閘室外包混凝土在臥虎山水庫除險加固工程中的應用

李志乾，董永霞

(1.黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州 450003；2.商丘市水利建筑勘測設計院，河南 商丘 476000)

閘室外包混凝土在臥虎山水庫除險加固工程中的應用

李志乾1，董永霞2

(1.黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州 450003；2.商丘市水利建筑勘測設計院，河南 商丘 476000)

針對臥虎山水庫溢洪閘閘室結構裂縫成因、結構受力等問題的分析,臥虎山水庫溢洪閘閘室采用外包混凝土的加固措施,消除閘室存在的結構病險,完善閘室運行功能。實踐證明,該措施技術可行,經濟可靠,對大型水閘病險處理具有寶貴的借鑒價值。

溢洪閘；除險加固；臥虎山水庫；加固設計

1 工程概況

臥虎山水庫位于濟南市歷城區仲宮鎮境內，錦繡川、綿陽川、錦云川三川匯流處的玉符河上游，是一座具有防洪、灌溉和城市供水為一體的大型水庫，屬黃河水系，水庫流域面積557 km2。

溢洪閘工程位于大壩左岸，為壩肩式溢洪閘，共5孔，單孔14 m，總凈寬70 m，閘室總長28 m，中墩寬2.0 m，長25 m，閘底板高程118.3 m，最大墩高24.78 m，閘室分縫位于各底板跨中。

閘底板設一低駝峰，堰頂高程121.0 m，設工作閘門一道，為弧型鋼閘門，閘門尺寸14 m×11 m。

臥虎山水庫溢洪閘于 1976年在拆除原溢洪閘后新建。

2007年4月經對溢洪閘進行安全鑒定，臥虎山水庫溢洪閘存在下列病險：

1)閘墩、底板發生多道橫向、豎向裂縫；混凝土碳化深度平均50 mm，超過混凝土保護層厚度。

2)溢洪閘無檢修閘門，無法保證工作閘門的正常檢修；現有工作閘門銹蝕嚴重，鋼絲繩、滾輪銹蝕，行洪時無保障。

3)閘門止水橡膠老化，漏水嚴重，且閘門止水不具備檢修條件[1-2]。閘門門頂高程135.0 m，閘門高度不滿足水庫防洪運用要求。

4)交通橋荷載標準為汽-13級，設計標準偏低，不滿足現狀交通要求。

5)弧門牛腿推力最大推力428.8 t，最小264.5 t，不滿足現有閘門推力700 t的設計要求。

2 裂縫成因分析

為了分析裂縫成因，采用ANSYS結構分析軟件，對溢洪閘在運行情況下閘室結構的應力應變進行數值計算分析。

通過計算，溢洪閘閘室:

1)在溫降工況下，在底板下游區域均會出現范圍較大的拉應力區，中墩σz約7 MPa，邊墩約8 MPa，可能導致底板產生開裂，與實際檢測到的底板橫向裂縫吻合，底板裂縫可判斷是由溫度降低所引起。

2)閘室左側的Ⅱ號滑坡體對邊墩安全的影響較大，在計算工況下將使邊墩產生過大的位移(x向最大位移近0.22 m)、過大的拉應力(44 MPa，分布于邊墩內下側)和過大的壓應力(68 MPa，分布于邊墩外側，即臨水側)[3-4]。

3)正常運行下，水壓作用對中墩的影響不大，但在牛腿附近會產生應力集中拉應力最大達到z向5.1 MPa。

最大主應力為10.4 MPa，實際檢測到的閘墩上有水平縫存在，可以判斷只要施工中存在水平縫或施工質量較差，就會導致閘墩上水平裂縫的產生。

4)溫升工況對閘墩及底板的影響較小。

由于溢洪閘已經運行近30 a，至今沒有破壞性的事故發生，表明閘室左岸滑坡體還沒有產生嚴重的滑動，閘室裂縫與滑坡體無關，否則滑坡體產生的滑動推力將使整閘事發生毀滅性的破壞而不是限于開裂[5-6]。同時，結合對閘室結構的復核以及對閘室施工情況的調查，可以判斷得出閘墩貫穿性裂縫是由于結構配筋不足以及施工因素導致的，閘室底板貫穿裂縫是由于運用期溫度應力過大導致的。閘室裂縫素描圖見圖1。

圖1 閘室裂縫素描圖

3 閘室外包加固設計

3.1 加固方案的選擇及加固思路

臥虎山水庫大壩溢洪閘等原設計標準為10 000 a一遇洪水校核，此次加固是按5 000 a一遇校核洪水的標準。

根據臥虎山水庫防洪的運用原則和對溢洪閘泄洪能力的復核，溢洪閘閘墩、閘底板具備增大結構斷面進行加固治理的條件。通過對拆除重建閘室和閘室外包混凝土兩個方案的工程投資、施工工期及技術可行性等方面的比較，最終選用了閘室外包混凝土的加固方案。

閘室外包混凝土方案主要是根據溢洪閘泄洪要求，確定閘墩、閘底板截面加大的尺寸，對原閘結構裂縫、配筋不足的結構性缺陷，采取閉縫灌漿、外包混凝土并重新配置結構受力鋼筋進行解決。

對于鋼筋密集的弧門牛腿，再次布置牛腿鋼筋比較困難，采取拆除整個牛腿重新進行設計。

同時在閘墩、閘底板外包混凝土的過程中，增設檢修閘門門槽及弧門檢修孔，修復止水，重新設計混凝土閘門、啟閉機房、按最新交通要求，恢復閘頂交通橋等。

為保證新澆混凝土與原結構混凝土結合緊密，除鑿除原結構碳化混凝土外，并鑿毛老結構表面，在新老混凝土之間涂刷界面劑、布置插筋。

3.2 加固設計

加固設計內容包括：現狀閘室裂縫灌漿及修補、現狀閘室拆除、鑿毛及設置插筋、閘墩、閘底板化學植筋和閘墩、閘底板外包混凝土。

3.2.1 現狀閘室裂縫灌漿及修補

根據裂縫部位、寬窄、深淺及是否為貫穿裂縫等不同情況，對閘墩、閘底板出現的延伸長度>5 m，裂縫深度>50 cm(底板)或深度>20 cm(閘墩)的較寬裂縫(δ>0.5 mm)，采用環氧樹脂進行灌漿修補。裂縫閉縫灌漿見圖2。

圖2 裂縫閉縫灌漿

3.2.2 現狀閘室拆除、鑿毛及設置插筋

根據閘墩牛腿影響范圍，將牛腿下游8.5 m×9.5 m范圍內閘墩混凝土進行拆除。同時為保證新老混凝土黏結效果，將閘墩、閘底板混凝土碳化層進行鑿除，鑿除深度5 cm，并在新老混凝土之間布置插筋，插筋間排距1.0 m，梅花形布置。中墩插筋對穿閘墩，與新布的閘墩兩側鋼筋進行焊接,形成整體，底板、邊閘墩插筋伸入老混凝土端0.75 m，外露插筋同樣與新布的鋼筋焊接，形成整體。

鑿毛后的混凝土表面要求半露骨料，對于碳化深度較大及局部有損傷的部位，根據實際情況對鑿毛深度相應加大。拆除、鑿毛、插件布置見圖3。

圖3 拆除、鑿毛、插件布置

3.2.3 閘墩、閘底板化學植筋

為保證重新布置的閘底板鋼筋、閘墩鋼筋承荷效果，底板鋼筋及閘墩縱向鋼筋采用化學植筋，單根植筋深度公式為：

ld≥ΨnΨcmls[1]

(1)

式中：ΨN為植筋受拉力影響的修正系數，Ψcm為植筋位移延性修正系數。

新植鋼筋部分是澆筑在外包混凝土中，因此在老混凝土中的植筋深度需考慮外包混凝土對鋼筋的錨固作用。

經過計算，扣除新澆混凝土的錨固后，閘墩、閘底板鋼筋在老混混凝土結構中的植筋深度取0.75 m。

閘墩及閘底板的大范圍采用化學植筋，在閘墩根部造孔密集，對原閘結構破壞較大。為了減少對老結構的破壞，植筋分兩排間隔進行，內側的植筋與外側鋼筋進行搭接連接。分兩排間隔植筋見圖4。

圖4 分兩排間隔植筋

3.2.4 閘墩、閘底板外包混凝土

臥虎山水庫溢洪閘起調水位為正常蓄水位130.5 m，根據泄洪復核計算，將閘底坎抬高0.50 m，過流凈寬由原來的70.0 m調整為65.0 m，最大下泄流量7 030 m3/s，此時校核洪水位137.51 m，相應計算所需最大壩頂高程139.19 m，小于現狀大壩壩頂及閘室頂高程139.50 m，滿足防洪要求，閘底板、閘墩具備外包混凝土0.5 m的加固條件。

原閘室混凝土為200號混凝土，閘墩配筋面積1 546 mm2，底板配筋面積4 926 mm2，混凝土標號及配筋均較低。

外包混凝土強度根據GB50367—2006提高一個等級且≥C25，采用C30混凝土，外包后閘墩鋼筋不考慮已有閘墩鋼筋，按新配鋼筋考慮。

隨同外包增大閘墩、閘底板的斷面尺寸、中閘墩的加長，增設檢修門槽、弧門檢修孔，重新恢復弧門牛腿、閘頂啟閉機房、交通橋等，同時根據水庫防洪要求，重新設計閘門及啟閉設備等，以完善閘室的功能。閘結構外包混凝土見圖5。

圖5 閘結構外包混凝土

4 結 語

大型水利工程老混凝土“穿衣戴帽”的情況，目前可以借鑒的工程實例不多。

臥虎山水庫溢洪閘除險加固設計采用外包50 cm厚混凝土消除了原閘室的結構開裂、碳化、止水滲漏、弧門牛腿推力不足等結構安全隱患。

同時在外包混凝土的同時，增設檢修閘門、重建交通橋及弧形閘門等，完善閘室缺損的功能，既實現了閘室出險加固的目的,也為大型水利工程“穿衣戴帽”提供寶貴的借鑒經驗。

[1]梁壇,王永維，等.GB50367—2006混凝土結構加固設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006：69-72.

[2]李小兵，劉琳琳，劉建國，羅旭濤.土工膜在臥虎山水庫除險加固工程中的應用[J].民營科技，2010(04)：154-155.

[3]李志乾，耿波.臥虎山水庫除險加固設計[J].科技創新與應用，2014(33)：225-226.

[4]嚴祖文，魏迎奇，張國棟.病險水庫除險加固現狀分析及對策[J].水利水電技術，2010,41(10)：76-79.

[5]何陣營.病險水庫除險加固項目管理特性探討[J].水利建設與管理，2007(10)：32-33.

[6]肖秀芹.小型水庫除險加固設計中存在主要問題及其對策[J].科技創新導報，2014(03)：76.

1007-7596(2014)12-0229-03

2014-04-21

李志乾(1974-)，男，河南鄭州人，工程師，從事水利工程設計工作；董永霞(1960-)，女，河南商丘人，工程師。

TV662；TV698.2

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