密云水庫小西庫擋水閘右邊墩裂縫安全復核分析

于 茜 張曉軍 劉 寧

(北京市密云水庫管理處，北京 101512)

密云水庫位于北京密云區境內，是華北地區最大的水庫，肩負著南水北調工程中水資源儲備和調蓄的功能，目前處于高水位運行時期。小西庫調節池是密云水庫白河電站尾水調節池西側的一部分，因被修建密云水庫時的運料鐵路專線鐵路橋分隔在調節池西側，故稱小西庫調節池。小西庫調節池擋水閘是小西庫調節池的重要構筑物之一，小西庫調節池的穩定與否，對于調節池的庫容及安全運行有很大的影響。為了檢測小西庫調節池的穩定性，并對可能出現的問題進行及時發現修正，對其閘墩抗滑穩定及結構受力進行了檢測計算。

1 工程概況

密云水庫調節池總庫容503萬m3(已淤積約160萬m3)，有效庫容210萬m3，最高蓄水位94.00m，蓄水最低位91.20m，堤頂總長8507.95m。位于白河大壩下游約4km的白河上，上接白河電站尾水渠，下與京密引水工程相連，也可經泄洪閘放水至下游。包括東堤、中堤、西堤、南堤、小西庫北堤及擋水閘、泄水閘、進水閘, 是密云水庫的一項以取水為主，綜合利用的配套工程。小西庫調節池擋水閘位于調節池小西庫調節池北端，設有3.5m×4m的平板定輪擋水閘門兩扇，非汛期常閉，用以阻擋閘門下游調節池水倒灌閘門上游河床耕地；汛期常開，用以排泄黑山寺局部山洪于調節池內，具有排洪、排澇、減災等作用[1]。由于建成年代較早，混凝土結構存在老化病害。小西庫調節池擋水閘平面布置見圖1。

圖1 小西庫調節池擋水閘平面布置 (單位：mm)

小西庫調節池擋水閘為2孔整體式鋼筋混凝土結構，墩頂設排架柱，排架頂部為啟閉機室。由于建成年代較早，混凝土結構存在老化病害。閘墩頂部高程94.50m，閘室底板頂高程88.50m。閘室凈寬3.5m，中墩厚1.5m，邊墩頂寬1.0m、底寬2.0m，底板厚1.0m。工作門槽部位設高2.0m、寬0.3m胸墻。混凝土標號為150號。閘室順河向長6.0m。圖2為小西庫調節池擋水閘閘墩剖面。

圖2 小西庫調節池擋水閘閘墩剖面

閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門，板梁結構，等高布置。閘門面板支承在由主橫梁、縱梁、邊梁和小橫梁組成的梁格上，面板與梁格直接焊接。主橫梁為工字形截面組合梁，共3根；縱梁為焊接T形截面組合梁，共1根；邊梁為Π形截面組合梁；小橫梁為20號工字鋼，共2根；頂、底梁為60mm×60mm的角鋼。

2 現場安全檢測

2.1 裂縫外觀檢測

對小西庫調節池擋水閘的外觀檢查以目測方法為主，重點檢查混凝土剝蝕、裂縫等外觀缺陷，繪制結構各部位表面剝蝕、裂縫分布等缺陷的位置圖，按照《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB 50204—2002)評定混凝土缺陷等級[2]。

在檢查中發現右側邊墩存在一條較大裂縫，發展方向由閘墩上游墩頭斜向下游至工作閘門閘槽。裂縫上游端距閘底板約2.5m，下游端距閘底板約1.0m，從走向和表面寬度可以看出，該裂縫靠近上游端較寬，向下游端縫寬逐漸減小，裂縫位置及走向如圖3所示。

圖3 裂縫位置及走向

為檢查該裂縫深度，采用直徑100mm工程鉆機跨縫鉆取混凝土芯樣的方法，鉆孔中心距閘墩上游端0.3m，距離底板2.4m。通過鉆芯取樣，探查裂縫寬度為2～3mm，直至深度85cm左右裂縫仍然發育且寬度未減小，取出的芯樣中含有細泥土和植物根須。

鉆孔位置閘墩厚度約1.5～1.6m，在深度85cm位置裂縫仍有發育，裂縫深度已大于閘墩厚度1/2，從檢查情況判斷，靠近閘墩上游部位為貫穿性裂縫[3]。

2.2 右邊墩混凝土檢測

采用回彈法和試劑法分別對擋水閘右邊墩的混凝土強度和碳化深度進行檢測，小西庫調節池擋水閘回彈法檢測混凝土強度結果如表1所列。從表1可看出，右邊墩混凝土結構抗壓強度基本滿足《水工混凝土結構設計規范》(SL/T 191—96)中規定的混凝土指標，但因小西庫調節池擋水閘運行條件屬于新規范(SL 191—2008)規定的三類運行環境“淡水水位變化區”，該運行環境要求的混凝土最低等級為C25，因此小西庫調節池擋水閘混凝土強度已不滿足現行規范(SL 191—2008)的要求。

表1 小西庫調節池擋水閘混凝土強度檢測結果 單位：MPa

小西庫調節池擋水閘碳化深度檢測結果如表2所列，檢測結果表明該結構大部分構件的碳化深度較大，測值均超過或接近鋼筋保護層厚度值。

表2 混凝土碳化深度檢測結果 單位：mm

3 裂縫安全復核計算及分析

3.1 結構安全復核

經現場安全檢測，影響結構安全的主要缺陷為右側邊墩裂縫，鑒于小西庫調節池擋水閘右邊墩開裂較為嚴重，可能影響結構的安全，須對此進行復核分析。

復核裂縫部位的混凝土層面抗滑穩定，使用剛體極限平衡法按照抗剪斷計算公式進行計算。混凝土層面抗剪斷參數參照《混凝土重力壩設計規范》(NB/T 35026—2014)表D.0.3，混凝土層面抗剪斷摩擦系數f′c取1.3，混凝土層面抗剪斷黏聚力c′c取1.6MPa。

作用力函數：

S=ΣPc

(1)

抗滑穩定抗力函數：

R=f′cΣWc+c′cAc

(2)

抗滑穩定系數

K=R/S

(3)

式中 ΣPc——計算層面上全部切向作用力之和，kN；

ΣWc——計算層面上全部法向作用力之和，kN；

f′c——混凝土層面抗剪斷摩擦系數；

c′c——混凝土層面抗剪斷黏聚力，kPa；

Ac——計算層面截面積，m2;

K——抗剪斷穩定系數。

荷載與荷載組合為：工況①非汛期閘門擋下游側調節池水：下游靜水壓力+側向土壓力+結構自重；工況②汛期正常過水：側向水壓力+側向土壓力+結構自重+揚壓力。側向土壓力按照靜土壓力計算，靜土壓力系數取0.4。經計算，工況②為不利工況，計算結果見表3。

表3 混凝土層面抗滑穩定計算結果

從表3可見，計算工況②(正常過水)條件下，裂縫部位的右邊墩混凝土層面不滿足規范中抗剪斷穩定系數應大于1的要求；工況①(閘門下游側擋水)無論是否考慮閘門擋水時的下游水壓作用，裂縫部位的混凝土層面同樣不滿足規范中抗剪斷穩定系數大于1的要求。

3.2 裂縫成因分析

為了更好地控制裂縫和采取有效措施對裂縫進行預防,必須對裂縫的成因機理進行全面的分析。小西庫調節池擋水閘閘墩裂縫的產生主要與墩體內外溫差、結構設計、外部約束等有關,通常是多因素綜合作用的結果。

3.2.1 墩體內外溫差

閘墩作為大體積混凝土，內外混凝土散熱條件不同，外部混凝土和外界環境接觸,散熱條件好，熱量容易散發,內部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成了外部混凝土溫度低于內部混凝土溫度。這樣在升溫和降溫階段都使閘墩內外混凝土形成了同一方向的溫度梯度，導致其變形的不一致。內部膨脹受到外部的限制，或相應的外部收縮受到內部約束，于是在外部混凝土中產生了拉應力。隨著外部混凝土拉應變達到其極限拉應變,裂縫由此產生[4]。裂縫初期很細,隨著時間推移繼續擴大、變深,甚至貫穿。

除了混凝土水化引起的溫度作用外，運行期環境溫度變化也會產生作用，特別是遇到寒潮襲擊、表面溫降特別大時,裂縫發展更為嚴重。

影響內外溫差的主要因素有澆筑入模溫度及環境溫度等。

3.2.2 結構設計

原設計邊墩內側設置了構造筋，外側未配筋，由于混凝土材料是非均質的，承受拉力作用時，截面中各點受力是不均勻的，有大量不規則的應力集中點。這些點由于內部應力(溫度應力、收縮應力、線性膨脹系數差異引起的應力)的疊加使得拉應力首先達到抗拉強度極限，引起局部塑性變形，在無鋼筋處繼續受力，便在應力集中處出現裂縫[5]。因此混凝土的內部配筋不足或配筋不當，將直接導致混凝土的開裂。

3.2.3 外部約束

裂縫發生部位近似于閘墩高度方向距底部1/3處，考慮閘墩頂部胸墻和橋面板的支承作用時，邊墩受力形式近似于回填土壓力作用下的梁，而裂縫開裂的部位恰好是土壓力合力作用處。初步判斷裂縫是因結構承載力不足引起，為了證實上述推測，進行了結構受力分析[6]。如圖7所示，將閘墩按照簡支梁進行受力分析，取結構單寬計算，跨度取6m。

圖4 簡支梁內力分布示意圖

(4)

式中l——計算跨度,m；

q——荷載,kN/m2。

由上式計算得最大彎矩299.3kN·m，距墩頂3.46m(距底板2.54m)，該處墩厚1.58m，故按照《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)對深受彎構件(指跨高比小于5的受彎構件)進行承載力復核，其正截面受彎承載力應符合下列規定：

KM≤fyAsz

(5)

z=ad(h0-0.5x)

(6)

ad=0.80+0.04l0/h

(7)

式中K——承載力安全系數，取1.2；

M——彎矩設計值，N·mm；

fy——鋼筋抗拉強度設計值，N/mm2；

As——縱向受拉鋼筋截面積，mm2，雙層φ16鋼筋；

ad——內力臂系數；

x——截面受壓區高度，mm；

l0——計算跨度，mm；

h——截面高度，mm；

h0——截面有效高度，mm。

經計算，作用力為3.5916×108N·mm，抗力為3.5099×108N·mm，抗力小于作用力，深受彎構件的正截面受彎承載力不滿足《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)中抗力不小于作用力的要求。

根據計算結果，彎矩最大部位距底板2.54m，這與裂縫實際發生的部位一致。考慮到該閘室為整體式結構，閘室左側是山體，結構變形后可能存在整體向右側偏移的現象[7]，而在閘室右側距底板高約2.50m處存在厚50cm的防浪墻混凝土板，其對閘墩的變位亦存在頂推作用，造成閘墩內側受拉，是造成右邊墩裂縫的原因之一。

4 結 論

a.小西庫調節池擋水閘右邊墩存在較寬的橫向貫穿裂縫，裂縫寬度較大，評定為D類裂縫；混凝土結構強度不滿足現行規范對使用環境條件的要求，構件碳化深度較大，鋼筋發生銹蝕的可能性較大。

b.右側邊墩受彎構件的正截面承載力復核結果表明，承載力不滿足《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)要求。復核計算結果表明引起右邊墩深層裂縫的原因一方面是作用于整體閘室邊墩的土壓力及防浪墻底部混凝土板的頂推作用力，另一方面是迎水面的結構配筋不足。

c.加固開始后，經開挖右邊墩外側填土證實此處裂縫已經貫穿，安全復核時按現場取芯檢測縫深度85cm計算。混凝土層面抗滑穩定的復核表明，裂縫部位的混凝土層面抗滑穩定不能滿足規范要求。

d.騎縫取芯檢測的縫深超過85cm，實際上裂縫已經貫通整個右邊墩，而且縫間充填淤泥等雜質，裂縫的存在嚴重削弱了閘墩的整體性，對結構安全極為不利，考慮密云水庫工程在北京市的重要地位且擋水閘使用將近60年的現狀，綜合結構受力條件、混凝土老化、上部排架碳化嚴重、金屬結構老化問題等多方面因素，認為這種規模小、問題多的建筑物在除險加固后結構性隱患并不能得到根治，因此建議拆除重建，以保證水工建筑物運行安全。

e.由于密云水庫地處凍土地區，凍脹也是造成水工建筑物變形乃至破壞的主要原因，如溢洪道、閘等常年與水接觸，在冬季極易因低氣溫使水工建筑物產生冰凍破壞。作為運行管理單位應通過水泵對水體進行攪動，使混凝土建筑臨水面冬季不結冰，從而有效減少凍脹破壞影響。在工程建成后的除險加固過程中需要設計、施工和管理單位齊心協力，綜合考慮建筑物的等級、運用要求、地質條件等實際情況，確保混凝土質量，減少病害隱患及威脅，提高混凝土的耐久性。