TENDAHO大壩溢洪道鋼梁預應(yīng)力錨桿斷裂事故處理

翟澤冰， 李 靜

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計院，南昌 330029)

1 工程概況

Tendaho大壩灌溉工程位于埃塞俄比亞東北部AWASH河中游，灌區(qū)流域面積1 700 km2，工程主要任務(wù)為保障Dubti(120 km2)、Ditbahari(90.88 km2)、Asayita(250 km2)三大新建灌區(qū)和Beyahel、Galipage、Bokate1三大老灌區(qū)的灌溉供水.工程主要由擋水大壩、泄水溢洪道、引水隧洞(塔式引水口)、輸水渠道及配套渠系建筑物等組成.攔河大壩結(jié)構(gòu)為粘土心墻壩，總庫容為19.2億m3，最大壩高為53 m，大壩上下游均采用塊石料進行護坡[1].參照國內(nèi)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252-2000)標準，工程屬大(1)型工程.工程總投資22.8億BIRR，折合17.11億人民幣.

2 溢洪道工程施工形象面貌及現(xiàn)存問題

工程設(shè)計為岸邊溢洪道，布置在大壩左岸壩肩處，由進口引流段、控制段、泄流段(泄槽、消力池和海漫)等結(jié)構(gòu)組成，消能防沖設(shè)計洪水流量為1 900 m3/s，總長為374 m.控制段為3孔開敞式結(jié)構(gòu)，單孔凈寬為10.5 m，中墩和邊墩厚均為3.0 m，閘墩前沿總寬為43.5 m.控制段總長度為28.247 m.溢流堰采用開敞式實用堰，WES冪曲線為x1.85=9.56y.堰頂高程為400.00 m(以當?shù)馗叱滔到y(tǒng)為基準，下同)，堰體高為14 m，建基面高程為386.00 m，閘墩高出堰頂17.675 m，頂部高程為417.675 m，設(shè)計泄洪水位為410.4 m.溢洪道設(shè)計3面10.5 m×8.4 m弧形鋼質(zhì)工作閘門，卷揚式啟閉機操作.工作弧門支座原設(shè)計采用后貼式鋼梁，即采用支鉸用螺栓將閘門啟閉t支座固定在閘墩尾部的鋼梁上；在閘墩中布設(shè)40根Φ32高強度預應(yīng)力錨桿，每側(cè)布置20根，按照4(排)×5(列)矩陣結(jié)構(gòu)按長度6 m和10 m均勻相間布置.預應(yīng)力錨桿其鋼筋抗拉強度設(shè)計值為fy=1 080 N/mm2，設(shè)計張拉力為650 kN[1].

到2013年6月，溢洪道土建工程(包括錨桿預埋)已按設(shè)計圖紙要求施工完畢；弧形鋼質(zhì)工作閘門及鋼梁已加工制作完成，等待安裝.溢洪道土建工程和閘墩預應(yīng)力錨桿施工形象面貌(見圖1，圖2).

圖1 溢洪道現(xiàn)狀圖

圖2 預應(yīng)力錨桿現(xiàn)狀圖

在施工過程當中，相繼發(fā)生共8根預應(yīng)力錨桿斷裂事故，已不能滿足溢洪道閘門安裝、調(diào)試及安全運行要求.考慮到已施工的支座受力復雜且錨桿安全質(zhì)量影響因素較多，常規(guī)結(jié)構(gòu)力學或材料力學等方法很難進行精確的應(yīng)力分析，故采用ANSYS有限元法對閘墩進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和穩(wěn)定性分析.

3 閘墩應(yīng)力及穩(wěn)定性分析

3.1 閘墩應(yīng)力分析

3.1.1 計算工況

按下述兩種情況分別對閘墩應(yīng)力進行分析：

(1)牛腿方案(擬處理方案)：閘墩原設(shè)計結(jié)構(gòu)已施工完畢，為保持閘墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性且考慮事故處理經(jīng)濟性，設(shè)計擬定將閘墩從原設(shè)計403.78 m加高到410.0 m高程，加高6.22 m，并在后期加高閘墩中增設(shè)鋼筋混凝土牛腿作為鋼質(zhì)工作弧門的支座.

(2)鋼梁方案(原設(shè)計方案)：工作弧門支座采用后貼式鋼梁.

3.1.2 工作弧門支座受力分析

按照結(jié)構(gòu)自重、弧門支座推力等荷載力學分布情況，經(jīng)計算獲得牛腿方案的應(yīng)力分布情況(見圖3).原設(shè)計方案荷載值及方向與此相同，作用在閘墩上的方式不同(通過鋼梁及預應(yīng)力錨桿傳遞到閘墩).閘墩混凝土設(shè)計C30，堰體混凝土設(shè)計采用C20，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)，變形模量值Ec取值為閘墩3.00e4MPa、堰體2.55e4MPa，泊松比μc=0.167[2].

圖3 支座受力簡圖

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)置

采用自下而上的建模方式，將溢洪道閘墩及堰體斷面簡化，建立有限元計算模型.為了解除閘墩左、右側(cè)邊界條件對受力分析的影響，盡量擴大有限元計算模型[3-4].閘墩及堰體均采用空間8節(jié)點等參實體單元進行離散.計算范圍為閘墩左、右側(cè)各擴展3 m，模型結(jié)點數(shù)共31 058個；單元數(shù)共25 266個(其中：X軸為由上游水平指向下游的順水流方向；Y軸為鉛垂線向上方向；Z軸為平行大壩軸線方向由左岸水平指向右岸).密度參數(shù)值選取2 500 kg/m3.按照堰體底部采用全約束，左/右側(cè)自由約束條件，其有限元仿真模型(見圖4,圖5).

圖4 推薦牛腿方案整體有限元計算網(wǎng)格

圖5 鋼梁方案整體有限元計算網(wǎng)格

3.1.4 應(yīng)力計算結(jié)果分析

閘墩厚3 m，按照0.5 m的計算量綱，將閘墩劃分為中心應(yīng)力截面、中心偏移0.5 m截面、中心偏移1.0 m截面和中心偏移1.5 m截面進行應(yīng)力分析.計算獲得閘墩典型截面應(yīng)力等勢線圖(見圖6～圖9).

計算獲得閘墩不同截面的應(yīng)力結(jié)果對比數(shù)據(jù)(見表1).

圖6 牛腿方案中心偏移1.5 m第一主應(yīng)力

圖7 牛腿方案中心偏移1.5 m xy平面應(yīng)力

圖8 鋼梁方案中心偏移1.5 m第一主應(yīng)力

圖9 鋼梁方案中心偏移1.5 m xy平面應(yīng)力

表1 閘墩截面應(yīng)力計算成果表 單位：MPa

由表1可知，推薦方案(鋼筋混凝土牛腿方案)整個結(jié)構(gòu)模型最大第一主應(yīng)力為4.718 MPa，最大xy平面應(yīng)力為0.808 MPa，均出現(xiàn)在弧門支座推力支撐牛腿根部上游側(cè)；原鋼梁方案最大第一主應(yīng)力為5.427 MPa，最大xy平面應(yīng)力為1.923 MPa.對于推薦牛腿方案，閘墩表面最大主拉應(yīng)力大于原設(shè)計C30混凝土的最大允許拉應(yīng)力，最大xy平面應(yīng)力小于C30混凝土允許拉應(yīng)力.對于鋼梁方案，閘墩表面最大主拉應(yīng)力和最大xy平面應(yīng)力均大于原設(shè)計C30混凝土的最大允許拉應(yīng)力.

3.2 閘墩穩(wěn)定分析

對于推薦的牛腿處理方案，必須保證新增閘墩與原閘墩間的可靠連接.根據(jù)《溢洪道設(shè)計規(guī)范》(SL 253-2000)，采用抗剪斷強度和抗剪強度公式[5]進行計算.計算結(jié)果表明：抗剪斷強度Kc=3.58，新增閘墩沿原閘墩混凝土接觸面抗滑穩(wěn)定滿足運行安全需求；抗剪強度Kc=0.28<1.1，新增閘墩沿原閘墩混凝土接觸面抗滑穩(wěn)定不滿足運行安全要求，需在403.78～410.0 m新加高閘墩表面增設(shè)32根Ф32錨筋.

4 閘墩鋼筋混凝土牛腿處理

在查詢《水電站機電設(shè)計手冊(金屬結(jié)構(gòu))》及相關(guān)文獻資料，均未發(fā)現(xiàn)有采用預應(yīng)力鋼梁作為弧形工作閘門支撐座的成功案例.錨桿質(zhì)量及施工工藝存在較多安全不確定性因素，同時根據(jù)原設(shè)計重新布設(shè)或加強錨桿困難較大.結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果，考慮到現(xiàn)場已施工完成的預應(yīng)力錨桿存在多次斷裂事故，設(shè)計取消原鋼梁方案，推薦采用鋼筋混凝土牛腿方案進行事故處理.

(1)根據(jù)支座受力分布及應(yīng)力分析結(jié)果，鋼筋混凝土牛腿方案設(shè)計擬定將閘墩尾部從原設(shè)計403.78 m高程加高到410.0 m高程，加高6.22 m，寬3.0 m，混凝土強度等級為C30.加高閘墩面增設(shè)鋼筋采用焊接方式與原閘墩面鋼筋進行有效連接.按原設(shè)計(豎向Ф24@150，水平向Ф14@200)配筋均勻布滿閘墩面.

(2)在403.78～410.0 m加高范圍內(nèi)增設(shè)鋼筋混凝土牛腿，作為工作弧門支座.閘門啟閉時的支座推力經(jīng)牛腿傳遞到閘墩[6].牛腿尺寸為：1.70 m(W)×2.2 m(H)×0.5 m(D懸出閘墩面的厚度)，C30混凝土.弧門支座按1級建筑物進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算得牛腿需配置12根Ф32(HRB335級鋼筋)受力鋼筋，間距150 mm.

(3)在閘墩尾部403.78 m高程面上設(shè)0.3 m(W)×0.3 m(H)鍵槽，鑿毛混凝土凹凸接觸面并配Ф25插筋以確保新加高閘墩與已施工完成閘墩間的連接可靠性；在6.22 m新加高閘墩面增設(shè)32根，設(shè)計抗拔力185 kN，長3.5 m的Ф32錨筋.錨入已施工完成閘墩2.0 m、新加高閘墩1.5 m，并與閘墩中其他鋼筋焊接.閘墩中配設(shè)Ф24@200鋼筋網(wǎng).

(4)結(jié)合現(xiàn)場已預埋的預應(yīng)力錨桿，通過在預應(yīng)力錨桿端部增設(shè)1.5 m厚的鋼板作為錨固板，經(jīng)錨固板及預應(yīng)力錨桿以增強支座推力傳遞性.

(5)設(shè)計采取在閘墩表面開淺槽布設(shè)扇形鋼板條的方法，利用鋼板條及碳纖維替代已施工完成閘墩內(nèi)部的扇形局部受拉鋼筋，以增強閘墩受力.同時考慮到設(shè)計的一致性，新加高閘墩部位扇形局部受拉區(qū)仍采用相同方法進行局部受力補強.

5 結(jié) 語

(1)TENDAHO大壩溢洪道工程施工中，由于工作弧門支座受力較復雜、錨桿質(zhì)量和施工工藝存在安全不確定因素等，導致實際施工中出現(xiàn)前后共有8根鋼梁預應(yīng)力錨桿斷裂事故，已不能滿足溢洪道閘門安裝、調(diào)試及安全運行要求.

(2)采用預應(yīng)力鋼梁作為弧形工作閘門支撐座，即沒有相應(yīng)技術(shù)指導設(shè)計規(guī)范，也未類似成功工程案例.故在事故處理方案設(shè)計時，取消重新布設(shè)計算預應(yīng)力錨桿方案，采取加高閘墩增加鋼筋混凝土牛腿作為工作弧門支座方案.

(3)結(jié)合現(xiàn)場施工形象面貌及應(yīng)力穩(wěn)定性分析結(jié)果，在閘墩尾部從403.78～410.0 m范圍加高閘墩.在接觸面增設(shè)0.3 m(W)×0.3 m(H)鍵槽，以確保原閘墩與新加高閘墩間連接的可靠性.采取一致的鋼板條及碳纖維替代扇形局部受拉鋼筋，以對閘墩局部進行受力補強.

經(jīng)應(yīng)力和經(jīng)抗滑穩(wěn)定復核及現(xiàn)場施工檢驗，鋼筋混凝土牛腿方案能夠滿足設(shè)計規(guī)范要求，為工程安全可靠施工建設(shè)提供了重要技術(shù)指導.

參考文獻：

[1] 徐禮鋒,楊志華.埃塞俄比亞TENDAHO溢洪道閘門支座缺陷處理設(shè)計[J].科技廣場,2014(2):109-113.

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[3] 楊清平,李俊杰.混凝土閘墩有限元數(shù)值分析簡化算法及應(yīng)用[J],人民黃河,2011,33(11):130-132.

[4] 王 淼,周春霞.某水電站溢洪道閘室預應(yīng)力閘墩有限元應(yīng)力分析[J].水利科技與經(jīng)濟,2011,17(3):25-28.

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[6] 顧小兵,王立成,魯永華,等.玉灘水庫溢洪道閘墩弧門支座設(shè)計[J].水利水電工程設(shè)計,2009,28(4):8-10.