渡槽安全評價初探

范秦軍 彭麗敏 魯 輝

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

某渡槽運行年代久遠，受業(yè)主委托，我單位對該渡槽進行安全評價。目前，渡槽安全評價尚無法定依據(jù)。結(jié)合國內(nèi)相關(guān)文獻報道，經(jīng)業(yè)主同意，參照《水閘安全評價導則》的評價思路，通過現(xiàn)狀調(diào)查、現(xiàn)場檢測、復核計算分析對該渡槽開展安全評價。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

該渡槽位于南方某大型灌區(qū)東干渠上，1968年竣工，設(shè)計縱坡比為1/500，過流能力70.9 m3/s，加大過流能力78.0 m3/s，建筑物全長137 m，其中進口長17 m，出口長30 m，槽身段長90 m(共6跨，每跨長15 m，跨間止水為四油三氈)。槽身為“U”形薄壁結(jié)構(gòu)，凈高3.5 m(其中內(nèi)半徑2.1 m，直墻凈高1.40 m)，凈寬4.2 m，直墻壁厚0.12 m，鋼筋保護層厚度為2 cm，混凝土強度為C25。每跨設(shè)11道拉桿(跨兩端拉桿寬0.40 m，其他拉桿寬0.15 m，拉桿高均為0.15 m)。槽身右側(cè)設(shè)置有檢修橋，檢修橋?qū)?.0 m，橋兩側(cè)均設(shè)置有混凝土連續(xù)墻式欄桿。該渡槽共有7個墩(編號依次為1號～7號)支撐，其中進、出口為漿砌石墩，槽身段為5個混凝土墩(排架+基礎(chǔ))。排架高度3.8 m～8.8 m，混凝土強度為C20，鋼筋保護層厚度為3 cm。基礎(chǔ)混凝土強度為C10，鋼筋保護層厚度為5 cm。2號、3號墩地基為弱風化花崗巖，其他墩地基為土質(zhì)砂，詳見圖1。

2 現(xiàn)場檢測

2.1 方法技術(shù)

1)外觀質(zhì)量檢測。利用直觀量測、外觀描述和拍照及局部打開驗證的方法對該渡槽相關(guān)結(jié)構(gòu)的外觀質(zhì)量進行檢測。所用主要工具有：數(shù)碼相機、鋼卷尺、游標卡尺、裂縫寬度檢測儀、裂縫深度檢測儀等。

2)變形觀測。利用測繪儀器對槽身段進行觀測，與相關(guān)設(shè)計參數(shù)進行對比或停水期間、通水時測量值進行對比，觀測槽身現(xiàn)狀縱坡比、撓度。

3)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)檢測。采用回彈法檢測混凝土抗壓強度，利用鋼筋位置測定儀檢測鋼筋保護層厚度，采用半電池電位法來定性評估混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕程度，采用超聲法檢測混凝土內(nèi)部是否存在缺陷。

4)地基檢測。通過現(xiàn)場鉆探，并取樣進行室內(nèi)土工試驗可對場地進行評價，同時可計算出相關(guān)巖土物理力學參數(shù)。

2.2 主要檢測結(jié)果

1)混凝土結(jié)構(gòu)。

a.槽身段現(xiàn)狀縱坡比為1/870，不滿足原設(shè)計1/500的要求；槽內(nèi)水位2.7 m高時各跨跨中撓度為0.8 mm～4.2 mm，滿足規(guī)范要求。

b.槽內(nèi)露筋13處，2跨、3跨、4跨經(jīng)檢測鋼筋已銹蝕，有效受力面積折減為原設(shè)計的84.0%；拉桿露筋2處；檢修橋橋板露筋8處、欄桿露筋3處；槽內(nèi)存在裂縫33條，多集中在止水附近，裂縫寬度為0.20 mm～4.00 mm，一般發(fā)育深度超過20 mm；鋼筋保護層厚度平均值17 mm～23 mm，槽底局部露筋，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，2跨、3跨保護層厚度不滿足原設(shè)計要求；槽外存在裂縫29條，個別裂縫有滲水現(xiàn)象。

1跨、6跨經(jīng)檢測共存在混凝土不密實5處。槽身段混凝土強度推定值在13.5 MPa～14.8 MPa之間，槽身段混凝土強度不滿足原設(shè)計要求。

止水老化，裸露3處，槽外滲水2處。

c.排架混凝土強度推定值在17.0 MPa～23.3 MPa之間，排架混凝土強度不滿足原設(shè)計要求。

d.基礎(chǔ)混凝土強度推定值在13.5 MPa～15.5 MPa之間，基礎(chǔ)混凝土強度滿足原設(shè)計要求。3號基礎(chǔ)位于河床中，長期受河流沖刷已完全暴露于河水中，無安全埋深，存在較大安全隱患。

2)金屬結(jié)構(gòu)。

5個排架上的20塊鋼板支座全部嚴重銹蝕、剝離。

3)地基。

3 復核計算分析

3.1 過流能力計算

1)計算理論。渡槽過流能力計算公式：

其中，Q為輸水流量，m3/s；A為過流斷面面積，m2；R為水力半徑，m；i為渡槽縱坡降，根據(jù)現(xiàn)場檢測為1/870；n為糙率，取值0.014。

2)計算結(jié)果。渡槽滿槽過流情況下，過流能力為35.82 m3/s。不滿足設(shè)計要求。

3.2 上部結(jié)構(gòu)計算

1)計算原則。

上部結(jié)構(gòu)計算主要指U型槽身縱向結(jié)構(gòu)計算和橫向結(jié)構(gòu)計算，槽身屬于薄殼結(jié)構(gòu)。

U型槽縱向，跨寬比為3.06，屬于中長殼結(jié)構(gòu)。將其橫截面簡化為工字形，槽身為簡支受彎結(jié)構(gòu)梁，進行結(jié)構(gòu)計算，求出梁橫截面正應(yīng)力及受拉區(qū)的總拉力，梁的總拉力全部由鋼筋承擔。

U型槽橫向，槽殼作為一次超靜定曲桿框架結(jié)構(gòu)，用力法先求出橫桿的多余未知力，然后利用靜力平衡方程式計算各截面的彎矩及軸力。槽身橫向各截面內(nèi)力分別為偏心受壓或偏心受拉構(gòu)件，以最大負彎矩及最大正彎矩截面作為計算的控制截面，分別進行槽壁的配筋和抗裂計算。

2)計算結(jié)果。

為了測試一個電路，首先執(zhí)行蒙特卡羅仿真去得到有可配置緩沖器電路的時鐘周期的均值μT和標準差σT.芯片對應(yīng)于μT，μT+σT和μT+2σT的初始的良率Yo分別為50%，84.13%和97.72%[15].如表1所示，Y(%)代表了有可配置緩沖器的芯片的良率.Yi(%)是相對于沒有緩沖器調(diào)整初始良率的增加良率，也就是Y-Yo.從對比中我們可以得到，芯片良率的增加非常顯著(最高可達35.98%).

a.縱向：根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計算，承載力極限狀態(tài)配筋面積應(yīng)為7 124 mm2。設(shè)計槽底受拉鋼筋面積為7 747.17 mm2，根據(jù)現(xiàn)場檢測，有效受力面積折減為設(shè)計面積的84%，折減后有效配筋面積為6 507.48 mm2；計算正常使用極限狀態(tài)最大拉應(yīng)力為2.57 MPa，大于槽身混凝土強度實測標號最大拉應(yīng)力允許值1.164 MPa；抗裂不滿足要求。

槽身縱向撓度計算值為2.17 mm，小于設(shè)計允許值29.4，滿足要求。

b.橫向：槽身15°截面彎矩標設(shè)計較大，外側(cè)受拉，拉應(yīng)力設(shè)計值較大，計算配筋面積應(yīng)為447.6 mm2。設(shè)計配筋面積為514.09 mm2，折減后有效配筋面積為431.84 mm2；計算正常使用極限狀態(tài)，槽身15°截面邊緣拉應(yīng)力應(yīng)為1.34 MPa，大于槽身混凝土強度實測標號最大拉應(yīng)力允許值1.164 MPa；抗裂不滿足要求。

3.3 下部結(jié)構(gòu)計算

1)計算模型。

3號排架高度最高，具有代表性，本次選用3號排架作為計算目標建模，對其下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全進行計算，計算采用結(jié)構(gòu)力學方法進行(見表1)。

表1 計算工況荷載組合表

2)荷載計算。

由于渡槽過流能力較小，與其上下游渠道設(shè)計過流能力不匹配，渡槽內(nèi)水位按滿槽水計算，水深H=3.35 m；地震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度值為0.1g；槽身內(nèi)水體的地震慣性力，參考類似工程，橫槽向按0.7的折減系數(shù)考慮，橫槽向按0考慮?；撅L壓按照當?shù)?0年一遇的風壓值取值，取0.7 kN/m2，按照高聳結(jié)構(gòu)計算，基本風壓值乘以1.1系數(shù)。

3)計算結(jié)果。

經(jīng)建模分析計算，排架基礎(chǔ)配筋不滿足要求。

3.4 渡槽槽身穩(wěn)定及排架基底承載力計算

1)計算原則。

根據(jù)設(shè)計資料和現(xiàn)場檢測知，4號排架基礎(chǔ)為砂質(zhì)土，基礎(chǔ)承載能力較低；3號排架高度最高，基礎(chǔ)為半風化和完整巖石基礎(chǔ)，基礎(chǔ)被水沖刷，完全裸露；均具有代表性。本次計算選用4號排架和3號排架作為計算目標，對渡槽整體穩(wěn)定及基底承載力進行計算。

2)計算結(jié)果。

經(jīng)計算，槽身抗滑穩(wěn)定滿足要求。

經(jīng)計算，每跨渡槽過流時排架柱截面最大壓應(yīng)力6.87 MPa，實測混凝土標號軸心抗壓強度設(shè)計值fc=11.82 MPa，滿足設(shè)計需求。

4號排架基礎(chǔ)最大基底應(yīng)力均超過地基檢測值170 kPa，不滿足設(shè)計要求；3號排架基底應(yīng)力滿足設(shè)計要求，但基礎(chǔ)埋深不滿足規(guī)范要求。

3.5 渡槽上游槽臺基底承載力計算

1)計算原則。

上游槽臺即1號渡槽基礎(chǔ)，基礎(chǔ)地質(zhì)條件為弱風化巖石。槽臺臺高為2.0 m，臺帽高0.3 m，寬0.5 m，臺帽長3.8 m，上游面為豎直，下游面坡度為1∶0.33，基礎(chǔ)設(shè)臺座，臺座厚度0.5 m，底面尺寸1.8 m×5.0 m(寬×長)，槽臺臺身為M50號漿砌石結(jié)構(gòu)。本次計算主要對槽臺順槽向穩(wěn)定性進行計算。

2)計算結(jié)果。

經(jīng)計算，槽臺整體穩(wěn)定和地基承載力滿足規(guī)范要求。

4 安全評價結(jié)論

該渡槽過流能力不滿足原設(shè)計要求；止水老化有裸露滲水現(xiàn)象；抗震能力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身混凝土存在裂縫，鋼筋銹蝕，耐久性嚴重惡化，混凝土結(jié)構(gòu)配筋不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求、強度不滿足原設(shè)計要求；鋼板支座全部嚴重銹蝕。

綜上所述，該渡槽存在重大安全隱患，可修復性差，評定為Ⅳ類。建議盡快按有關(guān)規(guī)定處理。