陸水水利樞紐二號副壩閘墩裂縫成因分析及缺陷處理方案

張俊文 張志新 倪元珍

摘要：陸水水利樞紐2號副壩閘墩出現(xiàn)斜向裂縫，對樞紐工程的安全可靠運行產(chǎn)生不利影響。依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，對閘墩進行結(jié)構(gòu)強度及配筋復(fù)核計算。采用有限元計算，從受力角度進一步分析閘墩斜向裂縫產(chǎn)生的原因。計算結(jié)果表明：弧形工作閘門下游側(cè)附近受閘門支座推力及溫升荷載長期反復(fù)作用，加之閘門支座扇形鋼筋延伸長度不滿足規(guī)范要求，是導致泄洪閘閘墩部位混凝土產(chǎn)生斜向裂縫的主要原因。從裂縫成因、施工條件、工程造價等方面綜合考慮，提出了采用化學灌漿和粘貼鋼板的處理方案，有效控制了裂縫發(fā)展。研究成果可為類似工程裂縫成因分析和缺陷處理提供參考。

關(guān)鍵詞：閘墩裂縫;有限元分析;化學灌漿;粘貼鋼板;陸水水利樞紐

1 工程概述

陸水水利樞紐位于陸水干流山谷出口處，主壩坐落在湖北省赤壁市城區(qū)南端，距京廣鐵路蒲圻鐵路橋上游2 km，距京港澳高速公路、京廣高鐵和107國道陸水大橋上游5～8 km，地理位置十分重要[1]。陸水系長江中游右岸一級支流，源出湘、鄂、贛3省交界的幕阜山北麓，流經(jīng)湖北省的通城、崇陽、赤壁、嘉魚4縣市，在武漢上游約157 km的陸溪口注入長江。陸水干流全長183 km，流域面積3 950 km2，樞紐工程控制流域面積3 400 km2[2]。

陸水水庫總庫容7.42億 m3，是一座以防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、城市供水、航運、養(yǎng)殖、旅游和水利科學試驗任務(wù)的大（2）型綜合利用水利樞紐。工程由主壩和15座副壩、泄洪建筑物、電站廠房、開關(guān)站、南北灌溉渠首、簡易干運垂直升船機等建筑物組成。工程等別為Ⅱ等，永久性主要建筑物級別為2級[3]。

2號副壩原為土壩，后因防洪需要，20世紀80年代改建為泄洪閘，壩頂高程59.0 m，最大壩高16.0 m，壩軸線長102.2 m。泄洪閘閘室分3孔，每孔凈寬12.0 m，閘底板高程46.0 m，兩側(cè)各有3個重力壩段。閘室下游接泄槽段，泄槽出口采用挑流消能方式。

2 閘墩裂縫成因分析

引起閘墩裂縫的因素包括結(jié)構(gòu)與荷載、混凝土原材料、混凝土配合比及施工技術(shù)措施等。國內(nèi)外目前采用的主要加固方法有：裂縫內(nèi)部化學灌漿補強加固，表面涂刷單組份聚脲柔性涂層或彈性環(huán)氧砂漿封閉，外層粘貼高強玻璃纖維布，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固，粘貼鋼板加固及預(yù)應(yīng)力錨桿等[4]。

2.1 閘墩結(jié)構(gòu)布置

泄洪閘共布置4個閘墩，閘墩順水流方向長26.0 m，其中1，4號閘墩為邊墩，寬1.7 m;2，3號閘墩為中墩，寬3.4 m。泄洪閘分為3段，在2，3號閘墩中部分縫，分段長度15.4 m，2，3號閘墩為縫墩。

2.2 閘墩裂縫情況

1～3號閘室左側(cè)閘墩距弧形閘門約20 cm處均存在斜向裂縫，與弧形閘門基本平行，縫長2.8～3.1 m，縫寬均為0.4 mm，縫深57.0～377.2 mm。

2號閘墩裂縫的取芯結(jié)果顯示：該裂縫跨過結(jié)構(gòu)主筋，貫穿于芯樣長度，內(nèi)部裂縫寬度大于表面裂縫寬度，且在鉆芯過程中發(fā)現(xiàn)對側(cè)裂縫出現(xiàn)滲水，推定該裂縫為貫穿裂縫。裂縫情況見圖1。

2.3 結(jié)構(gòu)強度及配筋復(fù)核計算

經(jīng)查閱工程原設(shè)計、施工及運行管理資料，2號副壩混凝土局部強度等級及配筋率低是閘墩產(chǎn)生裂縫的重要原因之一，嚴重影響泄洪建筑物的安全運行。

2.3.1閘墩結(jié)構(gòu)強度復(fù)核計算

2.3.1.1計算條件

閘墩結(jié)構(gòu)順水流方向受力最不利情況是閘門全關(guān)擋水、閘墩承受最大上下游水位差時出現(xiàn)最大縱向力的情況。將閘墩視為固端的整體構(gòu)件，采用材料力學法計算閘墩截面應(yīng)力。

2.3.1.2計算結(jié)果

經(jīng)復(fù)核，縱向受力最不利情況下，閘墩計算截面上的縱向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且小于閘墩混凝土的抗壓強度，閘墩結(jié)構(gòu)強度滿足要求。

2.3.2 弧形閘門支座結(jié)構(gòu)計算

閘墩裂縫與弧形閘門支座受力方向垂直，為分析裂縫成因，對弧形閘門支座結(jié)構(gòu)及扇形鋼筋配筋進行復(fù)核計算。

2.3.2.1計算條件

泄洪孔閘墩厚度B=3.4 m，閘墩中間分縫后單側(cè)厚度1.7 m?；￠T支座尺寸為1.6 m×3.6 m（寬×高）;支座外邊緣高度h1=2.2 m;弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離為0.7 m。按設(shè)計擋水水頭11.0 m計算弧形閘門水平水壓力為7 260.0 kN，豎向水壓力為3 544.5 kN，總推力8 079.0 kN，總推力與水平面角度26.02°。單個弧門支座的閘門推力為4 039.50 kN。

根據(jù)原設(shè)計資料，閘墩混凝土的設(shè)計標號為250號。考慮到泄洪閘已運行近30 a，閘墩和支座的混凝土強度等級取C20，混凝土軸心抗壓強度標準值為13.4 MPa，軸心抗拉強度為1.54 MPa?；￠T支座計算簡圖見圖2。圖中：K為承載力安全系數(shù);F 為閘墩一側(cè)弧門支座推力的設(shè)計值，N;[B′0]為受拉邊局部受拉鋼筋中心至閘墩另一邊的距離，mm;B為閘墩厚度，mm;As為局部受拉鋼筋合力點至截面近邊緣的距離，mm;h為支座高度，mm;h0為牛腿與下柱交接處的垂直截面有效高度，mm;h1 為支座的外邊緣高度，mm;As 為受力鋼筋的總截面面積，mm2;Fk 為按荷載標準值計算的閘墩一側(cè)弧門支座推力值，N;a 為弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離，mm;e0為弧門支座推力對閘墩厚度中心線的偏心距，mm;d為受力鋼筋直徑，mm;Asv為承受集中荷載所需的附加橫向鋼筋總截面面積，mm2;α為牛腿底面的傾斜角，（°）。參數(shù)解釋下同。

2.3.2.2支座結(jié)構(gòu)復(fù)核計算

（1）弧門支座附近閘墩裂縫控制復(fù)核。依據(jù)SL 191-2008 《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]（以下簡稱SL 191-2008 《設(shè)計規(guī)范》），弧門支座附近閘墩的局部受拉區(qū)的裂縫控制應(yīng)滿足如下要求：①當閘墩設(shè)計為中墩時，弧形閘門支座相應(yīng)承受兩側(cè)支座推力，使閘墩沿垂直推力方向形成軸心受拉應(yīng)力狀態(tài)。②當閘墩設(shè)計為縫墩、邊墩時，弧形閘門支座相應(yīng)承受一側(cè)支座推力，使閘墩沿垂直推力方向形成受拉應(yīng)力狀態(tài)[5]。

本工程中墩分縫、縫墩及邊墩計算式均應(yīng)采用閘墩受一側(cè)弧門支座推力作用時的計算公式，即

弧門支座附近閘墩裂縫控制復(fù)核成果見表1。經(jīng)復(fù)核，受一側(cè)弧門支座推力作用時，弧門支座附近閘墩可抵抗支座推力5 086.40 kN，閘墩裂縫控制滿足規(guī)范要求。

（2）閘墩局部受拉區(qū)受拉鋼筋復(fù)核計算。依據(jù)SL 191-2008《設(shè)計規(guī)范》，閘墩局部受拉區(qū)的扇形受拉鋼筋截面面積應(yīng)符合下式：

式中：[Asi] 為閘墩一側(cè)局部受拉有效范圍內(nèi)的第i根局部受拉鋼筋的截面面積，mm2;[fy] 為局部受拉鋼筋的抗拉強度設(shè)計值，N/mm2;[θi] 為第i根局部受拉鋼筋與弧門推力方向的夾角，（°）。

根據(jù)原設(shè)計施工詳圖，弧門支座配置扇形受拉鋼筋采用Φ34與Φ36焊接，共20根，長度4.8 m。

閘墩局部受拉區(qū)扇形受拉鋼筋復(fù)核成果見表2，受拉區(qū)扇形受拉鋼筋截面積滿足規(guī)范要求。

此外，SL 191-2008《設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，閘墩局部受拉鋼筋從弧門支座支承面算起的延伸長度，應(yīng)不小于2.5 h（h為支座高度）。根據(jù)原設(shè)計施工詳圖，閘墩扇形鋼筋從弧門支座支承面算起的延伸長度為5 m，小于2.5h（9 m），不滿足規(guī)范要求。

（3）弧門支座截面尺寸復(fù)核計算。根據(jù)SL 191-2008《設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，弧門支座剪跨比[α/h0]宜小于0.3（[α]為弧門推力作用點至閘墩邊緣的距離）。弧門支座裂縫控制要求：[Fk≤0.7ftkbh] 。支座的外邊緣高度[h1]應(yīng)不小于[h3]。在弧門支座推力標準值[Fk]作用下，支座支承面上的局部受壓應(yīng)力應(yīng)不超過[0.75fc]。

弧門支座截面尺寸復(fù)核成果見表3。復(fù)核結(jié)果表明：弧門支座剪跨比、裂縫控制和局部壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

2.3.2.3 計算結(jié)論

經(jīng)結(jié)構(gòu)強度及配筋復(fù)核計算可得：閘墩結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求;弧門支座附近閘墩裂縫控制滿足規(guī)范要求;閘墩局部受拉區(qū)受拉鋼筋截面面積滿足規(guī)范要求;弧門支座截面尺寸滿足規(guī)范要求;閘墩局部受拉區(qū)的扇形受拉鋼筋延伸長度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.4 有限元計算分析

2.4.1 計算模型

為進一步從受力角度分析閘墩斜向裂縫產(chǎn)生的原因，建立泄洪閘閘室三維有限元模型[6-7]，閘室計算模型和網(wǎng)絡(luò)示意見圖3和圖4。泄洪閘采用閘墩中間分縫型式，并且將一孔閘室底板、基礎(chǔ)及兩側(cè)閘墩作為一個計算整體進行分析。

2.4.2 荷載及邊界條件

有限元計算中主要荷載包括閘墩混凝土自重，閘門最高擋水位時上下游水壓力，閘墩工作閘門作用在牛腿上的推力，工作閘門、檢修閘門啟閉機及排架作用在閘墩頂部的作用力，交通橋重量等。

根據(jù)閘墩裂縫的分布情況分析，該裂縫由閘底板向上延伸，可能為溫升荷載引起的裂縫。因此在有限元計算中考慮閘墩下游側(cè)受氣溫升高后產(chǎn)生的溫升荷載。根據(jù)壩址區(qū)實測多年代表月份月平均氣溫和水庫水溫，閘墩下游側(cè)溫升最大值為20 ℃。

材料參數(shù)取值：基巖容重為27 kN/m3，彈性模量24 GPa，泊松比0.25;混凝土容重25 kN/m3，彈性模量25.5 GPa，泊松比0.167。對基礎(chǔ)底面施加三向位移約束，在閘室橫縫面施加法線方向的約束。通過施加荷載，分析正常蓄水位情況下裂縫的受力情況[8]。

2.4.3 計算結(jié)果分析

未考慮溫升荷載和考慮溫升荷載兩種情況下閘墩截面第一主應(yīng)力分布云圖見圖5。在不考慮溫升荷載時，受閘門支座推力影響，閘門支座附近閘墩存在一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力為0.70 MPa，但該拉應(yīng)力區(qū)的影響有限，裂縫面上最大拉應(yīng)力為0.12 MPa?？紤]溫升荷載時，受庫水溫影響閘墩上游側(cè)溫度較低，下游側(cè)受熱膨脹發(fā)生向下游方向的位移，在溫度應(yīng)力和閘門推力的共同作用下，弧門下游側(cè)閘墩產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.32 MPa，裂縫面上最大拉應(yīng)力為1.02 MPa。據(jù)此分析，溫度荷載和閘門推力可能是閘墩斜向裂縫產(chǎn)生的主要原因。

2.5 裂縫成因綜合分析

根據(jù)閘墩結(jié)構(gòu)強度及配筋復(fù)核計算和有限元計算分析，泄洪閘閘墩距弧形閘門約20 cm處均產(chǎn)生斜向裂縫的主要原因包括：閘門支座扇形鋼筋延伸長度不滿足規(guī)范要求、混凝土抗裂性不足;溫度荷載和閘門推力長期反復(fù)作用[9]。

3 缺陷處理方案

由于裂縫靠近閘墩底部，采用預(yù)應(yīng)力錨固法加固存在施工不便、造價較高等問題。因此，擬確定對該裂縫采用化學灌漿和粘貼鋼板進行處理[10]。

首先對裂縫表面混凝土鑿毛，采取彈性環(huán)氧砂漿封閉縫口，沿逢打騎縫孔和斜孔相結(jié)合的方式對裂縫進行化學灌漿處理。裂縫灌漿孔間距200 mm，為防止對裂縫上部結(jié)構(gòu)造成抬動，過程中控制灌漿壓力。灌漿處理后，跨縫粘貼Q345B鋼板（厚12 mm，寬15 cm，長10 m），閘墩一側(cè)粘貼12塊鋼板，沿閘墩弧門支座呈扇形布置，見圖6。粘貼鋼板后，采用環(huán)氧砂漿保護，保護層厚度2 cm[11]。通過確定的粘鋼處理方案進行有限元計算分析，粘鋼加固前、后裂縫面上第一主應(yīng)力分布云圖見圖7，該面即為閘墩內(nèi)部斜向分布的裂縫表面。粘鋼加固前裂縫面上最大拉應(yīng)力為1.02 MPa，粘鋼加固后裂縫面上最大拉應(yīng)力為0.59 MPa。采取粘鋼加固可明顯降低裂縫面上的拉應(yīng)力，有效控制裂縫發(fā)展。

4結(jié) 語

本文以陸水水庫大壩2號副壩閘墩為研究對象，針對弧形閘門附近閘墩混凝土開裂現(xiàn)象，具體分析裂縫的成因。遵循應(yīng)用新材料、新技術(shù)、新工藝的原則，綜合考慮各種影響因素，提出了采用化學灌漿和粘貼鋼板的裂縫修補處理方案。經(jīng)過分析計算，該方案能有效控制裂縫發(fā)展，降低裂縫對大壩安全運行的影響，確保大壩安全。研究成果可為水利工程混凝土結(jié)構(gòu)各種裂縫成因分析及修補技術(shù)提供一定參考。

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（編輯：李曉濛）