某橡膠壩工程安全檢測與分析評估

陳西寧，陳寧波，魯小濤

(南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，南京 210029)

1 工程概況

某橡膠壩位于入江口約60m處，作為河口的擋水建筑物。橡膠壩的主要功能是保證河流枯水期的正常水位，以滿足沿線景觀和生產(chǎn)用水，并且可以控制枯水期河流污水的排出，保護(hù)水廠水源。汛期來臨時，該壩能滿足泄洪需要。

橡膠壩壩長67m，設(shè)計壩高3.5m，內(nèi)外壓比a=1.25，充水時壩頂標(biāo)高9.3m(吳淞高程系，下同)。壩袋與底板采用螺栓壓板錨固。自上游至下游順?biāo)鞣较蛞来尾贾糜袖摻罨炷磷o(hù)坦長30m、鋼筋混凝土壩底板長14m ；下游布置有鋼筋混凝土護(hù)坦、漿砌石護(hù)底和拋石防沖槽，護(hù)坦長25m混凝土、護(hù)底長10m、防沖槽長2m。

經(jīng)過15a的運(yùn)行使用，橡膠壩各構(gòu)件老化損傷問題凸出，急需進(jìn)行安全鑒定，為橡膠壩的使用、維修、加固提供依據(jù)。

2 現(xiàn)狀調(diào)查和安全檢測

橡膠壩工程包括：水工建筑物、壩體、充排系統(tǒng)和觀測系統(tǒng)等。根據(jù)《水閘安全鑒定管理辦法》、《水閘安全鑒定導(dǎo)則》、《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》對橡膠壩的現(xiàn)狀調(diào)查和常規(guī)性檢測內(nèi)容包括：壩底板、斜底板、護(hù)坡等部位是否有異常沉降、傾斜、滑動等現(xiàn)象，護(hù)坦、護(hù)底、防沖槽是否有沖刷、淘刷現(xiàn)場，充排設(shè)備性能和機(jī)械電氣設(shè)備參數(shù)狀況等。主要調(diào)查和檢測結(jié)果如下：

1)壩袋：壩袋材料嚴(yán)重老化，表面龜裂，搭接黏合處表層膠開裂；壩袋與底板接觸面存在塊石，與護(hù)坡連接部位褶皺明顯。存在局部破損部位并修補(bǔ)；壩袋漏水，每天需充水2次。壩袋錨固系統(tǒng)無異常。

2)建筑物：壩底板混凝土整體質(zhì)量較好，部分分縫處填料缺失。壩底板、消力池?fù)鯄Α⑾掠武摻罨炷磷o(hù)坦段、混凝土護(hù)坡整體質(zhì)量較好；下游護(hù)坡局部破損、斷裂，分縫處雜草叢生。控制室整體外觀老舊，質(zhì)量一般，面積偏小，布置較擁擠；未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫；泵房層潮濕、墻體砂漿脫落[1]。

3)土工建筑物：工程范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有大面積雨淋溝和滲漏的現(xiàn)象。下游右岸漿砌石護(hù)坡整體較好，局部泥沙淤積覆蓋；左岸漿砌塊石護(hù)坡整體質(zhì)量一般、個別部位砂漿大部分脫落，漿砌塊石格埂沖刷破損、缺失，格埂內(nèi)部干砌塊石缺失；入江口塊石堆積。

4)充排水系統(tǒng)：充排水系統(tǒng)包括水泵、電機(jī)、管路等。水泵、電機(jī)外殼、閘閥油漆完好，局部銹蝕，混流式水泵、閘閥漏水，運(yùn)行噪聲較大。電控開關(guān)柜簡陋，外觀無銹蝕、內(nèi)部導(dǎo)線排列工整，元器件完好、箱內(nèi)開關(guān)觸點(diǎn)良好、接頭牢固，柜體控制面板的操作按鈕、指示燈完好，接地2處，其中一處接地扁鐵斷開。真空泵鑄鐵儲水容器銹蝕明顯。線路保護(hù)鋼管銹蝕、真空泵、排水泵線路私自布設(shè)，未設(shè)置保護(hù)，存在安全隱患。

5)安全監(jiān)測：橡膠壩工程在壩上下游僅設(shè)置水位尺、經(jīng)現(xiàn)場檢查下游水位尺缺失。

6)混凝土抗壓強(qiáng)度：原設(shè)計主要構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度C20，回彈法、鉆芯法實(shí)測強(qiáng)度值介于21.7-24.4MPa，大于設(shè)計強(qiáng)度值。依據(jù)現(xiàn)行《水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》根據(jù)構(gòu)件所在部位、工作條件、氣候條件和耐久性要求，壩底板、斜面板所處環(huán)境為三類，混凝土最低強(qiáng)度等級均為C25，壩底板、斜面板部位混凝土抗壓強(qiáng)度等級不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求[2]。

7)碳化深度，實(shí)測橡膠壩壩底板混凝土碳化值的范圍在3.5-4.0mm之間，平均碳化深度為3.7mm，實(shí)測混凝土保護(hù)層厚度平均值為33.9mm。抽檢構(gòu)件混凝土碳化為B類碳化，屬于一般碳化，混凝土碳化不會影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

8)電機(jī)電氣參數(shù)，控制柜接地電阻實(shí)測值3.30Ω滿足規(guī)范要求； 1#水泵電機(jī)控制回路絕緣電阻165.0 MΩ、二次控制回路絕緣電阻4.8 MΩ；2#水泵電機(jī)控制回路絕緣電阻167.0 MΩ、二次控制回路絕緣電阻3.2 MΩ。1#、2#水泵電機(jī)控制回路和二次控制回路絕緣電阻滿足規(guī)范要求。1#水泵電機(jī)V1V2和W1W2兩組線圈直流電阻偏大，三相直流電阻不平衡率達(dá)24%(標(biāo)準(zhǔn)為10%)，電機(jī)U1接線樁頭有嚴(yán)重過熱老化氧化現(xiàn)象，建議1#電機(jī)進(jìn)行檢修。2#水泵電機(jī)試驗(yàn)合格。1#機(jī)組振動速度1.3mm/s，烈度級評價為1.3級；位移13mm/s、加速度5.9m/s2，綜合烈度級和分類，評定1#機(jī)組振動級別為B類。

2#機(jī)組振動速度4.0mm/s，烈度級評定為4.5級；位移30mm、加速度2.2m/s2，綜合烈度級和分類，評定2#機(jī)組振動級別為C類。

3 復(fù)核計算分析

3.1 壩底板尺寸復(fù)核

順?biāo)鞣较虻膲蔚装彘L度應(yīng)按塌平長度以及安裝和檢修的要求確定，底板順?biāo)鏖L度按下式計算：

(1)

橡膠壩壩底板順?biāo)鏖L度為14.00m，壩底板計算需要長度為13.66m，底板順?biāo)鏖L度滿足要求。

3.2 壩底板穩(wěn)定

該壩底板座落在淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土上，混凝土與土基接觸面摩擦系數(shù)0.35。該壩底板厚0.8m，齒墻厚1.6m，壩體總凈寬37.4m，底板順?biāo)飨蜷L14.0m。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，該壩底板穩(wěn)定計算設(shè)計水位組合：上游側(cè)9.30m，下游側(cè)4.00m。

壩底板穩(wěn)定計算取整個壩體為計算單元，應(yīng)力不均勻系數(shù)、抗滑穩(wěn)定性與地基允許承載力，計算方法及標(biāo)準(zhǔn)如下：

3.2.1 壩底應(yīng)力

壩底應(yīng)力按下式計算，在各種計算工況下，壩平均基底應(yīng)力≤地基允許承載力，最大基底應(yīng)力≤地基允許承載力的1.2倍。

(2)

3.2.2 抗滑穩(wěn)定性

土基上沿壩基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，應(yīng)按下式計算：

(3)

橡膠壩壩底板穩(wěn)定計算結(jié)果見表1、表2，計算表明：橡膠壩基底應(yīng)力、應(yīng)力比、抗滑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

表1 壩底板穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果匯總表

表2 橡膠壩基底應(yīng)力計算結(jié)果

3.3 壩袋強(qiáng)度復(fù)核

根據(jù)《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定及條文，充水式壩袋的強(qiáng)度設(shè)計安全系數(shù)≥6.0；在確定壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)時還應(yīng)考慮壩袋膠布材料加工制成膠布時強(qiáng)度損失一般達(dá)15--25，材料強(qiáng)度存在的不均勻性，壩袋在使用過程中因老化所造成的強(qiáng)度損失，以及工程規(guī)模和重要性等[3]。

壩袋徑向計算強(qiáng)度應(yīng)按照下式計算：

(4)

橡膠壩壩袋膠面強(qiáng)度為520kN/m，壩袋徑向計算強(qiáng)度為45.94kN/m。考慮膠布強(qiáng)度損失25%、現(xiàn)場檢查壩袋材料老化嚴(yán)重并依據(jù)技術(shù)指南2折減25%等情況后，計算的壩袋強(qiáng)度安全系數(shù)為6.34，滿足要求。

3.4 錨固安全復(fù)核

對單位長度螺栓和壓板設(shè)計荷載根據(jù)所采用的錨固結(jié)構(gòu)型式以及錨固構(gòu)件的強(qiáng)度、耐久性和錨固力按極限狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核[4]。

根據(jù)《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》，螺栓間距采用的壓板剛度和螺栓直徑進(jìn)行計算確定。螺栓間距取200-300mm。

每根螺栓承受的設(shè)計荷載Q0：

(5)

螺栓直徑x按下列計算：

(6)

橡膠壩采用螺栓壓板式錨固結(jié)構(gòu)型式，其結(jié)果表明：螺栓間距、直徑，壓板強(qiáng)度均滿足要求。

3.5 滲流安全

3.5.1 輪廓線復(fù)核

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，閘基地下輪廓線布置應(yīng)能滿足防滲要求，其滲徑長度應(yīng)按照下式計算：

L≥c△H

(7)

橡膠壩最大水位落差為5.3m，故壩基不透水輪廓線長度包括：上游鋪蓋長度31.39m，底板不透水長度20.16m，總滲徑長度為51.85m，L=51.85m≥c△H=47.70m，滿足要求。

3.5.2 壩底滲流分析

防滲復(fù)核計算的采用的水位組合工況如表3所示：

表3 計算水位組合

滲流穩(wěn)定復(fù)核采用《水閘設(shè)計規(guī)范》中的改進(jìn)阻力系數(shù)法。

1)土基上水閘的地基有效深度按下式計算：

2)分段阻力系數(shù)采用下列公式計算：

3)各段水頭損失下式計算：

(8)

4)進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值按下列公式計算：

(9)

5)水平段及出口段滲流坡降值按下列公式計算：

由地下輪廓線可知，地下輪廓線的水平投影長度L0=44.0m，垂直投影長度S0=2.4m，L0/S0>5，水閘土基上無不透水層，則土基上水閘的地基有效深度Te=22.0m。

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》以及《橡膠壩工程初步設(shè)計》，該壩底板座落在淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，其水平段允許水力坡降為0.25-0.35，出口段允許水力坡降為0.50-0.60。在各水位組合工況下，水平段和出口段的滲透坡降均滿足規(guī)范要求。

4 建 議

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、安全檢測和復(fù)核計算，提出以下處理建議：

1)本工程壩袋已使用15a，壩袋材料嚴(yán)重老化變形，表面龜裂，搭接黏合處表層膠開裂、橡膠接縫處皴裂建議適時更換。

2)修復(fù)下游破損、斷裂護(hù)坡。

3)加強(qiáng)機(jī)電設(shè)備的養(yǎng)護(hù)工作，按規(guī)范要求整改電氣設(shè)備。

4)增加監(jiān)測設(shè)施、并定期觀測。

5)增設(shè)自動化設(shè)施。