馬頭砦溢洪道復核加固設計及有限元驗證分析

王志兵

(湖北省漳河土木工程設計院，湖北 荊門 448000)

1 概述

溢洪道能有效控制洪水，實現水庫的調節和平衡，在應對自然災害、保護生態環境和維護可持續發展方面發揮著關鍵作用。[1-5]。然而，受結構強度和周圍環境的影響，溢洪道的建筑結構如閘門、閥門、水封等組件如果損壞或失效，可能導致無法有效控制水流，洪水無法得到適時的排放和控制，從而增加洪災風險，因此需要采取及時的加固措施[6-11]。

馬頭砦溢洪道原為一條長約800m、寬225m、深35m的沖溝，工程區屬構造剝蝕低山丘陵地貌，構造上位于當陽向斜核部，向斜構造線呈北西走向，西翼巖層傾角為8°～15°，東翼巖層傾角為15°～25°。閘室位于向斜軸部，陡槽段、鼻坎段位于向斜西翼。依據“安全鑒定報告書”和“三類壩核查意見”，馬頭砦溢洪道存在問題包括：①混凝土結構存在脹裂和碳化現象，控制段閘墩、泄槽底板及邊墻存在多處裂縫，局部混凝土骨料外露。②弧門支座附近閘墩局部受拉區裂縫控制不滿足規范要求，閘墩扇形受拉鋼筋截面積不滿足規范要求。③泄槽部分邊墻頂高程不滿足規范要求。④啟閉機配電線路缺失老化。因此，針對馬頭砦溢洪道存在的安全隱患，采取混凝土結構缺陷處理、弧門支座結構加固、泄槽邊墻局部加高、金屬結構和機電設備改造等加固。馬頭砦溢洪道閘墩沿45°裂縫如圖1所示。

2 溢洪道加固設計

2.1 進水渠加固

馬頭砦溢洪道進水渠兩側局部為漿砌石護坡，靠近控制段布置了弧形鋼筋混凝土翼墻，目前護坡及翼墻運行穩定，翼墻頂高程滿足擋水要求，但翼墻表面混凝土存在碳化、裂縫現象。本次加固對施工期控制最低庫水位116.0m以上的翼墻表面進行局部破損修補和裂縫灌漿處理。

2.2 控制段加固

控制段采用無底坎寬頂堰控制閘，修建時閘基采取了帷幕灌漿處理，未見異常滲漏現象?？刂贫未嬖趩栴}及加固方案為：①控制段閘墩、啟閉平臺和交通橋等結構混凝土存在裂縫及碳化現象，本次加固采取裂縫灌漿和表面涂抹2cm厚丙乳砂漿+氟碳涂料進行防碳化處理。②針對閘墩與交通橋相接部位45°的長裂縫，經分析先采用騎縫孔貼嘴環氧灌漿，再在頂部裂縫表面平行粘貼5塊鋼板補強加固，粘貼鋼板單根長2m、寬200mm、厚10mm。③針對弧形門支座牛腿部位閘墩限裂和扇形筋不足問題，經研究采取“支座兩側加寬+預應力鋼絞線+粘貼鋼板”的加固方案。④啟閉機房運行多年較為陳舊，考慮到更換啟閉機時對機房墻面有所損壞，本次加固對啟閉機房進行適當改造，以保證加固后整個工程的整體協調美觀。⑤控制段下游側原交通橋橋面混凝土存在碳化破損，本次加固對橋面適當處治后鋪設2cm厚SBS改性瀝青應力吸收層和5cm厚AC-13C細粒式瀝青混凝土面層，對兩側人行道適當翻修。⑥為滿足柴油機和配電柜的安放要求，在控制段左岸合適位置修建一座單層面積130m2的柴油機及配電房。

弧形門支座結構補強加固：①鋼筋混凝土支座向兩側各加寬90cm，混凝土強度等級為C30，加寬后弧門支座尺寸為寬340cm、高425cm、外邊緣高度290cm、弧門支座高130cm。②閘墩支座兩側各粘貼2根長約16m、寬100mm、厚10mm的Q345b鋼板。③兩側加寬支座各預埋4根Φs15.2預應力鋼絞線，應力設計值942.8MPa，單根鋼絞線設計錨固力為132kN。④為保證加寬部分弧門支座與原弧門支座共同受力，除新老混凝土結合面涂刷界面膠并植筋外，對弧門支座整體外包厚10mm的Q345b鋼板。

2.3 泄槽段加固

泄槽樁號0+022.5—0+122.5為一級泄槽段，寬度由55.20m縮至30.0m，縱坡i=1∶10，鋼筋混凝土底板厚60cm；樁號0+122.5—0+202.5為二級泄槽段，凈寬30m，縱坡i=1∶4，鋼筋混凝土底板厚80cm。泄槽段存在問題及加固方案為：①泄槽底板及兩側邊墻存在混凝土局部破損和裂縫現象，檢測碳化深度約11mm，考慮到泄槽段較長(180m)，不采取抗沖磨和防碳化處理，本次加固只對混凝土表面進行破損修補和裂縫灌漿處理。②樁號0+042.5—0+122.5泄槽邊墻高度不滿足擋水要求，本次加固采取戴帽加高，加高邊墻厚70cm、高40cm，新澆邊墻與原邊墻按間距50cm植入單排Φ16鋼筋。③泄槽邊墻外側混凝土踏步存在變形破損現象，本次加固將其拆除重建，重建C25混凝土踏步寬1m。

2.4 鼻坎段加固

挑流鼻坎段存在的問題與泄槽段相似，本次加固對底板及兩側邊墻破損部位混凝土進行修補處理和混凝土裂縫灌漿處理。

2.5 出水渠加固

樁號0+261下游為出水渠，為天然渠道，本次不做加固處理。

3 水力學計算分析

本次除險加固對馬頭砦溢洪道的泄流能力、控制段擋水高程、泄槽邊墻高度、消能防沖等內容進行了復核，但本文由于篇幅原因只列出最重要的溢洪道泄流能力復核和消能防沖復核。

3.1 溢洪道泄流能力復核

馬頭砦溢洪道控制段采用無底坎寬頂堰，底板高程114.0m，設4個泄洪孔，每孔凈寬12m，各設1道弧形閘門。閘后一級泄槽(樁號0+052.5—0+152.5)為收縮段，寬度由55.2m漸變至30.0m，底坡1∶10；二級泄槽(樁號0+152.5—0+232.5)寬30m，底坡1∶4。馬頭砦溢洪道泄流能力計算公式同陳家沖溢洪道，經復核，泄流能力稍大于原成果(漳河水庫調度運用手冊中馬頭砦溢洪道泄流能力)。為確保工程安全運行，本次除險加固采用調度運用手冊成果，泄流能力曲線如圖2所示。

3.2 消能防沖復核

由于馬頭砦溢洪道采用差動式挑流進行消能，規范上沒有相關的計算公式，根據1986年《漳河水庫續建加固工程補充初設報告》，采用以下公式計算：

T=kq1/2Z1/4

(1)

L=L1+L2

(2)

(3)

L2=(T-h)cotβ

(4)

式中，T—自下游水面至坑底最大水墊深度，m；q—鼻坎末端斷面單寬流量，m3/(s·m)；k—綜合沖刷系數，按照SL 253—2018《溢洪道設計規范》對于馬頭砦溢洪道取k=1.4；L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舍外緣挑距，m；L1—水舌外緣至河床面挑距，m；L2—水舌外緣從河床面到坑底水平距離，m；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角30°；Ф—流速系數，取0.9；h—沖坑底部到河床床面的高度，m；β—沖坑邊坡與水平面的夾角，(°)。

根據計算結果，100年一遇洪水位為124.3m，下游水位為86.60m，溢洪道下泄流量為2457m3/s，鼻坎段寬度為30m，鼻坎挑角為30°。經計算挑距L=78.58m、沖坑深T為11.78m。沖坑底坡=1/6.67<臨界邊坡ik(1/2.5～1/5)，沖刷坑不會危及溢洪道的結構安全。

4 控制段結構受力分析

為了分析馬頭砦溢洪道控制段閘墩出現45°斜向裂縫的產生原因，開展如下有限元計算分析工作。

4.1 數值模型

馬頭砦溢洪道控制段閘墩與控制段底板、啟閉平臺和下游側交通橋均為現澆剛性連接。為了分析控制段閘墩受力、啟閉平臺主梁和交通橋結構配筋，大壩安全評價階段建立了馬頭砦溢洪道控制段結構三維模型，采用ansys軟件對控制段進行整體受力分析，并進行四邊形網格劃分，模型如圖3所示。

圖3 數值模型

4.2 計算荷載及參數

(1)樓面人群荷載：1.2×3000=3600N/m2。

(2)屋面自重+屋面均布荷載：按《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2001)，屋面均布荷載為0.5kPa，它與雪荷載不能同時作用。屋面厚12cm，考慮聯系梁，厚度取15cm。該荷載通過上下游墻體各5根立柱傳遞至樓板，每根立柱的集中力為54220N。

(3)墻自重：墻厚24cm，考慮窗戶，墻厚按12cm計算，為21740N/m。

(4)啟閉力+機重：溢洪道每孔啟閉機容量2×50t，啟閉機自重28.5t。其中考慮荷載系數1.2，啟閉力為2×600kN；考慮荷載系數1.05，啟閉機自重299.25kN。按上游側梁承擔40%力，下游側梁承擔60%力考慮，則上游側梁上的4個受力點，每點荷載(600+299.25÷2)×40%÷2=149.93kN=149930N；下游側梁上的4個受力點，每點荷載224890N。

(5)弧門支座推力：閘門最高擋水位為123.50m，考慮荷載系數1.2，弧形閘門對支座的總推力為7367.92kN，單支鉸推力為3683.96kN，推力方向與水平線夾角為26.6°。

(6)交通橋荷載：汽車荷載標準為：汽-20，掛-100；兩側人行道人群荷載取3000Pa。本工程單孔交通橋汽車荷載按掛-100施加力，4×4個輪子各承擔荷載75000N；人群荷載按兩側1.5m寬人行道計算。

4.3 結果分析

通過施加荷載，并對控制段底板底部進行全約束，計算得到模型第一主應力分布情況，見圖4。根據計算結果，模型最大主應力位于交通橋上邊線與閘墩相接位置，最大拉應力為5.77MPa，拉應力區下傾45°，方向長約2.0m。本次除險加固針對該45°裂縫，在2.0m受拉區閘墩表面平行粘貼5塊鋼板補強加固，粘貼鋼板單根長2m、寬200mm、厚6mm。經計算，可滿足結構受力要求

圖4 控制段第一主應力分布圖

5 結語

本文以馬頭砦溢洪道為例，對于翼墻表面混凝土的碳化和裂縫現象，進行了局部破損修補和裂縫灌漿處理。對于控制段閘墩、啟閉平臺、交通橋等結構的混凝土裂縫和碳化，通過裂縫灌漿、涂抹丙乳砂漿和氟碳涂料等方法進行了防碳化處理和加固。此外，對弧形門支座結構進行了補強加固，包括加寬支座、粘貼鋼板、預應力鋼絞線等措施。而對于泄槽段和鼻坎段的加固主要針對混凝土破損部位進行修補處理和裂縫灌漿。目前，本文提出的加固方案經過驗證能夠確保馬頭砦溢洪道的安全運行，可為相關溢洪道的結構安全工程提供有力參考。