多源信息融合診斷技術(shù)在無(wú)資料溢流壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算中應(yīng)用

李昊洋，姚紀(jì)華，劉亞玲，李義方

(1.湖南弘裕洋項(xiàng)目管理有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410036；2.湖南省水利水電科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.湖南省大壩安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410007；4.湖南九一工程設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410018)

1 研究背景

目前國(guó)內(nèi)很多運(yùn)行中有閘控制混凝土壩建于20世紀(jì)五六十年代左右，已服役超過(guò)50年，由于水庫(kù)建設(shè)期資料不完整或保存不當(dāng)缺失，導(dǎo)致其溢流壩段閘墩和弧門(mén)支座結(jié)構(gòu)安全無(wú)法復(fù)核。而這一時(shí)期修建的閘壩往往受當(dāng)時(shí)施工技術(shù)和砌筑材料等影響，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料質(zhì)量、配筋等標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏低，結(jié)構(gòu)易老化，使用壽命短，導(dǎo)致這些溢流壩的閘墩和弧門(mén)支座存在重大安全隱患。因此，基于溢流壩閘墩和弧門(mén)支座現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和配筋，復(fù)核其結(jié)構(gòu)安全，借以判定其是否需要除險(xiǎn)加固和適合繼續(xù)服役是極其重要的。

閘壩質(zhì)量檢測(cè)方面目前已有諸多探索，以單一物探法、綜合物探法等無(wú)損質(zhì)量檢測(cè)和有損檢測(cè)的理論和運(yùn)用研究成果較多。但這些成果多是研究閘壩滲漏隱患和質(zhì)量缺陷的識(shí)別、解譯技術(shù)應(yīng)用，對(duì)閘壩材料組成、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及內(nèi)置鋼筋直徑、間距等診斷的探索成果較少。

閘壩結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性分析相關(guān)研究也較多，成果多是基于閘壩設(shè)計(jì)圖紙和報(bào)告參數(shù)考慮不同工況[18]和因素影響情況下的閘壩結(jié)構(gòu)安全計(jì)算和判定[19-22]，采用的分析方法主要為數(shù)學(xué)理論解析[23]、有限元數(shù)值模擬[24-26]和室內(nèi)模型試驗(yàn)[27]等。但這些研究成果并未考慮閘壩施工質(zhì)量缺陷、結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度折減和鋼筋銹蝕老化等因素而往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全計(jì)算結(jié)果失真，對(duì)于無(wú)資料且服役期長(zhǎng)的閘壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核的方法和理論相關(guān)研究較少。

本文基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、鉆芯法和室內(nèi)試驗(yàn)等多源信息融合診斷技術(shù)，獲取溢流壩閘墩、弧門(mén)支座現(xiàn)齡期材料、強(qiáng)度及配筋等真實(shí)數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)解析規(guī)范公式法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核。以期為服役期長(zhǎng)、無(wú)資料的閘壩結(jié)構(gòu)安全計(jì)算復(fù)核和穩(wěn)定性判別提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 基本原理

2.1 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法和原理

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)混凝土回彈儀分別對(duì)溢流壩閘墩和弧門(mén)支座選取具有代表性的測(cè)區(qū)10個(gè)，每個(gè)測(cè)區(qū)彈擊16個(gè)點(diǎn)、獲取16個(gè)回彈值，并測(cè)定每個(gè)測(cè)區(qū)上砼碳化深度值，最后根據(jù)10個(gè)測(cè)區(qū)回彈值、測(cè)定角度與碳化深度，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度推定[28]。

利用混凝土鋼筋檢測(cè)儀對(duì)溢流壩閘墩和弧門(mén)支座內(nèi)鋼筋直徑、鋼筋類(lèi)型和鋼筋間距等進(jìn)行探測(cè)識(shí)別?；炷龄摻顧z測(cè)儀通過(guò)混凝土鉆芯機(jī)對(duì)閘壩構(gòu)件進(jìn)行鉆孔取芯，揭露構(gòu)件結(jié)構(gòu)組成特征、材料性質(zhì)、膠結(jié)密實(shí)程度等信息，是一種有損質(zhì)量檢測(cè)方法，但對(duì)構(gòu)件性質(zhì)揭露很直觀(guān)[28]。

2.2 鉆芯法檢測(cè)方法和原理

通過(guò)混凝土鉆芯機(jī)對(duì)溢流壩閘墩進(jìn)行鉆孔取芯，揭露構(gòu)件結(jié)構(gòu)組成特征、材料性質(zhì)、膠結(jié)密實(shí)程度等信息，是一種有損質(zhì)量檢測(cè)方法，但對(duì)構(gòu)件性質(zhì)揭露很直觀(guān)[29]。并對(duì)鉆取的砼芯樣進(jìn)行室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得閘墩砼強(qiáng)度。

2.3 溢流壩穩(wěn)定安全復(fù)核方法及理論

根據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中10.10可知[30]：

(1)閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)，弧門(mén)支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫控制應(yīng)滿(mǎn)足：

Fk≤0.7ftkbB

(1)

(2)閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)，閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積應(yīng)滿(mǎn)足：

(2)

(3)弧門(mén)支座的剪跨比a/h0<0.3，且其截面尺寸應(yīng)符合：

Fk≤0.7ftkbB

(3)

(4)弧門(mén)支座的受力鋼筋截面面積應(yīng)符合：

(4)

式(1)、(2)、(3)、(4)中，F(xiàn)k—按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的閘墩一側(cè)弧門(mén)支座推力值，N；b—弧門(mén)支座寬度，mm；B—閘墩厚度，mm；ftk—混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；K—承載力安全系數(shù)，取1.20；F—閘墩一側(cè)弧門(mén)支座推力設(shè)計(jì)值，N；Asi—閘墩一側(cè)局部受拉范圍內(nèi)的第i根局部受拉鋼筋的截面面積，mm2；As—弧門(mén)支座與閘墩連接受力鋼筋的總截面面積，mm2；θi—第i根局部受拉鋼筋與弧門(mén)推力方向的夾角，(°)；fy—局部受拉鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；a—弧門(mén)推力作用點(diǎn)至閘墩與牛腿接觸面的距離，mm。

3 工程概況

某水庫(kù)始建于1965年10月，屬沅水一級(jí)支流辰水流域二級(jí)支流毫羅溪，非溢流壩段為漿砌石重力壩，最大壩高35.5m，壩頂寬10m，壩長(zhǎng)126.5m，溢流壩段長(zhǎng)50m，為混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)閘門(mén)4扇，弧門(mén)尺寸為10m×9.5m(寬×高)，閘門(mén)前最大水頭高度為9.3m，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的中型水庫(kù)。

運(yùn)行至今已近60年，但溢流壩段4扇閘門(mén)一直未更換，已嚴(yán)重超出折舊年限，且4扇閘門(mén)面板局部點(diǎn)厚度已小于6mm，必須進(jìn)行報(bào)廢更換，設(shè)計(jì)擬更新閘門(mén)相比現(xiàn)有閘門(mén)自重增加。且現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，2#閘墩與左右弧門(mén)支座及4#閘墩與左弧門(mén)支座的接觸部位上游面邊線(xiàn)皆見(jiàn)有細(xì)小裂縫，裂縫長(zhǎng)度分別為8.4、10.1、2.3cm，結(jié)構(gòu)存在安全隱患。但由于建庫(kù)期資料遺失，溢流壩段弧門(mén)支座和閘墩的截面尺寸、配筋和砼強(qiáng)度等信息無(wú)法獲知，而導(dǎo)致弧門(mén)支座及閘墩結(jié)構(gòu)安全無(wú)法復(fù)核。

為查明溢流壩段弧門(mén)支座、閘墩、啟閉機(jī)支撐梁砼強(qiáng)度及配筋等，基于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、鉆芯法和室內(nèi)試驗(yàn)等多源信息融合診斷技術(shù)，獲取溢流壩閘墩和弧門(mén)支座現(xiàn)齡期材料、強(qiáng)度及配筋等真實(shí)數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)解析規(guī)范公式法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核。

4 成果與分析

4.1 閘墩、弧門(mén)支座材料及強(qiáng)度

考慮到弧門(mén)支座與閘墩連接區(qū)域，弧門(mén)支座和閘墩結(jié)構(gòu)不遭受破壞而導(dǎo)致強(qiáng)度折減，以混凝土回彈儀檢測(cè)為主，閘墩其他部位可采用無(wú)損檢測(cè)、鉆芯和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合方法，選取具有代表性測(cè)區(qū)10個(gè)，揭露閘墩、弧門(mén)支座材料及強(qiáng)度等信息，見(jiàn)表1。

表1 閘墩、弧門(mén)支座材料組成、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)尺寸成果統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，溢流壩段所有閘墩及弧門(mén)支座皆為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；左右邊墩寬度B皆為2400mm，砼強(qiáng)度等級(jí)皆為C20；中墩寬度B皆為2000mm，砼強(qiáng)度等級(jí)多為C15，以2#閘墩強(qiáng)度最低；所有弧門(mén)支座結(jié)構(gòu)尺寸都為1500(b)×2500(h)，砼強(qiáng)度等級(jí)多為C15，2#閘墩左右弧門(mén)支座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最低，屬于溢流壩最不利結(jié)構(gòu)部位。

4.2 閘墩、弧門(mén)支座配筋

閘墩和弧門(mén)支座鋼筋直徑和間距采用高精度混凝土鋼筋檢測(cè)儀(ZBL-R630)進(jìn)行探測(cè)，其識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表2，如圖1—2所示。

圖1 閘墩扇形鋼筋分布圖

圖2 中墩及兩側(cè)弧門(mén)支座鋼筋分布圖

表2 閘墩、弧門(mén)支座鋼筋直徑及間距成果統(tǒng)計(jì)表

同時(shí)在閘墩與弧門(mén)支座接觸區(qū)域，所有閘墩局部受拉區(qū)皆檢測(cè)出閘墩內(nèi)扇形局部受拉鋼筋，鋼筋類(lèi)別也為HRB335，直徑26mm，通過(guò)在閘墩上探測(cè)定位劃線(xiàn)，扇形鋼筋共有25根，通過(guò)標(biāo)定測(cè)量，扇形鋼筋是以弧門(mén)推力方向?yàn)橹芯€(xiàn)向兩側(cè)每隔約2°布設(shè)一根(零星鋼筋角度稍有偏差)，扇形兩端邊緣與弧門(mén)推力方向夾角皆約為24°。

4.3 閘墩、弧門(mén)支座結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

由表1可知，2#閘墩及其左右側(cè)弧門(mén)支座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最低，屬于溢流壩最不利結(jié)構(gòu)部位。因此，本次溢流壩結(jié)構(gòu)安全計(jì)算復(fù)核選取2#閘墩及其左右側(cè)弧門(mén)支座為計(jì)算對(duì)象。經(jīng)計(jì)算，閘門(mén)和啟閉機(jī)更換后，最不利工況時(shí)，蓄水至設(shè)計(jì)水位(即閘門(mén)前最大水頭高度為9.0m)，此時(shí)半扇閘門(mén)上所受最大的靜水壓力為：Ph=0.5×10×9.32×10×0.5=2162.3kN

半扇閘門(mén)所受浮力為Pv=1782.0kN。

一側(cè)弧門(mén)支座所受最大推力(標(biāo)準(zhǔn)值)約為：

(5)

由于該水庫(kù)為中型水庫(kù)，溢流壩段屬于主要建筑物，為3級(jí)，使用期承載力計(jì)算，安全系數(shù)K應(yīng)取1.20；弧門(mén)支座所受推力是弧門(mén)前水作用力合力，屬于可控制其不超過(guò)規(guī)定限值的可變荷載，標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)值，系數(shù)取1.20。

(1)閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)，弧門(mén)支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的抗裂驗(yàn)算：

0.7ftkbB=0.7×1.27×1500×2000

=2667.0kN≤Fk=2802.0kN

(6)

可見(jiàn)，弧門(mén)支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫控制不滿(mǎn)足。

(2)閘墩受兩側(cè)弧門(mén)支座推力作用時(shí)，閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積驗(yàn)算：

=335×3.14×142×[2×(cos2°+cos4°+cos6°

+cos8°+cos10°+cos12°+cos14°+cos16°

+cos18°+cos20°+cos22°+cos24°)+cos0°]

=4304.84kN

≥KFk=1.20×1.20×2802.0=4034.9kN

(7)

可見(jiàn)，閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積滿(mǎn)足。

(3)弧門(mén)支座的剪跨比a/h0=400/(2500-50)=0.163<0.3，且其截面尺寸驗(yàn)算：

0.7ftkbh=0.7×1.27×1500×2500

=3333.8kN>Fk=2802.0kN

(8)

可見(jiàn)，弧門(mén)支座截面尺寸滿(mǎn)足。

(4)弧門(mén)支座的受力鋼筋截面面積驗(yàn)算：

As=8×3.14×132=4245.3mm2

=2458.1mm2

(9)

可見(jiàn)，弧門(mén)支座受力鋼筋截面面積滿(mǎn)足。

綜上所述，2#閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積、弧門(mén)支座截面尺寸和弧門(mén)支座受力鋼筋截面面積皆滿(mǎn)足要求，但弧門(mén)支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的抗裂不滿(mǎn)足，2#閘墩弧門(mén)支座附近閘墩的局部受拉區(qū)會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和破壞，這與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)2#閘墩左右側(cè)弧門(mén)支座與閘墩接觸部位上游面邊線(xiàn)分別存在長(zhǎng)度為8.4cm和10.1cm細(xì)裂縫是相符的。

5 結(jié)論

本文基于多源信息融合診斷技術(shù)和規(guī)范公式法實(shí)現(xiàn)了無(wú)資料溢流壩結(jié)構(gòu)安全復(fù)核。計(jì)算結(jié)果如下：

(1)結(jié)果表明：溢流壩所有閘墩及弧門(mén)支座皆為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，2#閘墩及其兩側(cè)弧門(mén)支座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最低。

(2)結(jié)果還表明：2#閘墩兩側(cè)弧門(mén)支座的閘墩局部受拉區(qū)的抗裂不滿(mǎn)足，這與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)2#閘墩左右側(cè)弧門(mén)支座與閘墩接觸部位上游面邊線(xiàn)分別存在長(zhǎng)度為8.4cm和10.1cm細(xì)裂縫是相符的，應(yīng)進(jìn)行加固。

(3)由于回彈法精度受限和未考慮鋼筋強(qiáng)度折減，計(jì)算結(jié)構(gòu)可能存在偏差，實(shí)際運(yùn)用在應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行檢測(cè)手段和計(jì)算方法優(yōu)化，并加強(qiáng)信息化監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)早期識(shí)別、預(yù)警和應(yīng)急處置。