近尾洲水電廠泄洪閘閘墩裂縫成因研究分析

傅 旭

（五凌電力公司近尾洲水電廠 衡陽市 421127）

引 言

近尾洲水電廠位于湘江中游，是湘江干流開發(fā)規(guī)劃中的第五級電站，是一個以發(fā)電為主、兼具航運、灌溉等綜合效益的工程。壩址以上控制流域面積28 600 km2，多年平均流量752m3/s，總庫容4.6億m3，電站總裝機容量為63.18MW，設(shè)計水頭6.8m，為徑流式低水頭電站，設(shè)22孔泄洪閘，6孔為平底閘、16孔為實用堰；近尾洲水電站工程于1994年9月開工建設(shè)，2002年9月工程通過竣工安全鑒定和竣工質(zhì)量鑒定，2010年通過首次大壩安全定期檢查。

2010年9月進(jìn)行首次大壩安全定期檢查工作中，提出大壩泄洪閘閘墩液壓油缸支鉸附近等部位存在的裂縫應(yīng)重點關(guān)注，根據(jù)大壩定檢的鑒定意見，2010年10月電廠組織進(jìn)行了全面檢查，2012年組織進(jìn)行了“泄洪閘薄壁閘墩裂縫對其安全穩(wěn)定性影響研究”項目，對閘墩混凝土外觀、強度進(jìn)行檢查檢測，對閘墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，以對泄洪閘閘墩裂縫成因進(jìn)行研究分析及提出后續(xù)處理意見。檢查、研究發(fā)現(xiàn)近尾洲溢流壩23個閘墩均有裂縫分布、共計發(fā)現(xiàn)裂縫352條，貫穿性等部分裂縫對閘墩結(jié)構(gòu)安全性存在不利影響，部分裂縫對閘墩的安全穩(wěn)定性在短時間內(nèi)沒有太大的影響，但由于裂縫的存在，將鋼筋暴露在外部，極易將鋼筋腐蝕，長此以往對閘墩的安全穩(wěn)定性同樣存在不利影響。

1 泄洪閘閘墩檢測情況

近尾洲工程溢流壩系閘壩型式，總長358.2m，閘壩底寬24m，最大壩高26m，共設(shè)22孔溢流孔口，其中 1#～6#孔為平底閘、7#～22#孔為實用堰（WES堰型）， 其中 0#閘墩厚 4m，1#～6#閘墩厚 2.2m，7#～21#閘墩厚2m，22#閘墩厚3m，溢流壩閘墩屬于薄壁閘墩，閘墩配筋為常規(guī)鋼筋、未采用預(yù)應(yīng)力鋼筋，沿弧門支臂方向布設(shè)有射線鋼筋。閘孔采用露頂式鋼質(zhì)弧門擋水，使用液壓啟閉機啟閉閘門，啟閉機與閘墩聯(lián)結(jié)。表1為閘門主要技術(shù)參數(shù)。

表1 閘門主要技術(shù)參數(shù)表

1.1 檢測方法及部位

檢測主要進(jìn)行了以下項目：

（1）表觀檢測：檢查全部閘墩的鋼筋混凝土等材料表面的顏色，腐蝕層厚度、混凝土脫落及其他表面物理特征，分析確定破壞程度，檢查整體結(jié)構(gòu)的裂縫、變形和構(gòu)件的局部破壞情況，統(tǒng)計裂縫分布的部位與規(guī)律，定性分析裂縫、變形的性質(zhì)。

（2）材料強度的檢測：采用回彈法、超聲波法、取芯法檢測混凝土強度。

（3）混凝土強度檢測測區(qū)布置：

① 裂縫檢查：溢流壩23座閘墩混凝土裂縫；

② 混凝土碳化及回彈檢查：溢流壩23座閘墩兩側(cè)閘墻混凝土，每個閘墩左右兩側(cè)閘墻均勻布置12個測區(qū)，測區(qū)見附圖。

③ 混凝土超聲檢查：溢流壩23座閘墩兩側(cè)閘墻混凝土。每個閘墩左右兩側(cè)閘墻均勻布置6個測區(qū)，測區(qū)見附圖。

④ 混凝土取芯：在溢流壩 1#邊墩、5#、10#、15#、18#閘墩頂部壩軸線處各取一組芯樣（每組3～6個芯樣），共 5組。

1.2 檢測情況

1.2.1 裂縫檢查情況

近尾洲溢流壩共23個閘墩（閘墩結(jié)構(gòu)圖參考附圖），每個閘墩上均有裂縫分布，共發(fā)現(xiàn)裂縫352條，裂縫分布范圍和形式主要有以下幾種：

附圖 閘墻混凝土回彈及超聲測區(qū)布置示意圖

（1）溢流壩23個閘墩距壩軸線上游約2.3m，高程75m，閘墩頂部與弧門液壓站房樓梯的結(jié)合部位兩側(cè)均有斜向下游15°～45°（少數(shù)為垂直向）裂縫分布。 裂縫長度（0.5～3）m 之間，裂縫寬度（0.05～0.2）mm之間，大部分裂縫深度在（100～500）mm 之間，少數(shù)裂縫深度在500mm以上，局部析出鈣化物。這個部位的裂縫主要為B類、C類裂縫。

（2）溢流壩23個閘墩中部，即壩軸線上游1.5 m～壩軸線下游5.5m之間，均有近似垂直向的裂縫分布。 裂縫長度（1.0～10）m 之間，裂縫寬度（0.05～0.6）mm之間（個別裂縫寬度1.0mm左右），大部分裂縫深度在（200～1 000）mm 之間，少數(shù)裂縫深度在1 000mm以上，局部析出鈣化物。這個部位的裂縫主要以C類裂縫為主，部分為D類裂縫。

（3）溢流壩23個閘墩支鉸的預(yù)埋件兩側(cè)附近，即壩軸線下游5.5m～壩軸線下游8.0m之間，有近似垂直向的裂縫和環(huán)形裂縫分布。裂縫長度（0.5～5）m 之間，裂縫寬度（0.05～0.3）mm 之間（少數(shù)裂縫寬度 0.3mm～0.5mm 之間），裂縫深度在（100～600）mm之間，局部析出鈣化物。這個部位的裂縫主要為C類裂縫。

（4）溢流壩23個閘墩牛腿附近，即壩軸線下游8.0m～壩軸線下游13.0m之間，有近似垂直向的裂縫和斜向裂縫分布。裂縫長度（0.2～4）m之間，裂縫寬度（0.05～0.3）mm 之間 （少數(shù)裂縫寬度 0.3mm～0.6mm之間），大部分裂縫深度在（100～800）mm 之間，少數(shù)裂縫深度在（800～1 000）mm之間，局部析出鈣化物。這個部位的裂縫主要為C類裂縫，個別為D類裂縫。

（5）經(jīng)過統(tǒng)計，大于0.25mm裂縫寬度有38條，裂縫寬度最寬的為1mm（17#閘墩），裂縫寬度大于0.25mm且深度達(dá)到1.0m以上有17條；裂縫深度大于0.3m有243條，閘墩相對應(yīng)部位裂縫深度到（1.0～1.5）m（＞1/2 閘墩厚度）的裂縫有 27 條；閘墩相對應(yīng)部位裂縫深度達(dá)到1.5m以上 （＞3/4閘墩厚度）的裂縫有16條；貫穿性裂縫共有16條，主要分布在 15#閘墩 （4 條）、16#閘墩 （3 條）、14#閘墩（2條）、3#、5#、7#、12#、13#、17#、20#閘墩（各 1 條），這些裂縫對閘墩結(jié)構(gòu)的安全有較大的影響。

1.2.2 混凝土強度檢測

各閘墩混凝土強度最高值為19#閘墩的23.4 MPa，最低值為0#閘墩的12.7MPa，閘墩混凝土平均強度為17.7MPa之間，由抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值推得溢流壩段閘墩混凝土實際強度等級為C25。

1.2.3 碳 化

各閘墩最大碳化深度為21mm，碳化深度小于鋼筋保護(hù)層厚度，但由于閘墩裂縫較多，裂縫部位鋼筋仍然可能發(fā)生銹蝕，非裂縫處的鋼筋還在混凝土堿性保護(hù)之中，鋼筋暫時不會生銹。

1.2.4 混凝土性能檢測

閘墩的單個芯樣混凝土強度最大為23.0MPa，最小為13.1 MPa，抗壓強度推定為13.5 MPa，推出閘墩混凝土強度等級為C20；溢流壩閘墩混凝土彈性模量為2.25×104MPa，根據(jù)規(guī)范可以看出溢流壩閘墩混凝土彈性模量與C15相當(dāng)；通過混凝土強度及性能檢測表明溢流壩閘墩混凝土還處于較良好的狀態(tài)。

2 閘墩結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 閘墩平面復(fù)核驗算

（1）平底閘段結(jié)構(gòu)復(fù)核計算。

① 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范驗算作用在閘門上的靜水壓力、溢流壩段平底閘段閘墩一側(cè)弧門支座的推力為5 130 kN，啟門瞬間的側(cè)向推力為6 208.445 kN。

② 閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積驗算見表2。

③ 弧門支座附近閘墩局部受拉區(qū)的裂縫控制計算見表3。

表2 平底閘段扇形鋼筋截面面積成果表

表3 平底閘段扇形鋼筋截面面積成果表

（2）消力池、護(hù)坦段段結(jié)構(gòu)復(fù)核計算。

① 一側(cè)弧門支座的推力為3 489 kN，瞬間的啟門力為4 151.05 kN，而作用于油缸支鉸處對溢流壩消力池段閘墩的拉力為603.52 kN。

② 閘墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積驗算見表4。

③ 弧門支座附近閘墩局部受拉區(qū)的裂縫控制計算見表5。

（3）復(fù)核驗算小結(jié)。

① 平底閘段中墩和邊墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；平底閘段中墩和邊墩受拉區(qū)裂縫控制均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表4 消力池、護(hù)坦段段扇形鋼筋截面面積成果表

表5 消力池、護(hù)坦段段閘墩受拉區(qū)裂縫控制安全復(fù)核成果表

② 消力池、護(hù)坦段中墩和邊墩局部受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積均不滿足現(xiàn)行新規(guī)范要求；消力池、護(hù)坦段中墩和邊墩受拉區(qū)裂縫控制均不滿足現(xiàn)行新規(guī)范要求。

③ 根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5057-2009）第13.10.2條的要求，閘墩扇形鋼筋延伸長度應(yīng)≥2.5 h，溢流壩閘墩扇形鋼筋延伸長度剛好滿足要求，富裕度不大。

2.2 閘墩三維有限元計算

采用混凝土材料的非線性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行非線性有限元法模擬計算，根據(jù)Mises應(yīng)力圖、第一主應(yīng)力圖、Mises等值線圖、第一主應(yīng)力等值線圖、雙側(cè)受力下溢流壩消力池“X、Y、Z”方向位移圖、單側(cè)受力下溢流壩消力池“X、Y、Z”方向位移圖、單側(cè)受力下溢流壩消力池閘墩第一主應(yīng)力矢量圖等計算結(jié)果表明：

（1）閘墩在自重+水壓力+弧形閘門推力（閘墩兩側(cè)工作閘門同時關(guān)閉）的共同作用下（設(shè)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)），牛腿附近的拉應(yīng)力最大，然后沿著閘墩向外圍逐漸減小。

（2）混凝土破壞的主要因素是最大拉應(yīng)力，從第一主應(yīng)力等值線可以看出，閘墩從臺階處到牛腿處拉應(yīng)力值為（0.13～2.537）MPa。

（3）從主應(yīng)力圖中可以看出，結(jié)構(gòu)絕大部分區(qū)域在自重和靜水壓力以及弧形閘門推力的作用下處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力數(shù)值比較小。在牛腿受荷面與閘墩連接處發(fā)生應(yīng)力集中，第一主應(yīng)力達(dá)到最大值，但個別節(jié)點（牛腿受荷面的角點處）的拉應(yīng)力達(dá)到了2.348MPa，明顯超過了C20混凝土的最大抗拉強度設(shè)計值1.10MPa。

（4）從計算結(jié)果可以看出，溢流壩閘墩在臺階上游側(cè)絕大部分拉應(yīng)力幾乎為零，所以很少會出現(xiàn)受拉破壞而產(chǎn)生的拉應(yīng)力裂縫，這與現(xiàn)場檢驗的結(jié)果基本上是一致的。

（5）從計算結(jié)果可以看出，閘墩在受一側(cè)弧門推力作用時，空間位移都比受二側(cè)弧門推力作用時明顯要大許多；在單側(cè)弧門推力下，受推力作用面主要承受拉應(yīng)力，而另一側(cè)未受推力作用面主要承受壓應(yīng)力，因此相對于雙側(cè)受推力作用更容易遭受受拉破壞。在牛腿及閘墩復(fù)核驗算部分，弧形閘門在受一側(cè)推力作用下的承載能力明顯低于閘門受二側(cè)推力作用下的承載能力。在牛腿附近拉應(yīng)力值較大，最大達(dá)到了2.547MPa，這個應(yīng)力值已經(jīng)超過了C20混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，容易受拉破壞。

（6）根據(jù)三維有限元的計算結(jié)果可以看出：閘墩裂縫的分布規(guī)律與閘墩受力狀態(tài)比較吻合，可見閘門推力是閘墩裂縫產(chǎn)生的原因之一。

2.3 溫度應(yīng)力對閘墩的影響

使用ANSYS軟件熱-結(jié)構(gòu)耦合場分析，計算中考慮了混凝土分層澆筑（利用生死單元實現(xiàn)）、層厚、施工間歇、水動熱溫升變動、徐變、材料不同分區(qū)、澆筑溫度、對流邊界條件、重力荷載等條件和因素，氣溫采用實測氣溫的平均值，結(jié)果表明：

（1）經(jīng)過28天的澆筑，溢流壩消力池段閘墩的第一溫度主應(yīng)力在閘墩底下部分達(dá)到最大值，然后以它為源點不斷減小，最大處達(dá)到9.215MPa，最小處為-0.071 27MPa，而閘墩的Mises溫度應(yīng)力最大處達(dá)到12.506MPa，應(yīng)力分布與第一主應(yīng)力類似。

（2）根據(jù)計算結(jié)果可以看出：溫度應(yīng)力的分布規(guī)律與閘墩裂縫分布不相符，可見溫度應(yīng)力不是產(chǎn)生裂縫的主要原因。

（3）由于缺乏有關(guān)施工期溫度的相關(guān)資料和信息，故溫度應(yīng)力計算所取的各項參數(shù)都是根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)參考而來，溫度應(yīng)力計算結(jié)果僅作為溫度對閘墩裂縫影響的一個參考。

2.4 混凝土開裂模擬計算

在已知溢流壩閘墩裂縫存在的條件下，為了評估裂縫對閘墩的安全穩(wěn)定性的影響，取存在三條貫穿性裂縫的16#閘墩作為計算對象，模擬正常水位作用下裂縫對閘墩應(yīng)力的影響。

模擬計算表明：消力池閘墩裂縫存在下的第一主應(yīng)力與其主應(yīng)力矢量圖與沒有裂縫相比：①應(yīng)力向前（上游）傳遞的量要小，向下傳遞的量要大一點；②局部應(yīng)力有所增加，裂縫端部最大應(yīng)力增大了16%左右；③裂縫對閘墩底部的應(yīng)力影響比較均衡，在量值上沒有大的影響。

3 結(jié)論

1993年設(shè)計院是依據(jù)原SDJ20-78《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對大壩水工混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的，當(dāng)時對弧形閘門支座設(shè)計并沒有硬性要求，1997年電力部修編 《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》后增加了弧形閘門支座設(shè)計內(nèi)容，本研究是依據(jù)《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5057-2009）規(guī)范實施的。通過對混凝土檢測及閘墩結(jié)構(gòu)計算分析表明：

（1）混凝土收縮（包括化學(xué)收縮和自身收縮）是引起閘墩頂部與弧門液壓站房樓梯的結(jié)合部位斜裂縫的主要原因。

（2）閘墩呈現(xiàn)規(guī)律性的垂直裂縫主要分布在閘墩扇形鋼筋受拉區(qū)及弧門支座附近閘墩局部受拉區(qū)，表明混凝土的收縮外加設(shè)計荷載作用下的受拉是造成閘墩中部、支鉸及牛腿附近垂直向裂縫的主要原因，而環(huán)境溫度變化形成的溫度應(yīng)力對裂縫也有一定的影響。

（3）危害。裂縫的出現(xiàn)將造成鋼筋的外露，加快鋼筋的銹蝕，隨著鋼筋不斷的銹蝕、銹蝕物膨脹，使混凝土開裂脫落失去共同受力作用，在溫度效應(yīng)的作用下鋼筋承受裂縫收縮時所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，使鋼筋受損，因而給閘墩的安全運行埋下隱患，且溢流壩閘墩裂縫數(shù)量較多，且有不少裂縫深度大于1/2閘墩厚度，對閘墩結(jié)構(gòu)有較大的影響，根據(jù)規(guī)范的要求，應(yīng)對閘墩裂縫采取封口灌漿等加固處理措施。

（4）裂縫形成的主要原因是由于閘墩牛腿附近拉應(yīng)力值較大，受拉區(qū)的扇形局部受拉鋼筋截面面積及閘墩裂縫控制均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，應(yīng)對閘墩進(jìn)行補強加固，保證結(jié)構(gòu)的安全運行。

4 后續(xù)處理

根據(jù)大壩定檢要求及“泄洪閘薄壁閘墩裂縫對其安全穩(wěn)定性影響研究”項目研究成果，目前近尾洲電廠每年對泄洪閘墩裂縫建立了檔案并進(jìn)行定期檢查，同時計劃在2013～2015年開展對泄洪閘閘墩加固及處理，消除裂縫對閘墩的影響，確保大壩運行安全。

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