埃塞俄比亞TENDAHO溢洪道閘墩及弧門支座加固設(shè)計(jì)

劉蕓華，史明涓，劉　洋，厲　凱

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330029；2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

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埃塞俄比亞TENDAHO溢洪道閘墩及弧門支座加固設(shè)計(jì)

劉蕓華1，史明涓2，劉洋1，厲凱1

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 南昌 330029；2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

摘要：針對(duì)本工程溢洪道閘墩預(yù)應(yīng)力錨桿發(fā)生斷裂，導(dǎo)致弧門支座承載能力不足的請(qǐng)況，進(jìn)行斷裂原因分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)和工程施工狀況，通過分析和計(jì)算，提出了取消原鋼梁支座、增加鋼筋混凝土牛腿作為弧門支座、在閘墩表面局部受拉扇形區(qū)設(shè)置鋼板條替代受拉鋼筋的加固處理方案。該加固處理方案解決了弧門支座承載能力不足的問題，研究成果對(duì)類似工程問題的處理有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：弧門支座；后貼式鋼梁；預(yù)應(yīng)力錨桿；牛腿；鋼板條

弧形閘門的支座和閘墩共同承擔(dān)弧門支臂傳來的水壓力，其可靠性直接關(guān)系到泄水建筑物能否安全運(yùn)行。當(dāng)存在結(jié)構(gòu)缺陷，如設(shè)計(jì)配筋不足、材料老化等情況，必須及時(shí)進(jìn)行處理或補(bǔ)強(qiáng)加固[1-2]，具體實(shí)施時(shí)可采用植筋、布置碳纖維、施加預(yù)應(yīng)力等方式[3-16]。本文針對(duì)埃塞俄比亞TENDAHO溢洪道弧形閘門支座預(yù)應(yīng)力錨桿斷裂缺陷引起的承載能力不足，提出了相應(yīng)的處理方案并進(jìn)行了計(jì)算分析，確保了工程的安全運(yùn)行，研究成果對(duì)類似工程問題的處理具有一定的借鑒意義。

1　溢洪道結(jié)構(gòu)布置及施工情況

位于埃塞俄比亞東北部AWASH河下游的TENDAHO引水樞紐工程，為灌溉渠首工程，旨在保障下游新建和原有幾大灌區(qū)的灌溉用水，灌區(qū)總面積約600 km2。樞紐主要建筑物有大壩、溢洪道、引水隧洞等。溢洪道布置在大壩左岸，由進(jìn)口段、控制閘段、泄槽等組成。控制閘的溢流堰采用實(shí)用堰，分3孔進(jìn)行布置，每孔凈寬為10.5 m。工作閘門為弧形鋼閘門，閘頂設(shè)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行啟閉。閘室中墩及邊墩厚均為3.0 m。設(shè)計(jì)采用當(dāng)?shù)馗叱滔到y(tǒng)，上游設(shè)計(jì)水位為410.4 m，溢流堰堰頂高程400.0 m，閘墩頂高程為403.78 m～417.675 m，閘室建基面高程386.0 m。

原始設(shè)計(jì)采用后貼式鋼梁作為弧形閘門的支座，鋼梁設(shè)置在403.78 m高程上部的閘墩下游端，在閘墩內(nèi)設(shè)高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿，將鋼梁錨固在閘墩上，弧門支鉸通過螺栓固定在鋼梁上。閘門承受的水壓力，通過閘門支臂及支鉸作用于鋼梁上，并通過預(yù)應(yīng)力錨桿傳遞到閘墩。預(yù)應(yīng)力錨桿采用螺紋鋼筋，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fptk=1 080 N/mm2，設(shè)計(jì)值為fpy=720 N/mm2，張拉控制應(yīng)力按0.75fptk考慮，單根錨桿的設(shè)計(jì)張拉力為650 kN。每個(gè)閘墩設(shè)有預(yù)應(yīng)力錨桿40根，左、右兩側(cè)各設(shè)置20根，按網(wǎng)格狀布置。錨桿直徑為32 mm，長(zhǎng)度分別為6 m及10 m，兩種長(zhǎng)度錨桿呈相間布置。

至目前為止，溢洪道已完成土建工程施工和預(yù)應(yīng)力錨桿的安裝，弧形鋼閘門及鋼梁的制作已完成，但還未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。在預(yù)應(yīng)力錨桿安裝完畢后不久，發(fā)現(xiàn)已有8根錨桿相繼發(fā)生了斷裂，已不能滿足溢洪道的設(shè)計(jì)和將來安全運(yùn)行要求，必須及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理。本工程溢洪道閘墩布置詳見圖1。

圖1溢洪道閘墩及弧門支座加固結(jié)構(gòu)布置圖(單位：mm)

2　閘墩及弧門支座加固方案設(shè)計(jì)

本工程弧形門采用的后貼式鋼梁支座受力復(fù)雜，錨桿的產(chǎn)品質(zhì)量、施工工藝和質(zhì)量均不易控制。據(jù)了解，在張拉過程中，部分預(yù)應(yīng)力錨桿的實(shí)際張拉力達(dá)700 kN，超過我國(guó)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](SL191-2008)規(guī)定的允許值650 kN，且錨桿張拉伸長(zhǎng)率達(dá)4 mm/m～6 mm/m，大于設(shè)計(jì)值3 mm/m。經(jīng)分析認(rèn)為，上述情況可能是造成錨桿相繼斷裂的主要原因。

對(duì)于本工程弧門支座加固處理方案的選擇，應(yīng)考慮以下因素：

(1)預(yù)應(yīng)力錨桿是否安全，取決于錨桿本身的產(chǎn)品質(zhì)量、錨桿施工工藝和施工質(zhì)量等多方面因素。因此，剩余未斷裂錨桿的安全性存在不確定性。

(2)根據(jù)我國(guó)規(guī)范《水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范》[6](SL212-98)的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力錨桿錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不得低于C30，但實(shí)際閘墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，已不適合在原閘墩中設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿。

(3)已斷裂的錨桿無(wú)法更換。

(4)受前期已施工的錨桿影響，重新布設(shè)所有預(yù)應(yīng)力錨桿已較困難。

因此，根據(jù)上述原因，提出本工程弧門支座的加固處理方案為：取消原鋼梁支座，采用鋼筋混凝土牛腿作為弧形閘門支座。主要處理方案如下所述：

(1)首先，將下游段閘墩從403.78 m高程加高至410.0 m高程。新加高閘墩高度6.22 m，長(zhǎng)8.6 m～9.8 m，厚3.0 m。

(2)在新加高的閘墩范圍內(nèi)設(shè)鋼筋混凝土牛腿，以替代鋼梁作為弧形閘門支座，閘門支座推力通過牛腿傳遞到閘墩。牛腿突出閘墩面1.0 m，尺寸為2.2 m×1.7 m(高×寬)。

(3)為確保新加高閘墩與原閘墩之間的可靠連接，采取了以下處理措施：在原閘墩頂面上設(shè)置鍵槽，形成凹凸面，對(duì)混凝土凹凸面進(jìn)行鑿毛處理，并設(shè)錨筋以利于新加高閘墩的穩(wěn)定性。403.78 m高程至410.0 m高程之間閘墩面設(shè)32根φ32錨筋，其一端與新加閘墩內(nèi)布設(shè)的鋼筋網(wǎng)焊接，每根錨筋設(shè)計(jì)抗拔力為185 kN。同時(shí)，為充分利用原設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨桿的作用，以提高新加閘墩的穩(wěn)定性，在出露的預(yù)應(yīng)力錨桿端部設(shè)鋼板作為錨固板。錨固鋼板厚30 mm，采用螺栓固定在預(yù)應(yīng)力錨桿尾端。

(4)閘墩由于牛腿集中力作用，在局部扇形范圍產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](SL191-2008)，應(yīng)在閘墩表面的局部受拉扇形區(qū)設(shè)置受拉鋼筋。目前，閘墩混凝土已澆筑完成，已無(wú)法在其表面布設(shè)受拉鋼筋。如在閘墩外側(cè)再新增一層混凝土以解決該問題，其厚度至少達(dá)0.3 m～0.5 m，這勢(shì)必減少原設(shè)計(jì)溢流凈寬，降低溢洪道泄流能力，影響工程的防洪安全。經(jīng)分析和計(jì)算認(rèn)為，可以采用鋼板條替代該受拉鋼筋。因所需鋼板條厚度較薄(厚12 mm)，原設(shè)計(jì)閘墩表面鋼筋的混凝土保護(hù)層厚約為35 mm～40 mm，故可在原閘墩表面混凝土保護(hù)層內(nèi)開淺槽，將鋼板條布設(shè)于槽內(nèi)，并對(duì)鋼板條加以固定和表面保護(hù)即可。鋼板條布置范圍要求等同于扇形受拉鋼筋。鋼板條采用結(jié)構(gòu)膠粘貼在淺槽表面，并利用螺栓將其錨固于閘墩上。

加固處理措施及布置詳見圖1。

3　閘墩鋼板條設(shè)計(jì)與施工工藝

3.1鋼板條截面面積計(jì)算

閘墩鋼板條設(shè)計(jì)計(jì)算考慮基本(設(shè)計(jì)擋水工況)及偶然(地震工況)兩種荷載效應(yīng)組合。設(shè)計(jì)擋水位為410.4 m，地震設(shè)計(jì)烈度為9度。閘墩一側(cè)弧門支座推力設(shè)計(jì)值F在基本組合時(shí)F=5 178.58 kN，偶然組合時(shí)F=5 640.58 kN。由于利用鋼板條代替鋼筋，故可采用計(jì)算鋼筋的方法來計(jì)算鋼板條。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](SL191-2008)，閘墩局部受拉扇形區(qū)受拉鋼板條的截面面積可按下述公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)閘墩受兩側(cè)弧門支座推力作用時(shí)：

(1)

② 閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時(shí)：

(2)

擬選扇形鋼板條21根，鋼板條截面尺寸為120 mm×12 mm(寬×厚)，單層布置，鋼板條布滿35°范圍。經(jīng)計(jì)算：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，弧門支座附近的閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼板條的布置滿足規(guī)范要求。

3.2鋼板條的布置

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，鋼板條的具體設(shè)計(jì)及布置如下：

(1)為了將牛腿上所受之力通過鋼板系統(tǒng)傳遞到閘墩，沿牛腿周邊在閘墩表面布設(shè)4塊鋼板。鋼板寬350 mm及500 mm，厚24 mm，其邊緣緊貼牛腿面；鋼板之間采用焊接形式連接，并用18根錨桿將鋼板錨固于新增閘墩混凝土中；錨桿長(zhǎng)1 000 mm、直徑32 mm；錨桿一端與鋼板之間采用焊接形式連接。

(2)在已施工完成的閘墩混凝土表面開淺槽布設(shè)鋼板條。鋼板條沿扇形發(fā)散的方向并圍繞總水壓力作用線兩邊布置；淺槽設(shè)計(jì)斷面為150 mm(寬)×35 mm(深)；鋼板條寬140 mm，厚12 mm；扇形發(fā)散鋼板條與牛腿周邊的鋼板之間采用焊接形式進(jìn)行連接；在已施工完成的閘墩部位，扇形鋼板條與閘墩混凝土之間采用結(jié)構(gòu)膠粘貼，并設(shè)置M12螺栓進(jìn)行錨固；螺栓間隔1.5 m，深度180 mm。在新增閘墩部位，用錨桿將鋼板條錨固于新增閘墩混凝土中；錨桿長(zhǎng)400 mm、直徑12 mm，間隔1.5 m；錨桿一端與鋼板條之間采用焊接形式連接。

扇形局部受拉鋼板條的布置詳見圖2。

圖2閘墩扇形局部受拉區(qū)補(bǔ)強(qiáng)加固布置圖(單位：mm)

3.3鋼板條粘貼工藝

鋼板條粘貼工藝步驟主要如下：

(1)按設(shè)計(jì)位置及尺寸要求，在已施工完成的閘墩表面開淺槽。

(2)按設(shè)計(jì)位置要求，在淺槽上鉆螺栓孔，用植筋膠安裝固定螺桿。

(3)涂膠粘貼鋼板條。

(4)鋼板條固定：鋼板條粘貼到淺槽后，立即用螺帽夾緊固定。

(5)對(duì)閘墩表面進(jìn)行防護(hù)：將鋼板條與淺槽之間空隙采用高強(qiáng)聚合物水泥砂漿進(jìn)行填抹至與閘墩表面平齊；最后，為維護(hù)閘墩外觀形態(tài)和保護(hù)淺槽鋼板條，在整個(gè)新、老閘墩表面再涂抹一層厚約1 mm～2 mm高強(qiáng)聚合物水泥砂漿。

鋼板條粘貼工藝詳見圖3。

圖3鋼板條粘貼工藝剖面詳圖(單位：mm)

4　結(jié)　語(yǔ)

(1)針對(duì)本工程溢洪道閘門支座所出現(xiàn)的缺陷問題，采用鋼筋混凝土牛腿取代原鋼梁作為弧形閘門支座。計(jì)算表明，這種處理方案技術(shù)上是完全可行合理的。

(2)本加固處理設(shè)計(jì)采用多種措施來保證新增閘墩與原閘墩之間的可靠連接，除了常規(guī)的接觸面鑿毛處理、加設(shè)鍵槽和錨筋以外，還對(duì)原預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行了充分的利用等，進(jìn)一步提高了工程運(yùn)用的安全性、可靠性。

(3)對(duì)于已施工完成的閘墩，采用鋼板條替代扇形受拉鋼筋，解決了無(wú)法在其表面布設(shè)扇形局部受拉鋼筋的問題。而外涂高強(qiáng)聚合物水泥砂漿能對(duì)鋼板條起到防護(hù)的作用。因此，鋼板條對(duì)扇形受拉鋼筋的替代作用是可靠的。這對(duì)于一些類似工程的除險(xiǎn)加固具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張家宏，劉致彬，夏世法.弧形閘門支承結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)[J].大壩與安全,2009，(2):67-70.

[2]陳磊,徐怡.南江水庫(kù)閘墩碳纖維加固處理設(shè)計(jì)探討[J].水力發(fā)電,2011，37(8):39-41.

[3]姜新佩,黨承華,丁聲榮,等.碳纖維布加固閘墩承載力計(jì)算研究[J].水利水電技術(shù),2006，37(8):91-93.

[4]宋春娟,賈彥彬.體外預(yù)應(yīng)力在溢洪道弧形閘門牛腿加固中的應(yīng)用[J].吉林水利,2007,(1):26-27.

[5]中華人民共和國(guó)水利部.SL191-2008．水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

[6]中華人民共和國(guó)水利部.SL212-98．水工預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

[7]呂念東,劉禮華,李翠華.黃壇口水電站新弧形閘門靜力試驗(yàn)及三維有限元分析[J].大壩與安全，2004，(3):75-77，80.

[8]龔召熊，張錫祥，肖漢江，等.水工混凝土的溫控與防裂[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999.

[9]DL/T5057-1996．水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社,1997.

[10]費(fèi)修漁.黃壇口水電站溢洪道弧形閘門的安全檢測(cè)與更新改造設(shè)計(jì)[J].大壩與安全，2002，(4):52-55.

[11]江見鯨,陸新征，葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[12]楊勝,李守義,趙麗娟，等.高拱壩深孔預(yù)應(yīng)力閘墩錨固形式研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2007，(6):79-83.

[13]張家宏,劉致彬,夏世法.弧形閘門支承結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)[J].大壩與安全，2009,(2):67-70.

[14]李守義,郭曉晶,董華峰，等.預(yù)應(yīng)力錨固閘墩有限元分析研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2007，(6):35-38.

[15]李紅.鋼板的錨固可靠度及錨固長(zhǎng)度分析[J].西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，19(3):11-15.

[16]李紅,馬洪寶,潘皓.T型鋼與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，(3):307-311.

ReinforcementDesignoftheSpillwayGatePierandRadialGateBearingofTendahoProjectinEthiopia

LIU Yun-hua1,SHI Ming-juan2,LIU Yang1,LI Kai1

(1.JiangxiWaterConservancyPlanningandDesigningInstitute,Nanchang,Jiangxi330029,China;2.JiangxiInstituteofHydraulicResearch,Nanchang,Jiangxi330029,China)

Abstract：The bearing capacity of the radial gate bracket is insufficient due to the breakage of the pre-stressed anchor rods in the spillway gate pier of Tendaho project.To solve this problem,a reinforcement measure was proposed here after detailed analysis and computation based on the characteristics of structure arrangement and construction condition.According to this measure the steel beam bracket was replaced by reinforced concrete corbel bracket,meanwhile the steel bars in the fan-shaped area on the surface of the gate pier were replaced by the reinforcing steel plates.This measure will solve the problem of lacking bearing capacity at the gate bracket,which has certain referential value to similar projects.

Keywords：radial gate bearing;steel beams attached to the back;pre-stressed anchor rod;corbel;steel plate

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.032

中圖分類號(hào)：TV651.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0160—04

作者簡(jiǎn)介：劉蕓華(1962—)，女，江西南昌人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)與研究工作。

收稿日期：2014-07-21修稿日期：2014-08-27