duì)結(jié)構(gòu)安全極為不利，考慮密云水庫(kù)工程在北京市的重要地位且擋水閘使用將近60年的現(xiàn)狀，綜合結(jié)構(gòu)受力條件、混凝土老化、上部排架碳化嚴(yán)重、金屬結(jié)構(gòu)老化問題等多方面因素，認(rèn)為這種規(guī)模小、問題多的建筑物在除險(xiǎn)加固后結(jié)構(gòu)性隱患并不能得到根治，因此建議拆除重建，以保證水工建筑物運(yùn)行安全。

e.由于密云水庫(kù)地處凍土地區(qū)，凍脹也是造成水工建筑物變形乃至破壞的主要原因，如溢洪道、閘等常年與水接觸，在冬季極易因低氣溫使水工建筑物產(chǎn)生冰凍破壞。作為運(yùn)行管理單位應(yīng)通過水泵對(duì)水體進(jìn)行攪動(dòng)，使混凝土建筑臨水面冬季不結(jié)冰，從而有效減少凍脹破壞影響。在工程建成后的除險(xiǎn)加固過程中需要設(shè)計(jì)、施工和管理單位齊心協(xié)力，綜合考慮建筑物的等級(jí)、運(yùn)用要求、地質(zhì)條件等實(shí)際情況，確保混凝土質(zhì)量，減少病害隱患及威脅，提高混凝土的耐久性。