某水電站進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)排架加固設(shè)計(jì)與實(shí)踐

潘益斌，吳 疆，黃東軍

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，310014）

1 工程概況

浙江某水電站總庫容0.56億m3，安裝2臺(tái)20 MW立軸轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組，是三等中型水利樞紐工程。電站于1998年5月正式并網(wǎng)發(fā)電，在當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)中發(fā)揮調(diào)峰和事故備用作用，同時(shí)，通過水庫的調(diào)洪作用，可削減汛期洪峰、提高下游防洪標(biāo)準(zhǔn)。

本工程為短隧洞引水式水電站，樞紐工程由小骨料混凝土砌塊石重力壩、引水隧洞、發(fā)電廠房和開關(guān)站等建筑物組成。其中引水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)的布置方式，進(jìn)水口位于右壩頭上游離壩軸線約60 m處，廠房位于右岸引水系統(tǒng)末端，距壩軸線約200 m處。引水隧洞主洞全長219.1 m，隧洞內(nèi)徑8.0 m，采用鋼筋混凝土襯砌。岔管后連接2條鋼支管，內(nèi)徑4.6 m，分別長82.7 m和75.7 m。每臺(tái)水輪機(jī)上游壓力鋼管連接處設(shè)有重錘關(guān)閉式蝶閥一臺(tái)，以作為機(jī)組事故關(guān)閉、檢修和長期停機(jī)使用。

引水隧洞進(jìn)水口設(shè)置一道閘門，以備水道系統(tǒng)放空檢修和蝶閥檢修之用。該閘門為平面滑動(dòng)鋼閘門，按動(dòng)水關(guān)門、靜水提門方案操作。閘門孔口尺寸7.0 m×8.0 m（寬×高），閘門橫向支承跨度7.6 m。閘門設(shè)計(jì)水頭30 m，設(shè)計(jì)承受水壓力15 050 kN。閘門通過設(shè)置在90 m高程平臺(tái)以上的啟閉機(jī)排架（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）垂直啟吊，啟閉機(jī)平臺(tái)高程102.90 m，采用兩臺(tái)固定式卷揚(yáng)機(jī)露天布置，啟閉機(jī)容量2×1 000 kN，啟閉機(jī)行程11.0 m。

進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)排架采用整體鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，排架總高度12.9 m，上下三層、前后兩榀布置。該框架結(jié)構(gòu)4個(gè)柱子分散布置在閘門井四周，柱體尺寸50 cm×60 cm（順?biāo)飨颉链怪彼飨颍豁攲又髁捍怪彼飨虿贾?，尺?0 cm×120 cm（寬×高），中心跨度10 m，兩側(cè)分別固定在2個(gè)柱子上，2個(gè)主梁和4個(gè)柱子形成兩榀排架，其中下游側(cè)排架編號(hào)f1，上游側(cè)排架編號(hào)f2，組成了啟閉機(jī)排架結(jié)構(gòu)的主要承載構(gòu)件。兩榀排架在頂層通過兩個(gè)側(cè)向聯(lián)系梁連接，聯(lián)系梁尺寸35cm×50cm（寬×高），順?biāo)飨虿贾?，頂板?5cm。由于排架較高，為提高整體框架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在94.5 m和99.0 m高程布置兩層聯(lián)系梁，聯(lián)系梁尺寸30 cm×60 cm（寬×高），這些聯(lián)系梁將啟閉機(jī)排架劃分為單層最大高度4.5 m的框架結(jié)構(gòu)，但靠近上游側(cè)排架最下部未設(shè)聯(lián)系梁，便于閘門出槽檢修。

圖1 進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)排架立面布置圖（單位：cm）Fig.1 Elevation layout of the hoist bents of the water inlet gate(unit:cm)

2 混凝土排架結(jié)構(gòu)裂縫分布、承載能力復(fù)核及原因分析

2011年初，該電廠運(yùn)行人員計(jì)劃將進(jìn)水口閘門吊出門槽進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)啟閉機(jī)排架結(jié)構(gòu)部分梁的底部有若干超限裂縫（縫寬大于0.2 mm）。隨后，應(yīng)原設(shè)計(jì)單位的要求，電廠方面委托浙江大學(xué)水工結(jié)構(gòu)與水環(huán)境研究所對(duì)啟閉機(jī)混凝土排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了質(zhì)量檢測和試驗(yàn)。

現(xiàn)場針對(duì)進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)排架的檢測和試驗(yàn)工作分為三部分，即裂縫調(diào)查測量、回彈法檢測混凝土質(zhì)量和排架靜載試驗(yàn)等，主要成果如下。

2.1 裂縫調(diào)查測量

經(jīng)現(xiàn)場檢查和統(tǒng)計(jì)，排架結(jié)構(gòu)超限裂縫均分布在排架99.0 m高程的上、下游兩側(cè)聯(lián)系梁跨中和聯(lián)系梁與左、右框架柱交界處，總計(jì)7條，縫寬0.5～1.33 mm，部分裂縫沿梁高上下貫通分布，裂縫分布詳見圖2。排架結(jié)構(gòu)頂層主梁和94.5 m高程聯(lián)系梁上暫未發(fā)現(xiàn)裂縫。

圖2 進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)排架上、下游側(cè)聯(lián)系梁裂縫素描圖Fig.2 Cracks upstream and downstream of the connection beam of the hoist bents of water inlet gate

2.2 回彈法檢測混凝土質(zhì)量

通過在主梁下表面和聯(lián)系梁側(cè)面共布置的12個(gè)測試單元，采用回彈法檢測混凝土實(shí)際抗壓強(qiáng)度。檢測成果表明，啟閉機(jī)排架各測試單元混凝土抗壓強(qiáng)度平均值40.8 MPa、最小值33.1 MPa，在保證率P=90%情況下，排架混凝土強(qiáng)度推定值為32.6 MPa，大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2.3 排架靜載試驗(yàn)

為校驗(yàn)啟閉機(jī)排架的實(shí)際承載能力，現(xiàn)場以閘門自重作為荷載，緩慢啟吊閘門直至閘門出槽，在加載過程中測試梁的撓度，同時(shí)在閘門吊點(diǎn)位置埋設(shè)振弦式應(yīng)變計(jì)以計(jì)算出梁所受荷載大小并記錄梁的承載情況。

檢測成果表明：閘門啟吊過程中，排架結(jié)構(gòu)均處于彈性狀態(tài)，且聯(lián)系梁變形較小，排架結(jié)構(gòu)運(yùn)行基本正常。

本工程進(jìn)水口閘門尺寸較大、最大啟吊力較重且行程較長，閘門啟吊運(yùn)行時(shí)，集中荷載直接作用在頂層主梁上，并通過框架柱傳至地面基礎(chǔ)。啟閉機(jī)排架采用限裂設(shè)計(jì)，主要承載構(gòu)件為框架柱和頂層主梁，結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算及現(xiàn)場試驗(yàn)均表明排架結(jié)構(gòu)整體安全性較好，但聯(lián)系梁與頂層主梁距離較近，斷面尺寸又相差較多，因此聯(lián)系梁產(chǎn)生超限裂縫的可能主要原因是：聯(lián)系梁與主梁尺寸差異較大，兩者慣性矩相差約13倍，聯(lián)系梁含筋量較低，結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較弱。排架結(jié)構(gòu)承擔(dān)較大荷載時(shí)（如啟閉閘門），根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)理論，在主梁結(jié)構(gòu)安全的情況下，剛度較弱的聯(lián)系梁發(fā)生裂縫。

綜上所述，雖然排架結(jié)構(gòu)聯(lián)系梁目前存在的若干超限裂縫暫未對(duì)排架整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生直接影響，但其對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性不利。為防止啟閉排架聯(lián)系梁裂縫進(jìn)一步發(fā)展，威脅結(jié)構(gòu)的整體安全性，經(jīng)電廠方面與原設(shè)計(jì)單位的共同討論研究，一致認(rèn)為對(duì)這些聯(lián)系梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加固處理、提高其剛度水平是必要的。

3 排架結(jié)構(gòu)加固處理設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)加固工程經(jīng)驗(yàn)，目前工程實(shí)踐中可用于現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)加固措施有加大截面加固法、外包鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法、黏鋼加固法和碳纖維加固法。各種加固方法的特點(diǎn)見表1。

根據(jù)本工程特點(diǎn)和現(xiàn)場實(shí)際情況，遵循經(jīng)濟(jì)合理、施工簡便的基本原則，設(shè)計(jì)單位建議對(duì)開裂的聯(lián)系梁采用黏鋼加固法或碳纖維加固法。

3.1 黏鋼加固法

黏鋼加固法采用結(jié)構(gòu)膠把鋼板黏貼在構(gòu)件外部以提高結(jié)構(gòu)承載力，目前在建筑物加固工程中應(yīng)用較為廣泛。本工程由于超限裂縫發(fā)展較為顯著的聯(lián)系梁受力較小，采用構(gòu)造要求進(jìn)行構(gòu)件加固即可滿足要求，材料和工作程序建議如下：

（1）本工程加固用鋼板可采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，寬度與梁同寬。

加固所采用的結(jié)構(gòu)黏結(jié)劑則要求其黏結(jié)強(qiáng)度高、耐久性好，具有一定彈性。高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑是結(jié)構(gòu)加固方案的關(guān)鍵因素之一，因此必須選用有充分試驗(yàn)依據(jù)且性能滿足使用要求的膠結(jié)材料。

（2）對(duì)梁上所有裂縫先進(jìn)行灌縫并封閉處理，之后方可黏鋼板加固。由于裂縫寬度較小，且需考慮新舊材料的良好黏合要求，應(yīng)采用環(huán)氧樹酯類化學(xué)灌漿材料進(jìn)行裂縫修補(bǔ)處理。

（3）針對(duì)聯(lián)系梁裂縫發(fā)展的實(shí)際情況，聯(lián)系梁及兩端節(jié)點(diǎn)的框架柱部分區(qū)域均布置黏鋼鋼板，提高構(gòu)件的整體性。

（4）梁端鋼板通過膨脹型錨栓分別固定，并通過“口”型箍板連接。

（5）為了延緩膠層老化，防止鋼板銹蝕，鋼板及其鄰接的混凝土表面，應(yīng)涂抹水泥砂漿保護(hù)層。

3.2 碳纖維加固法

碳纖維（CFRP）是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。相對(duì)混凝土、鋼材等傳統(tǒng)材料，優(yōu)質(zhì)的碳纖維材料同樣具有良好的耐久性和耐腐蝕性，不需定期維護(hù)，且能對(duì)內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用，聯(lián)合受力條件更好，目前應(yīng)用較為廣泛。但是，碳纖維布與混凝土的黏結(jié)性能需要通過設(shè)計(jì)防護(hù)和良好的施工予以保證。

可用于本工程加固的碳纖維布必須是具有良好適配性的配套樹酯類黏貼材料及表面防護(hù)材料，其基本性能應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范及規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。碳纖維片材的加固機(jī)理與黏鋼板類似，它利用樹酯膠結(jié)材料將碳纖維片材貼于梁的表面，從而提高梁的抗彎和抗剪承載能力，以達(dá)到對(duì)梁補(bǔ)強(qiáng)加固及改善結(jié)構(gòu)受力性能的目的。

建議按以下程序開展工作：（1）對(duì)梁上所有裂縫先進(jìn)行灌縫并封閉處理，之后方可進(jìn)行黏貼碳纖維片材加固。裂縫修補(bǔ)處理同黏鋼加固法，施工前均應(yīng)清除混凝土表面的浮漿油污等雜質(zhì)，構(gòu)件基面的混凝土需打磨平整并保持干燥。

（2）碳纖維片材應(yīng)黏貼在受拉區(qū)一側(cè)，纖維方向與加固的受力方向一致，沿受力鋼筋的方向黏貼。

（3）碳纖維片材宜全長連續(xù)不間斷布置，否則其沿纖維受力方向的搭接長度應(yīng)不小于100 mm并牢固連接。由于采用雙層碳纖維布加固，各層碳纖維布之間的搭接位置應(yīng)錯(cuò)開，不小于500 mm。

（4）為保證碳纖維片材能夠可靠地與混凝土共同工作，除按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝要求通過浸漬樹酯將片材可靠黏結(jié)在混凝土表面外（雙層碳纖維片材應(yīng)連續(xù)黏貼，確保結(jié)合牢固），還應(yīng)采取附加的機(jī)械錨固措施，即采用角鋼黏貼在碳纖維片材外，再用膨脹型錨栓錨固于混凝土中。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)常用加固方法及特點(diǎn)一覽表Table 1 Reinforcement methods for concrete structure and their characteristics

（5）碳纖維鋪設(shè)完成后，在外表面應(yīng)均勻涂刷一道浸漬樹酯，提高材料耐久性。若產(chǎn)品供應(yīng)商提供表面防護(hù)材料，可作為加固件最外層防護(hù)材料。

3.3 排架加固處理方案選擇及設(shè)計(jì)

黏鋼加固法及碳纖維加固法在本項(xiàng)目加固設(shè)計(jì)中均是可行的，但考慮到聯(lián)系梁跨中及兩端均有裂縫產(chǎn)生，為提高加固后結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，經(jīng)施工、材料供應(yīng)和投資等多因素綜合比較，最終確定采用黏鋼加固法，并在聯(lián)系梁與框架柱交界處焊接三角形節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)鋼板，加固設(shè)計(jì)方案詳見圖3。

圖3 進(jìn)水口啟閉機(jī)排架99.0 m高程聯(lián)系梁加固設(shè)計(jì)圖（單位：cm）Fig.3 Reinforcement design for the connection beam on eleva?tion of 99.0 m of the hoist bents of water inlet gate

4 排架加固施工及效果評(píng)價(jià)

2012年，該電站進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)排架加固方案付諸實(shí)施，為確保關(guān)鍵技術(shù)的施工工藝滿足設(shè)計(jì)要求，原設(shè)計(jì)單位隨圖紙?zhí)峁┝嗽敿?xì)的施工技術(shù)要求，對(duì)施工順序、要點(diǎn)及施工注意事項(xiàng)進(jìn)行了說明。

加固項(xiàng)目施工流程見圖4。

施工完成后，經(jīng)現(xiàn)場投運(yùn)檢測，啟閉機(jī)排架運(yùn)行正常，各項(xiàng)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，滿足了正常生產(chǎn)的需要。

5 結(jié)語

已投產(chǎn)水電站在運(yùn)行中或多或少存在一些需要技術(shù)改造和加固維修的項(xiàng)目。某水電站在投運(yùn)十余年后，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水口閘門啟閉機(jī)排架結(jié)構(gòu)存在超限裂縫，對(duì)此給予高度重視。與原設(shè)計(jì)單位聯(lián)系后，安排第三方進(jìn)行質(zhì)量檢測和試驗(yàn)，對(duì)癥下藥，通過與原設(shè)計(jì)單位溝通，確定了最終加固方案，并立即組織施工，確保了電站的長期安全運(yùn)行。

圖4 進(jìn)水口啟閉機(jī)排架聯(lián)系梁加固施工流程圖Fig.4 Construction flow in the reinforcement of connection beam of the hoist bents of water inlet gate

設(shè)計(jì)單位針對(duì)質(zhì)量檢測成果，在啟閉機(jī)排架結(jié)構(gòu)整體安全的前提下，結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn)提出黏鋼加固法和碳纖維加固法等局部加固方案供業(yè)主選擇，并最終結(jié)合裂縫分布情況和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，與業(yè)主共同選擇采用了技術(shù)上更為成熟、加固效果更為可靠、材料采購更為簡便的黏鋼加固法，并在工程施工過程中提供全面的技術(shù)指導(dǎo)，滿足了電站長期安全運(yùn)行需求，也為類似工程加固設(shè)計(jì)提供了參考。

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