基于YJK-A的曹莊橡膠壩結構安全復核分析

周春華

（金鄉縣水務局，山東 濟寧 272200）

1 工程概況

曹莊橡膠壩位于金鄉縣司馬鎮曹莊村南、東魚河中下游干流樁號42+000處，是金鄉縣南部回灌補源工程的渠首水源工程。該工程于1994年6月建成投入運行，控制補源面積295 km2，橡膠壩總寬195 m，共3 跨，單孔凈跨64 m，中墩頂高程38.20 m。現狀上游設漿砌石護底，長8.0 m，厚0.3 m，高程為34.35 m；后接鋪蓋長7.0 m，厚度為0.4 m，呈倒坡連接護底和底板；現狀橡膠壩底板高程34.70 m，小底板厚0.8 m，大底板厚1.2～1.35 m，順水流方向長13.0 m，為鋼筋混凝土結構。

2 橡膠壩結構安全復核

2.1 邊墩結構安全復核

2.1.1 邊墩基本資料

橡膠壩邊墩采用鋼筋混凝土結構，混凝土原設計標號為150#。邊墩結構型式為等厚度直墻，厚度1.0 m，高度4.5 m，墩頂高程39.20 m，底部與邊孔底板相連接，順水流方向長度13.0 m。邊墩臨土側未直接回填土體，緊鄰邊墩外側設置鋼筋混凝土空箱扶壁式擋土墻，結構尺寸如圖1所示。

圖1 橡膠壩邊墩結構

2.1.2 計算參數及工況

邊墩外側緊鄰空箱扶壁擋墻，擋墻在土壓力作用下可保持自身穩定，不存在大的位移變位，故可認為空箱扶壁擋墻自身承擔了回填土體壓力，不再有剩余推力傳遞至邊墩。因此，邊墩的復核計算中，各工況下均不再考慮外側土壓力。此外，邊墩與擋墻之間采用閉孔泡沫板填縫，可認為在縫隙內部無法形成連續水體，難以產生靜止水壓力，故僅考慮內側水體對邊墩的作用，不再考慮外側水體對邊墩的作用[1-3]。

（1）計算參數。混凝土容重為25 kN/m3，水體容重為10 kN/m3。

（2）計算工況。在不考慮邊墩外側土壓力和水壓力的作用下，邊墩僅受其內側水壓力作用，故控制運行工況為正常蓄水工況：壩袋擋水，墩前水位37.70 m，墩后無水。

2.1.3 YJK-A計算模型及成果

YJK-A 計算軟件是為多、高層建筑結構建模而研制的空間組合結構設計軟件，可以輕松實現多工況下荷載的處理和墻體模型單元的自動劃分，在施工圖設計、結構計算和復核等方面已達到國內領先水平。現采用YJK-A 計算軟件進行結構復核計算，計算模型如圖2所示。

圖2 橡膠壩邊墩計算模型

通過軟件分析計算，得到邊墩、底板分別在正常蓄水下垂直水流向的剪力、彎矩分布情況如圖3 所示（本文的彎矩剪力圖均是建立結構模型后導入YJK-A 計算軟件經過模擬得出各部位模型的受彎和受剪情況示意，圖中顏色深淺表示構件受彎或者受剪程度的大小，是一大堆彎矩值和剪力值的投影，因此并不需要標出特定的彎矩剪力值）。

圖3 正常蓄水工況下底板和邊墩彎矩、剪力

通過讀取軟件計算數據，可以準確得到橡膠壩在正常蓄水下邊墩和底板的最不利彎矩及剪力大小，而后結合現場檢測結果和橡膠壩邊墩竣工情況即可進行截面承載力復核驗算。橡膠壩邊墩和底板計算內力情況，詳見表1。

表1 橡膠壩邊墩、底板計算內力

根據現場檢測結果，左右岸邊墩測定抗壓強度標準值不小于16.7 MPa，邊墩受力鋼筋采用一級鋼筋，直徑16 mm，間距28 cm，考慮到邊墩上部無荷載，按照彎剪構件復核其結構承載力。

按照《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008）可確定彎矩承載力安全系數[4]，其計算公式為：

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度設計值（kN）；b為矩形截面寬度（m）；x為混凝土受壓區計算高度（m）；fy為鋼筋抗拉強度設計值（kN）；As為受拉區縱向鋼筋橫截面積（m2）；h0表示截面有效高度（m），為截面高度減去受拉鋼筋合理點至截面受拉邊緣的距離；MS為彎矩設計值（kN·m）；Mu為彎矩計算值（kN·m）；K為彎矩承載力安全系數。

經計算，得底板彎矩承載力為192 kN·m，邊墩彎矩承載力為159 kN·m。邊墩、底板尺寸較大，其斜截面抗剪承載力不小于740 kN，遠超出結構所受荷載，邊墩、底板滿足結構抗剪承載力要求[5，6]。結合圖3可知，由于現狀配筋面積偏小，邊墩、底板不滿足結構抗彎承載力要求。橡膠壩邊墩和底板的復核結果表明，兩者滿足抗剪要求但不符合抗彎承載力要求，急需整改。

2.2 空箱扶壁擋墻結構安全復核

2.2.1 空箱扶壁擋墻基本資料

曹莊橡膠壩空箱扶壁擋墻采用鋼筋混凝土結構，位于橡膠壩邊墩外側，用于代替邊墩承擔外側土壓力。擋墻總高度5.0 m，墻頂高程39.20 m，墻面板厚度0.3 m，空箱后壁厚度0.3 m，空箱頂板厚度0.2 m，扶壁厚度0.35 m，扶壁間距2.85 m，墻后回填壤土。墻面板上部設進水孔，下部設排水孔，孔徑0.2 m，用于平衡空箱內外水位。空箱扶壁擋墻結構，如圖4所示。

圖4 空箱扶壁擋墻結構

2.2.2 計算參數及工況

空箱扶壁擋墻計算參數中，水體容重為10 kN/m3；出于安全考慮，選取橡膠壩下游擋墻進行強度復核。墻后回填土，墻前為橡膠壩邊墩，控制運行工況為正常蓄水工況，即墻后水位為地下水位（37.70 m），墻前水位平橡膠壩底板（34.70 m），空箱內無水。

2.2.3 核算結果

采用YJK-A 計算軟件進行結構復核計算，結果如圖5所示。

根據空箱扶壁擋墻竣工情況，進行截面承載力復核驗算。由于空箱擋墻深埋于地下，未進行現場檢測，現狀混凝土強度參照上游翼墻進行復核。翼墻底板受力鋼筋采用一級鋼筋，直徑10 mm，間距30 cm；空箱后墻受力鋼筋采用一級鋼筋，直徑10 mm，間距30 cm；考慮到邊墩上部無荷載，扶壁按照彎剪構件復核其結構承載力，計算結果詳見表2。

表2 空箱擋墻最不利內力kN·m

經計算，得底板抗彎承載力為28 kN·m，空箱后墻彎矩承載力為17 kN·m，結合內力計算結果，底板滿足結構承載力要求；空箱后墻現狀配筋面積偏小，不滿足結構承載力要求，即不滿足規范要求。

2.3 扶壁擋墻結構安全復核

2.3.1 扶壁擋墻基本資料

扶壁擋墻位于橡膠壩上游連接段，用于承擔外側土壓力。扶壁擋墻采用鋼筋混凝土結構，混凝土原設計標號為150#。擋墻總高度6.25 m，墻頂高程39.20 m，墻面板厚度0.4 m，扶壁厚度0.3 m，扶壁間距2.80 m，墻后回填壤土，結構如圖6所示。

圖6 扶壁擋墻結構

2.3.2 計算參數及工況

扶壁擋墻計算參數涉及混凝土容重和水體容重，其中混凝土容重為25 kN/m3、水體容重為10 kN/m3。考慮壩體常年失修，計算工況包含正常蓄水和塌壩2 種：①正常蓄水工況：墻后水位為地下水位（37.20 m），墻前水位為正常蓄水位（37.70 m）；②塌壩工況：墻后水位為地下水位（37.20 m），墻前水位平鋪蓋底板（33.35 m）。

2.3.3 核算結果

采用YJK-A 計算軟件進行結構復核計算。比較正常蓄水工況、塌壩工況發現，塌壩工況顯然對結構更為不利，本次復核計算僅計算塌壩工況，構件內力分布如圖7所示。

圖7 塌壩工況下扶壁擋墻彎矩分布

根據計算結果，統計塌壩工況下構件最大內力，詳見表3。

表3 扶壁擋墻內力計算結果kN·m

根據扶壁擋墻竣工情況，進行截面承載力復核驗算。根據現場檢測結果，上游翼墻測定抗壓強度標準值不小于16.6 MPa，翼墻底板受力鋼筋采用一級鋼筋，直徑10 mm，間距25 cm；墻面受力鋼筋采用一級鋼筋，直徑8 mm，間距25 cm；扶壁受力鋼筋采用一級鋼筋，直徑19 mm，單面扶壁內分布4 根鋼筋。考慮到翼墻上部無荷載，底板、墻面按照彎剪構件復核其結構承載力；扶壁按照梁截面復核其抗彎承載力。

經計算，得底板抗彎承載力為34 kN·m，墻面彎矩承載力為12 kN·m，結合內力計算結果，底板、墻面后墻現狀配筋面積偏小，不滿足結構承載力要求，即不滿足規范要求。扶壁梁截面抗彎承載力為1 102 kN·m，結合內力計算結果，滿足結構承載力要求，即滿足規范要求。

3 壩體排險加固工程設計

經復核，橡膠壩邊墩、底板不滿足結構抗彎承載力要求，底板、擋土墻現狀配筋面積偏小，不滿足結構承載力要求[7]。綜上，曹莊橡膠壩運用指標達不到設計標準，工程老化、損壞嚴重，影響工程安全運行，經除險加固后才能正常運行[8，9]。因此，本次僅對影響大壩安全和發揮效益的主要建筑物進行改造[10]，具體記述如下。

3.1 上游連接段

曹莊橡膠壩上游設鋪蓋，總長度15.0 m，底板頂高程34.35 m。其中，上游段漿砌石鋪蓋基本完好，長度8.0 m，滿足工程正常安全運行要求，本次除險加固工程不予拆除，利用現狀鋪蓋；其后設C35鋼筋混凝土護底，長度7.0 m，下設厚10 cmC15 素混凝土墊層。兩岸通過直墻及圓弧擋墻與上游邊坡順接，墻頂高程39.20 m。兩岸圓弧擋墻上游通過臺階連接坡頂與河底，臺階凈寬2.0 m，上游邊坡為M10 漿砌石護坡，長約5.0 m，與現狀上游護坡順接。

3.2 橡膠壩段

壩底板順水流方向長12.0 m，由壩袋、底板、錨固系統、邊墩、供排水系統等組成。壩袋采用單袋充水式膠布結構，錨固系統采用雙線螺栓壓板結構，壩袋最大擋水高度3.5 m，橡膠壩壩頂高程38.20 m。壩袋通過壓板錨固在鋼筋混凝土底板上，底板頂高程34.70 m，厚1.0 m，采用C35 鋼筋混凝土，上下游設置齒坎。底板底部設厚10 cmC15素混凝土墊層。橡膠壩兩岸邊墩及中墩均采用C35 鋼筋混凝土結構，邊墩頂高程39.20 m，中墩頂高程38.70 m。

4 結語

大壩的工程質量問題一直是關乎國計民生的重要問題之一。利用YJK-A 結構安全復核軟件建立了橡膠壩邊墩、底板等結構模型，與實測數據計算結果進行對比得出該大壩的結構穩定性和安全性。復核結果表明，大壩存在的問題主要有橡膠壩中墩混凝土強度低于設計值，邊墩及翼墻混凝土強度不符合規范要求。因此，本次排險加固重點對橡膠壩段和上游連接段做了不同程度的拆除重建工作，此外應后期水庫的運行管理和監測要求還對充排水管道及監控等設施進行了更換。