某水庫泄洪洞工作橋加固改造研究

牛利敏，嚴 晶

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010)

0 引言

某水庫位于我國北部內蒙古境內,是一座以電力工業供水為主,兼顧城市防洪、旅游及水產養殖的中型水庫。水庫工程主要由大壩、泄洪洞、取水洞等建筑物組成。

2018年6月,水庫管理人員在巡視檢查中發現,水庫泄洪洞工作橋部分橋墩立柱存在較嚴重的傾斜變形、結構混凝土剝蝕、裂縫病害。同年8月,對病害嚴重的橋墩立柱采取了粘貼鋼板加固措施。根據《水庫2018年大壩安全技術監督報告》,由于受冬季冰推力等作用,水庫泄洪洞工作橋部分橋墩立柱已經產生傾斜變形。工作橋靠近豎井的立柱(與大壩接觸部位)結構裂縫較多,基本為貫穿性裂縫,且存在較大面積的空洞、破損,立柱鋼筋外露、銹蝕,影響工作橋的安全。雖然對破損嚴重的立柱進行了鋼板加固,但未解決根本問題,建議加快推進工作橋的維修加固。

我國對水庫病險水庫工作橋加固已有先例,且加固實施效果較好[1-2]。為保證該水庫泄洪洞工作橋結構安全和通行人員的人身安全,確保工程安全運行和正常發揮效益,現亟需對工作橋現狀及工作橋病害破損原因分析,分析工作橋改造的必要性,提出泄洪洞工作橋加固改造方案。國內某水電站對工作橋進行加固改造實施效果較好。

1 泄洪洞工作橋現狀

泄洪洞工作橋全長53.60 m,共分6跨,中間有5個橋墩,按距離大壩壩頂遠近順序標記為1號、2號、3號、4號、5號橋墩,最靠近壩頂的橋墩標記為1號橋墩,最靠近豎井的橋墩標記為5號橋墩。

靠近豎井部位的4號、5號橋墩位置較低,冬季水庫表層結冰時,4號、5號橋墩被水庫表面冰層包圍,由于冰推力、冰拔力等原因,4號、5號橋墩先后斷裂、傾斜、倒塌。已采用裝配式鋼橋恢復垮塌部分的工作橋。

經過現場檢查,1號橋墩立柱不高,總體情況較好,未發現明顯裂縫、破損等缺陷。2號、3號橋墩立柱由于冰壓力等因素導致傾斜,與大壩護坡混凝土面板接觸部位立柱存在裂縫,立柱混凝土結構存在冰凍剝蝕、麻面,立柱周邊的大壩護坡混凝土板在冰荷載作用下產生不均勻沉降。采用粘鋼加固技術能大幅提高梁的極限承載力[3-4],前期已對工作橋2號、3號橋墩立柱裂縫嚴重部位采用粘貼厚度10 mm鋼板進行加固處理。

泄洪洞橋墩現狀圖見圖1,工作橋排架裂縫如圖2所示。

2 工作橋病害破損原因及加固改造必要性

由于該水庫地處寒區,通常水庫面層在冬季冰封之后,在氣溫突然轉暖的天氣(如寒潮過后)冰溫急劇升高,體積膨脹,產生很大的靜冰壓力。這個冰壓力作用于橋墩上,使橋墩產生向大壩岸坡方向變形、傾斜,這就是通稱的冰推作用,簡稱冰推。冰推一般發生在冬季水位變化不大的北方水庫。水庫冬季冰厚通常在0.8 m～1.2 m,冰推力較大;泄洪洞工作橋的橋墩均坐落在大壩填筑的砂礫石壩體上,橋墩基礎條件較差,因此,冰推力作用使橋墩傾斜、冰面附近局部橋墩混凝土裂縫、剪切破壞,導致鋼筋混凝土橋墩倒塌,鋼結構橋梁失穩、跌落水庫。

該地區水資源稀缺,且水庫承擔火力發電廠、鋁廠等重要企業工業供水任務,目前水庫泄洪洞工作橋存在嚴重病害,影響水庫泄洪安全及大壩安全,影響當地工業生產及水庫正常發揮供水效益,因此,對該水庫泄洪洞工作橋進行改造、加固是非常必要的和迫切的,加固工程措施應經濟合理、施工方便,同時,應確保水庫安全和通行人員的人身安全。

3 泄洪洞工作橋加固改造方案比較

泄洪洞工作橋4號、5號橋墩已經斷裂、倒塌,由于這兩個橋墩位置低,重建橋墩需要降低庫水位或修建防滲圍堰才能施工,代價高、施工難度大,因此,本次泄洪洞工作橋改造不考慮恢復4號、5號橋墩。

泄洪洞工作橋目前存在的3個橋墩中,1號、2號橋墩位置較高,水庫冰層推力基本不會直接威脅橋墩立柱結構;3號橋墩位置較低,水庫冰層推力可能會直接威脅橋墩立柱結構。因此,本次泄洪洞工作橋改造比較兩種方案:

1)方案一:拆除3號橋墩。3號橋墩立柱與大壩上游坡面接觸部位高程945.30 m,水庫冰位高于945.30 m時,冰壓力荷載直接作用于3號橋墩立柱結構,影響3號橋墩結構安全。方案一拆除3號橋墩,保留1號、2號橋墩,對存在1號、2號橋墩進行加固處理,采用植筋增強立柱新、老混凝土結構之間的結合,提高立柱結構整體性,2號橋墩與豎井之間采用大跨度鋼結構橋梁連接。

2)方案二:加固3號橋墩。3號橋墩立柱與大壩上游坡面接觸部位高程945.30 m,水庫冰位高于945.30 m時,冰推荷載直接作用于3號橋墩立柱結構,影響3號橋墩結構安全。方案二保留1號、2號、3號橋墩,對橋墩進行加固處理,提高橋墩抗冰壓能力。3號橋墩與豎井之間采用較大跨度鋼結構橋梁連接。

泄洪洞工作橋改造方案一、方案二主要差別在于是否保留3號橋墩,兩個方案優缺點比較見表1。

表1 工作橋加固改造方案比較表

泄洪洞工作橋改造兩種設計方案工程直接投資差別不大,方案二工程直接投資少16.21萬元;考慮霍林河水庫冰層厚度大,冰壓力對橋墩的安全威脅大,方案一橋墩位置較高,橋墩基本不受冰壓力威脅;綜合以上因素,選擇方案一作為泄洪洞工作橋改造推薦方案。

4 泄洪洞工作橋加固改造設計

經過方案比較,選擇方案一作為泄洪洞工作橋改造推薦方案,保留1號、2號橋墩,對其進行加固處理,拆除3號橋墩。2號橋墩與豎井之間采用較大跨度鋼結構橋梁連接。

4.1 橋墩加固設計

1)1號橋墩加固。泄洪洞原1號橋墩排架立柱橫斷面為正方形,斷面尺寸0.6 m×0.6 m,加大后斷面尺寸1.0 m×1.0 m,混凝土強度等級C30。在立柱與大壩上游坡面接觸部位,增設C30鋼筋混凝土柱基礎,其尺寸為4.4 m×4.0 m×1.2 m(長度×寬度×厚度),滿足基礎結構尺寸宜大于柱邊長3倍的要求;基礎底高程949.57 m,下部設置厚度15 cm的C15混凝土墊層。立柱加大結構與柱基礎結構整體澆筑。柱基礎混凝土澆筑前,對基礎范圍內的砂礫石壩體進行碾壓處理,要求其密實度大于0.75。采用植筋增強立柱新、老混凝土結構之間的結合,提高立柱結構整體性。

2)2號橋墩加固。泄洪洞2號橋墩立柱與大壩上游坡面接觸部位高程948.30 m,立柱之間的橫向支撐梁頂高程948.90 m。水庫冰位高于948.30 m時,冰壓力荷載直接作用于2號橋墩立柱結構,影響2號橋墩結構安全。

2號橋墩立柱由于冰壓力等因素導致傾斜,與大壩護坡混凝土面板接觸部位立柱存在裂縫,立柱混凝土結構存在冰凍剝蝕、麻面等缺陷。2號橋墩需要進行加固處理,加大橋墩排架立柱斷面,提高立柱強度和剛度;同時在1號、2號橋墩之間增設連系梁結構,提高2號橋墩抗傾斜變形能力。

原2號橋墩排架立柱橫斷面為正方形,斷面尺寸0.6 m×0.6 m,加大后斷面尺寸1.0 m×1.0 m,混凝土強度等級C30。在立柱與大壩上游坡面接觸部位,增設C30鋼筋混凝土柱基礎,其尺寸為4.4 m×4.0 m×1.2 m(長度×寬度×厚度),滿足基礎結構尺寸宜大于柱邊長3倍的要求;基礎底高程946.88 m,下部設置厚度15 cm的C15混凝土墊層。立柱加大結構與柱基礎結構整體澆筑。柱基礎混凝土澆筑前,對基礎范圍內的砂礫石壩體進行碾壓處理,要求其密實度大于0.75。

采用植筋增強立柱新、老混凝土結構之間的結合,提高立柱結構整體性。1號、2號橋墩立柱之間增設兩根連系梁結構,連系梁斷面尺寸0.8 m×0.6 m。連系梁與橋墩立柱之間,利用植筋增強連接。

3)新老混凝土結合。

a.結合面鑿毛。橋墩排架立柱采用圍套形式的增大截面加固法。新老混凝土結合部位,鑿除老混凝土表面碳化層,鑿除厚度一般5 cm左右,直至露出堅固的混凝土基面為止。鑿去原混凝土結構表面松動石子,鑿成凸凹粗糙面。原混凝土結構表面的風化、變質、蜂窩、麻面和酥松部分必須鑿除。經過表面的機械處理后,必須用高壓水將碎屑、粉末徹底沖洗干凈。

b.植筋。立柱設置Φ16(HRB400熱軋帶肋鋼筋)植筋,增強立柱新、老混凝土結構之間的結合,提高立柱結構整體性。立柱每邊設置兩根植筋,間距0.5 m;植筋沿柱高度方向間距0.5 m。植筋錨固用膠黏劑必須采用改性環氧類的膠黏劑,采用A級膠,其性能指標應滿足GB 50367—2013混凝土結構加固設計規范要求。植筋基本錨固深度按下列公式計算:

L=0.2αdfy/fbd。

其中,α為防止混凝土劈裂引用的計算系數,植筋直徑小于20 mm,α取值1.0;d為植筋公稱直徑,16 mm;fy為植筋用鋼筋的抗拉強度設計值,HRB400鋼筋,fy=360 N/mm2;fbd為植筋用膠黏劑的黏結強度設計值,C30混凝土取值3.4。

L=0.2αdfy/fbd=0.2×1×16×360÷3.4=338.8 mm。

按構造要求,植筋錨固深度取0.6L,10d(160 mm)的大值,錨固深度取200 mm。植筋外露段長度不小于20d,取350 mm。單根植筋用鋼筋長度550 mm,植筋鉆孔直徑設計值20 mm。

c.界面處理。為確保結合面水泥的水化作用,避免原混凝土把水分吸走,原混凝土結構必須浸水洇濕,達到“干飽和”狀態。

混凝土的膠結力來源于水泥化學變化形成水泥膠體。新混凝土對原混凝土結構的黏結力較弱,新老混凝土結合面抗拉強度(黏結強度)低于混凝土本身的抗拉強度。因此,在原混凝土表面清理后,在界面上涂抹高標號水泥砂漿(水泥漿配比c∶w∶s=1∶0.35∶1.5)或水泥基混凝土界面處理劑來增大膠結力。本工程選擇涂抹高標號水泥砂漿處理結合面。

4)冰壓力應對措施。為減小冰壓力、減輕冰壓力荷載對橋墩的危害,采取如下工程措施:

a.水庫庫區最冷月平均氣溫為-20.7 ℃,依據GB/T 50662—2011水工建筑物抗冰凍設計規范,壩址區屬嚴寒地區。根據規范和類似工程經驗,本次加固設計確定混凝土強度等級為C30,抗凍級別F300,抗滲等級W6,增強結構抗冰壓力及抗凍融破壞的性能。b.橋墩受冰作用的迎冰面設計成尖角,角度90°,以減小冰壓力荷載。c.加固橋墩立柱結構,提高橋墩的抗剪和抗彎承載能力。d.橋墩結構配筋適當加強,鋼筋保護層厚度適當加大。

4.2 橋梁改造設計

1號橋墩與壩頂之間、1號橋墩與2號橋墩之間的原鋼結構簡支梁橋予以保留。

2號橋墩與泄洪洞豎井之間采用新建大跨度鋼橋連通。擬采用平行弦鋼桁架橋,矩形鋼管截面,鋼橋全長35.8 m,跨徑35.40 m,高3.5 m,弦桿中心間距2 m,兩側為欄桿,設計荷載為跨中集中荷載5 t和人群荷載3.5 kN/m2,基本風速32.9 m/s的靜陣風荷載;選用Q345qD鋼材。

經計算,選定弦桿和端橫梁矩形鋼管橫斷面的長、寬和厚度分別為300 mm×200 mm×14 mm鋼管,中橫梁截面、腹桿和平聯斜桿均為200 mm×120 mm×14 mm的鋼管,端橫梁注C50細石混凝土,橋面采用10 cm高的壓型板+3 mm花紋鋼板,鋪裝用1 cm塑膠層,橋面橫坡1.5%。鋼橋主要用材為Q345qD鋼管,鋼橋總質量32.1 t。

5 結論及建議

5.1 結論

1)水庫泄洪洞及取水洞工作橋進行改造是必要的。2)泄洪洞及取水洞工作橋改造,拆除位置較低的3號橋墩方案,基本消除了冬季庫面冰壓力對橋墩安全威脅,作為推薦方案是合適的。

5.2 建議

1)水庫運行管理過程中,冬季冰位建議控制在948.0 m以下,避免冰壓力影響泄洪洞工作橋的橋墩安全。2)泄洪洞進口豎井結構的基礎為礫砂石,采用混凝土灌注樁結構提高基礎承載力,混凝土灌注樁底部嵌入基巖。冬季水庫冰壓力荷載較大,對泄洪洞及取水洞豎井結構安全影響較大,建議采取循環水等措施,消除冰壓力對豎井結構的不利影響。