閘室外包混凝土在臥虎山水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

李志乾，董永霞

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003；2.商丘市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，河南 商丘 476000)

閘室外包混凝土在臥虎山水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用

李志乾1，董永霞2

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003；2.商丘市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，河南 商丘 476000)

針對臥虎山水庫溢洪閘閘室結(jié)構(gòu)裂縫成因、結(jié)構(gòu)受力等問題的分析,臥虎山水庫溢洪閘閘室采用外包混凝土的加固措施,消除閘室存在的結(jié)構(gòu)病險(xiǎn),完善閘室運(yùn)行功能。實(shí)踐證明,該措施技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)可靠,對大型水閘病險(xiǎn)處理具有寶貴的借鑒價(jià)值。

溢洪閘；除險(xiǎn)加固；臥虎山水庫；加固設(shè)計(jì)

1 工程概況

臥虎山水庫位于濟(jì)南市歷城區(qū)仲宮鎮(zhèn)境內(nèi)，錦繡川、綿陽川、錦云川三川匯流處的玉符河上游，是一座具有防洪、灌溉和城市供水為一體的大型水庫，屬黃河水系，水庫流域面積557 km2。

溢洪閘工程位于大壩左岸，為壩肩式溢洪閘，共5孔，單孔14 m，總凈寬70 m，閘室總長28 m，中墩寬2.0 m，長25 m，閘底板高程118.3 m，最大墩高24.78 m，閘室分縫位于各底板跨中。

閘底板設(shè)一低駝峰，堰頂高程121.0 m，設(shè)工作閘門一道，為弧型鋼閘門，閘門尺寸14 m×11 m。

臥虎山水庫溢洪閘于 1976年在拆除原溢洪閘后新建。

2007年4月經(jīng)對溢洪閘進(jìn)行安全鑒定，臥虎山水庫溢洪閘存在下列病險(xiǎn)：

1)閘墩、底板發(fā)生多道橫向、豎向裂縫；混凝土碳化深度平均50 mm，超過混凝土保護(hù)層厚度。

2)溢洪閘無檢修閘門，無法保證工作閘門的正常檢修；現(xiàn)有工作閘門銹蝕嚴(yán)重，鋼絲繩、滾輪銹蝕，行洪時(shí)無保障。

3)閘門止水橡膠老化，漏水嚴(yán)重，且閘門止水不具備檢修條件[1-2]。閘門門頂高程135.0 m，閘門高度不滿足水庫防洪運(yùn)用要求。

4)交通橋荷載標(biāo)準(zhǔn)為汽-13級，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，不滿足現(xiàn)狀交通要求。

5)弧門牛腿推力最大推力428.8 t，最小264.5 t，不滿足現(xiàn)有閘門推力700 t的設(shè)計(jì)要求。

2 裂縫成因分析

為了分析裂縫成因，采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件，對溢洪閘在運(yùn)行情況下閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。

通過計(jì)算，溢洪閘閘室:

1)在溫降工況下，在底板下游區(qū)域均會(huì)出現(xiàn)范圍較大的拉應(yīng)力區(qū)，中墩σz約7 MPa，邊墩約8 MPa，可能導(dǎo)致底板產(chǎn)生開裂，與實(shí)際檢測到的底板橫向裂縫吻合，底板裂縫可判斷是由溫度降低所引起。

2)閘室左側(cè)的Ⅱ號滑坡體對邊墩安全的影響較大，在計(jì)算工況下將使邊墩產(chǎn)生過大的位移(x向最大位移近0.22 m)、過大的拉應(yīng)力(44 MPa，分布于邊墩內(nèi)下側(cè))和過大的壓應(yīng)力(68 MPa，分布于邊墩外側(cè)，即臨水側(cè))[3-4]。

3)正常運(yùn)行下，水壓作用對中墩的影響不大，但在牛腿附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中拉應(yīng)力最大達(dá)到z向5.1 MPa。

最大主應(yīng)力為10.4 MPa，實(shí)際檢測到的閘墩上有水平縫存在，可以判斷只要施工中存在水平縫或施工質(zhì)量較差，就會(huì)導(dǎo)致閘墩上水平裂縫的產(chǎn)生。

4)溫升工況對閘墩及底板的影響較小。

由于溢洪閘已經(jīng)運(yùn)行近30 a，至今沒有破壞性的事故發(fā)生，表明閘室左岸滑坡體還沒有產(chǎn)生嚴(yán)重的滑動(dòng)，閘室裂縫與滑坡體無關(guān)，否則滑坡體產(chǎn)生的滑動(dòng)推力將使整閘事發(fā)生毀滅性的破壞而不是限于開裂[5-6]。同時(shí)，結(jié)合對閘室結(jié)構(gòu)的復(fù)核以及對閘室施工情況的調(diào)查，可以判斷得出閘墩貫穿性裂縫是由于結(jié)構(gòu)配筋不足以及施工因素導(dǎo)致的，閘室底板貫穿裂縫是由于運(yùn)用期溫度應(yīng)力過大導(dǎo)致的。閘室裂縫素描圖見圖1。

圖1 閘室裂縫素描圖

3 閘室外包加固設(shè)計(jì)

3.1 加固方案的選擇及加固思路

臥虎山水庫大壩溢洪閘等原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為10 000 a一遇洪水校核，此次加固是按5 000 a一遇校核洪水的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)臥虎山水庫防洪的運(yùn)用原則和對溢洪閘泄洪能力的復(fù)核，溢洪閘閘墩、閘底板具備增大結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行加固治理的條件。通過對拆除重建閘室和閘室外包混凝土兩個(gè)方案的工程投資、施工工期及技術(shù)可行性等方面的比較，最終選用了閘室外包混凝土的加固方案。

閘室外包混凝土方案主要是根據(jù)溢洪閘泄洪要求，確定閘墩、閘底板截面加大的尺寸，對原閘結(jié)構(gòu)裂縫、配筋不足的結(jié)構(gòu)性缺陷，采取閉縫灌漿、外包混凝土并重新配置結(jié)構(gòu)受力鋼筋進(jìn)行解決。

對于鋼筋密集的弧門牛腿，再次布置牛腿鋼筋比較困難，采取拆除整個(gè)牛腿重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

同時(shí)在閘墩、閘底板外包混凝土的過程中，增設(shè)檢修閘門門槽及弧門檢修孔，修復(fù)止水，重新設(shè)計(jì)混凝土閘門、啟閉機(jī)房、按最新交通要求，恢復(fù)閘頂交通橋等。

為保證新澆混凝土與原結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)合緊密，除鑿除原結(jié)構(gòu)碳化混凝土外，并鑿毛老結(jié)構(gòu)表面，在新老混凝土之間涂刷界面劑、布置插筋。

3.2 加固設(shè)計(jì)

加固設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：現(xiàn)狀閘室裂縫灌漿及修補(bǔ)、現(xiàn)狀閘室拆除、鑿毛及設(shè)置插筋、閘墩、閘底板化學(xué)植筋和閘墩、閘底板外包混凝土。

3.2.1 現(xiàn)狀閘室裂縫灌漿及修補(bǔ)

根據(jù)裂縫部位、寬窄、深淺及是否為貫穿裂縫等不同情況，對閘墩、閘底板出現(xiàn)的延伸長度>5 m，裂縫深度>50 cm(底板)或深度>20 cm(閘墩)的較寬裂縫(δ>0.5 mm)，采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌漿修補(bǔ)。裂縫閉縫灌漿見圖2。

圖2 裂縫閉縫灌漿

3.2.2 現(xiàn)狀閘室拆除、鑿毛及設(shè)置插筋

根據(jù)閘墩牛腿影響范圍，將牛腿下游8.5 m×9.5 m范圍內(nèi)閘墩混凝土進(jìn)行拆除。同時(shí)為保證新老混凝土黏結(jié)效果，將閘墩、閘底板混凝土碳化層進(jìn)行鑿除，鑿除深度5 cm，并在新老混凝土之間布置插筋，插筋間排距1.0 m，梅花形布置。中墩插筋對穿閘墩，與新布的閘墩兩側(cè)鋼筋進(jìn)行焊接,形成整體，底板、邊閘墩插筋伸入老混凝土端0.75 m，外露插筋同樣與新布的鋼筋焊接，形成整體。

鑿毛后的混凝土表面要求半露骨料，對于碳化深度較大及局部有損傷的部位，根據(jù)實(shí)際情況對鑿毛深度相應(yīng)加大。拆除、鑿毛、插件布置見圖3。

圖3 拆除、鑿毛、插件布置

3.2.3 閘墩、閘底板化學(xué)植筋

為保證重新布置的閘底板鋼筋、閘墩鋼筋承荷效果，底板鋼筋及閘墩縱向鋼筋采用化學(xué)植筋，單根植筋深度公式為：

ld≥ΨnΨcmls[1]

(1)

式中：ΨN為植筋受拉力影響的修正系數(shù)，Ψcm為植筋位移延性修正系數(shù)。

新植鋼筋部分是澆筑在外包混凝土中，因此在老混凝土中的植筋深度需考慮外包混凝土對鋼筋的錨固作用。

經(jīng)過計(jì)算，扣除新澆混凝土的錨固后，閘墩、閘底板鋼筋在老混混凝土結(jié)構(gòu)中的植筋深度取0.75 m。

閘墩及閘底板的大范圍采用化學(xué)植筋，在閘墩根部造孔密集，對原閘結(jié)構(gòu)破壞較大。為了減少對老結(jié)構(gòu)的破壞，植筋分兩排間隔進(jìn)行，內(nèi)側(cè)的植筋與外側(cè)鋼筋進(jìn)行搭接連接。分兩排間隔植筋見圖4。

圖4 分兩排間隔植筋

3.2.4 閘墩、閘底板外包混凝土

臥虎山水庫溢洪閘起調(diào)水位為正常蓄水位130.5 m，根據(jù)泄洪復(fù)核計(jì)算，將閘底坎抬高0.50 m，過流凈寬由原來的70.0 m調(diào)整為65.0 m，最大下泄流量7 030 m3/s，此時(shí)校核洪水位137.51 m，相應(yīng)計(jì)算所需最大壩頂高程139.19 m，小于現(xiàn)狀大壩壩頂及閘室頂高程139.50 m，滿足防洪要求，閘底板、閘墩具備外包混凝土0.5 m的加固條件。

原閘室混凝土為200號混凝土，閘墩配筋面積1 546 mm2，底板配筋面積4 926 mm2，混凝土標(biāo)號及配筋均較低。

外包混凝土強(qiáng)度根據(jù)GB50367—2006提高一個(gè)等級且≥C25，采用C30混凝土，外包后閘墩鋼筋不考慮已有閘墩鋼筋，按新配鋼筋考慮。

隨同外包增大閘墩、閘底板的斷面尺寸、中閘墩的加長，增設(shè)檢修門槽、弧門檢修孔，重新恢復(fù)弧門牛腿、閘頂啟閉機(jī)房、交通橋等，同時(shí)根據(jù)水庫防洪要求，重新設(shè)計(jì)閘門及啟閉設(shè)備等，以完善閘室的功能。閘結(jié)構(gòu)外包混凝土見圖5。

圖5 閘結(jié)構(gòu)外包混凝土

4 結(jié) 語

大型水利工程老混凝土“穿衣戴帽”的情況，目前可以借鑒的工程實(shí)例不多。

臥虎山水庫溢洪閘除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)采用外包50 cm厚混凝土消除了原閘室的結(jié)構(gòu)開裂、碳化、止水滲漏、弧門牛腿推力不足等結(jié)構(gòu)安全隱患。

同時(shí)在外包混凝土的同時(shí)，增設(shè)檢修閘門、重建交通橋及弧形閘門等，完善閘室缺損的功能，既實(shí)現(xiàn)了閘室出險(xiǎn)加固的目的,也為大型水利工程“穿衣戴帽”提供寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1]梁壇,王永維，等.GB50367—2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：69-72.

[2]李小兵，劉琳琳，劉建國，羅旭濤.土工膜在臥虎山水庫除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用[J].民營科技，2010(04)：154-155.

[3]李志乾，耿波.臥虎山水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014(33)：225-226.

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[5]何陣營.病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固項(xiàng)目管理特性探討[J].水利建設(shè)與管理，2007(10)：32-33.

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1007-7596(2014)12-0229-03

2014-04-21

李志乾(1974-)，男，河南鄭州人，工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)工作；董永霞(1960-)，女，河南商丘人，工程師。

TV662；TV698.2

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