某排沙底孔結構除險加固

李　超，萬克誠，李　洋

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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某排沙底孔結構除險加固

李超，萬克誠，李洋

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

隨著中國部分中小型水電站多年的運行，陸續出現了各種安全問題，為保證水庫安全，需對各病險水庫進行除險加固。文章以某水電站排沙底孔結構為例，針對排沙底孔外包鋼筋混凝土開裂、露筋，采用有限單元法對原結構和加固結構進行了分析計算。最終確定在原有結構基礎上采取加固措施的方法，為排沙底孔結構除險加固提供了一種可行的方案。

除險加固；排沙底孔；有限單元法；水電站

0　前　言

中國建于20世紀 50～70 年代的水電站受當時經濟技術條件的限制，工程建設標準低，施工質量總體偏差，加上長期的管理、維護和更新投入不足，運行維護人員專業技術欠缺，導致工程老化失修嚴重，部分水庫帶“病”運行，存在著嚴重的安全隱患和失事風險[1-3]。

泄洪建筑物結構裂縫、失穩、破壞、無消能工或消能工不完善、基礎淘刷等；輸水建筑物裂縫、斷裂、露筋、剝離、沖蝕、漏水，嚴重影響建筑物結構的整體性和安全性[4]。

本文以某水電站排砂底孔結構為例，該排砂底孔原結構為鋼筋混凝土，過流斷面為矩形，尺寸為3 m×5 m(寬×高)，配筋情況見表1。由于排砂底孔外包鋼筋混凝土開裂、露筋，造成鋼筋銹蝕、斷面減小，對原結構進行配筋復合表明原鋼筋混凝土結構不滿足規范強度和剛度要求，必須采取加固措施。參考文獻[5-7]，加固措施采取減小過流斷面為圓形，直徑2.2 m，增加壁厚16 mm鋼襯。排沙底孔典型剖面結構尺寸見圖1。

表1　原結構底孔配筋表

圖1　　排砂底孔典型剖面　單位：cm;樁號，m

采用有限單元法[8-13]，對原結構和加固結構進行計算，復核了原結構配筋并研究加固結構的可行性。

1　計算模型、參數及工況

1.1計算模型

計算模型直角坐標系原點位于剖面左下角，X軸沿左右岸方向指向右岸，Y軸豎直向上，Z軸沿水流向指向上游。排沙底孔結構剖面采用PLANE182單元劃分網格，打開單元平面應變屬性。考慮到仿真分析主要目的在于分析排沙底孔結構，為減少計算時間，同時保證計算精確，靠近排沙底孔結構的混凝土結構單元劃分緊密，其余遠端混凝土單元劃分稀疏。模型底部3向約束。原結構及加固結構典型剖面有限元模型見圖2、3。

1.2計算參數

本次計算所采用的物理力學參數見表2～4。

表2　混凝土參數表

表3　鋼筋參數表

表4　鋼材參數表

圖2　原結構典型剖面有限元模型圖

圖3　加固結構典型剖面有限元模型圖

1.3工況及作用組合

計算工況考慮正常蓄水位、校核洪水位、施工、檢修和地震工況。考慮到該底孔只在非汛期無泄洪時段閘門擋水檢修，此時下游尾水位低于底孔底高程，與施工工況一樣，只有重力作用，不存在內、外水壓力，對于外包混凝土配筋計算必然不是控制工況；該底孔結構按3級建筑物設計，工程區基本烈度6度，抗震不設防，地震工況也不用考慮；正常蓄水位工況底孔充水，廠房滿發尾水位低于底孔底高程，因此底孔結構存在內水壓力而無外水壓力；校核洪水位工況底孔過流，校核洪水相應下游水位高于底孔底高程，因此底孔結構存在內水壓力和外水壓力。工況及作用組合具體見表[14-15]。

表5　工況及作用組合表

2　計算結果與分析

2.1工況1應力場分析

原結構及加固結構典型剖面工況1應力云圖見圖4～7。

圖4　原結構X向應力云圖

圖5　原結構Y向應力云圖

原結構頂、底部厚度很大，相比左、右邊墻，剛度較大，左、右邊墻類似于兩端固結在頂、底部的豎向梁，結構自重對豎向梁起到預壓應力作用，在內水壓力作用下，左、右邊墻向外側變形。典型剖面X向應力最大值為2.19 MPa，出現在排沙底孔底部靠近左岸側，同時排沙底孔頂部X向應力也較大，大于混凝土抗拉強度設計值，需要采取配筋措施；Y向應力最大值為1.66 MPa，出現在排沙底孔左邊墻外側，同時排沙底孔右邊墻外側Y向應力也較大，大于混凝土抗拉強度設計值，需要采取配筋措施。

圖6　加固結構環向應力云圖

圖7　加固結構Y向應力云圖

加固結構內加鋼襯，在內水壓力作用下，鋼襯與外包混凝土聯合受力，外包混凝土變形量和應力水平降低。典型剖面環向應力最大值為0.53 MPa，出現在排沙底孔底部，同時排沙底孔頂部也存在不大的環向應力；Y向應力最大值為0.04 MPa，出現在排沙底孔左邊墻外側。

2.2工況2應力場分析

原結構及加固結構典型剖面工況2應力云圖見圖8～11。

原結構頂、底部厚度很大，相比左、右邊墻，剛度較大，左、右邊墻類似于兩端固結在頂、底部的豎向梁，結構自重對豎向梁起到預壓應力作用，結構內水壓力遠大于外水壓力，在內、外水壓力作用下，左、右邊墻向外側變形。典型剖面X向應力最大值為1.91 MPa，出現在排沙底孔底部靠近左岸側，同時排沙底孔頂部X向應力也較大，大于混凝土抗拉強度設計值，需要采取配筋措施；Y向應力最大值為1.45 MPa，出現在排沙底孔左邊墻外側，同時排沙底孔右邊墻外側Y向應力也較大，大于混凝土抗拉強度設計值，需要采取配筋措施。

圖8　原結構X向應力云圖

圖9　原結構Y向應力云圖

加固結構內加鋼襯，結構內水壓力遠大于外水壓力，在內、外水壓力作用下，鋼襯與外包混凝土聯合受力，外包混凝土變形量和應力水平降低。典型剖面環向應力最大值為0.46 MPa，出現在排沙底孔底部，同時排沙底孔頂部也存在不大的環向應力；Y向應力最大值為0.04 MPa，出現在排沙底孔左邊墻外側。

2.3配筋計算

根據DL/T5057-2009《水工混凝土結構設計規范》附錄D的配筋方法，綜合2個工況的計算結果，對原結構與加固結構進行配筋計算，結果見表6、7[16]。

圖10　加固結構環向應力云圖

圖11　加固結構Y向應力云圖

表6　原結構典型剖面底孔計算配筋面積表

表7　加固結構典型剖面底孔計算配筋面積表

3　結　語

對比各工況計算結果，工況1是外包混凝土配筋的控制工況。

原結構底孔過流斷面為矩形斷面，在內水壓力作用下，4個角點部位出現應力集中現象，同時邊墻抗彎剛度低，向外變形，導致邊墻外側應力水平高，總之，原結構斷面應力分布不均勻，結構承載能力低，導致鋼筋混凝土開裂、露筋，根據配筋計算結果，底孔頂部、底部和邊墻外側配筋面積不夠，不能滿足規范要求，需加固處理。

加固結構在原結構鋼筋混凝土基礎上減小斷面、增加鋼襯，使鋼襯成為承受內水壓力的主要結構，大大降低底孔孔口附近混凝土拉應力水平，避免應力集中，減小邊墻變形，除孔口附近存在環向拉應力外，其余部位混凝土呈壓應力狀態，應力水平低，斷面應力分布均勻，發揮了鋼材抗拉強度高、混凝土抗壓強度高的優勢，結構承載能力高，根據配筋計算結果，孔口附近配置環向鋼筋較少，施工便利。由分析可知，加固結構設計合理，方案可行，為排沙底孔結構除險加固提供一種思路。

[1]孫繼昌.中國的水庫大壩安全管理[J].中國水利，2008(20):10-14.

[2]吳煥新.病險水庫除險加固治理效果綜合評價體系研究[D].濟南：山東大學，2009.

[3]吳中如.金永強.馬福恒,向衍.水庫大壩的險情識別[J].中國水利，2008(20)：32-33.

[4]井書光,除險加固水庫建筑物水力特性研究[D].天津：天津大學建筑工程學院，2012.

[5]盛金寶,沈登樂,傅忠友.我國病險水庫分類和除險技術[J].水利水運工程學報，2009(04)：116-121.

[6]譚界雄,高大水,周和清,位敏.水庫大壩加固技術[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[7]王萍,夏仲平.病險水庫除險加固中的主要技術措施[J].人民長江，2006(08)：87-88.

[8]丁科,殷水平.有限單元法[M].北京：北京大學出版社，2012.

[9]陳國榮.有限單元法原理及應用[M].北京：科學出版社，2009.

[10]文國治，李正良.結構分析中的有限元法[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010.

[11]任重.ANSYS實用分析教程[M].北京：北京大學出版社，2003.

[12]鄧凡平.ANSYS10.0有限元分析自學手冊[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[13]徐鶴山.ANSYS在建筑工程中的應用[M].北京：機械工業出版社，2005.

[14]國家能源局.混凝土重力壩設計規范:NB/T 35026-2014[S].北京：中國電力出版社，2015.

[15]國家經濟貿易委員會.水工建筑物荷載設計規范:DL 5077-1997[S].北京：中國電力出版社，1997.

[16]國家能源局.水工混凝土結構設計規范:DL/T5057-2009[S].北京：中國電力出版社，2009.

Risk Elimination and Reinforcement of Structure of Sand Sluicing Bottom Outlet

LI Chao, WAN Kecheng, LI Yang

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

With operation of small & mediate hydropower stations for a couple of years, various risks occur continuously. To secure the reservoir safety, reservoirs with risks need to be reinforced with risk elimination. One sand sluicing bottom outlet of a hydropower station is taken for example. Both the existing structure and the reinforcing structure are analyzed and calculated by application of finite element method regarding cracks and reinforcement exposure of the external reinforced concrete of the bottom outlet. Finally, the measures of the reinforcement on the existing structure are taken. It provides reinforcement with risk elimination of sand sluicing bottom outlet with a feasible scheme. Key words:risk elimination and reinforcement; sand sluicing bottom outlet; finite element method; hydropower station

1006—2610(2016)04—0054—04

2016-01-26

李超(1989- )，男，陜西省西安市人，助理工程師,從事水利水電工程水工結構設計工作.

TV673+.3；TV544

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.014