翟澤冰， 李 靜

(江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南昌 330029)

1 工程概況

Tendaho大壩灌溉工程位于埃塞俄比亞?wèn)|北部AWASH河中游，灌區(qū)流域面積1 700 km2，工程主要任務(wù)為保障Dubti(120 km2)、Ditbahari(90.88 km2)、Asayita(250 km2)三大新建灌區(qū)和Beyahel、Galipage、Bokate1三大老灌區(qū)的灌溉供水.工程主要由擋水大壩、泄水溢洪道、引水隧洞(塔式引水口)、輸水渠道及配套渠系建筑物等組成.攔河大壩結(jié)構(gòu)為粘土心墻壩，總庫(kù)容為19.2億m3，最大壩高為53 m，大壩上下游均采用塊石料進(jìn)行護(hù)坡[1].參照國(guó)內(nèi)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)標(biāo)準(zhǔn)，工程屬大(1)型工程.工程總投資22.8億BIRR，折合17.11億人民幣.

2 溢洪道工程施工形象面貌及現(xiàn)存問(wèn)題

工程設(shè)計(jì)為岸邊溢洪道，布置在大壩左岸壩肩處，由進(jìn)口引流段、控制段、泄流段(泄槽、消力池和海漫)等結(jié)構(gòu)組成，消能防沖設(shè)計(jì)洪水流量為1 900 m3/s，總長(zhǎng)為374 m.控制段為3孔開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，單孔凈寬為10.5 m，中墩和邊墩厚均為3.0 m，閘墩前沿總寬為43.5 m.控制段總長(zhǎng)度為28.247 m.溢流堰采用開(kāi)敞式實(shí)用堰，WES冪曲線為x1.85=9.56y.堰頂高程為400.00 m(以當(dāng)?shù)馗叱滔到y(tǒng)為基準(zhǔn)，下同)，堰體高為14 m，建基面高程為386.00 m，閘墩高出堰頂17.675 m，頂部高程為417.675 m，設(shè)計(jì)泄洪水位為410.4 m.溢洪道設(shè)計(jì)3面10.5 m×8.4 m弧形鋼質(zhì)工作閘門(mén)，卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作.工作弧門(mén)支座原設(shè)計(jì)采用后貼式鋼梁，即采用支鉸用螺栓將閘門(mén)啟閉t支座固定在閘墩尾部的鋼梁上；在閘墩中布設(shè)40根Φ32高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿，每側(cè)布置20根，按照4(排)×5(列)矩陣結(jié)構(gòu)按長(zhǎng)度6 m和10 m均勻相間布置.預(yù)應(yīng)力錨桿其鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為fy=1 080 N/mm2，設(shè)計(jì)張拉力為650 kN[1].

到2013年6月，溢洪道土建工程(包括錨桿預(yù)埋)已按設(shè)計(jì)圖紙要求施工完畢；弧形鋼質(zhì)工作閘門(mén)及鋼梁已加工制作完成，等待安裝.溢洪道土建工程和閘墩預(yù)應(yīng)力錨桿施工形象面貌(見(jiàn)圖1，圖2).

圖1 溢洪道現(xiàn)狀圖

圖2 預(yù)應(yīng)力錨桿現(xiàn)狀圖

在施工過(guò)程當(dāng)中，相繼發(fā)生共8根預(yù)應(yīng)力錨桿斷裂事故，已不能滿足溢洪道閘門(mén)安裝、調(diào)試及安全運(yùn)行要求.考慮到已施工的支座受力復(fù)雜且錨桿安全質(zhì)量影響因素較多，常規(guī)結(jié)構(gòu)力學(xué)或材料力學(xué)等方法很難進(jìn)行精確的應(yīng)力分析，故采用ANSYS有限元法對(duì)閘墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和穩(wěn)定性分析.

3 閘墩應(yīng)力及穩(wěn)定性分析

3.1 閘墩應(yīng)力分析

3.1.1 計(jì)算工況

按下述兩種情況分別對(duì)閘墩應(yīng)力進(jìn)行分析：

(1)牛腿方案(擬處理方案)：閘墩原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已施工完畢，為保持閘墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性且考慮事故處理經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)擬定將閘墩從原設(shè)計(jì)403.78 m加高到410.0 m高程，加高6.22 m，并在后期加高閘墩中增設(shè)鋼筋混凝土牛腿作為鋼質(zhì)工作弧門(mén)的支座.

(2)鋼梁方案(原設(shè)計(jì)方案)：工作弧門(mén)支座采用后貼式鋼梁.

3.1.2 工作弧門(mén)支座受力分析

按照結(jié)構(gòu)自重、弧門(mén)支座推力等荷載力學(xué)分布情況，經(jīng)計(jì)算獲得牛腿方案的應(yīng)力分布情況(見(jiàn)圖3).原設(shè)計(jì)方案荷載值及方向與此相同，作用在閘墩上的方式不同(通過(guò)鋼梁及預(yù)應(yīng)力錨桿傳遞到閘墩).閘墩混凝土設(shè)計(jì)C30，堰體混凝土設(shè)計(jì)采用C20，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)，變形模量值Ec取值為閘墩3.00e4MPa、堰體2.55e4MPa，泊松比μc=0.167[2].

圖3 支座受力簡(jiǎn)圖

3.1.3 網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)置

采用自下而上的建模方式，將溢洪道閘墩及堰體斷面簡(jiǎn)化，建立有限元計(jì)算模型.為了解除閘墩左、右側(cè)邊界條件對(duì)受力分析的影響，盡量擴(kuò)大有限元計(jì)算模型[3-4].閘墩及堰體均采用空間8節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元進(jìn)行離散.計(jì)算范圍為閘墩左、右側(cè)各擴(kuò)展3 m，模型結(jié)點(diǎn)數(shù)共31 058個(gè)；單元數(shù)共25 266個(gè)(其中：X軸為由上游水平指向下游的順?biāo)鞣较?；Y軸為鉛垂線向上方向；Z軸為平行大壩軸線方向由左岸水平指向右岸).密度參數(shù)值選取2 500 kg/m3.按照堰體底部采用全約束，左/右側(cè)自由約束條件，其有限元仿真模型(見(jiàn)圖4,圖5).

圖4 推薦牛腿方案整體有限元計(jì)算網(wǎng)格

圖5 鋼梁方案整體有限元計(jì)算網(wǎng)格

3.1.4 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

閘墩厚3 m，按照0.5 m的計(jì)算量綱，將閘墩劃分為中心應(yīng)力截面、中心偏移0.5 m截面、中心偏移1.0 m截面和中心偏移1.5 m截面進(jìn)行應(yīng)力分析.計(jì)算獲得閘墩典型截面應(yīng)力等勢(shì)線圖(見(jiàn)圖6～圖9).

計(jì)算獲得閘墩不同截面的應(yīng)力結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1).

圖6 牛腿方案中心偏移1.5 m第一主應(yīng)力

圖7 牛腿方案中心偏移1.5 m xy平面應(yīng)力

圖8 鋼梁方案中心偏移1.5 m第一主應(yīng)力

圖9 鋼梁方案中心偏移1.5 m xy平面應(yīng)力

表1 閘墩截面應(yīng)力計(jì)算成果表 單位：MPa

由表1可知，推薦方案(鋼筋混凝土牛腿方案)整個(gè)結(jié)構(gòu)模型最大第一主應(yīng)力為4.718 MPa，最大xy平面應(yīng)力為0.808 MPa，均出現(xiàn)在弧門(mén)支座推力支撐牛腿根部上游側(cè)；原鋼梁方案最大第一主應(yīng)力為5.427 MPa，最大xy平面應(yīng)力為1.923 MPa.對(duì)于推薦牛腿方案，閘墩表面最大主拉應(yīng)力大于原設(shè)計(jì)C30混凝土的最大允許拉應(yīng)力，最大xy平面應(yīng)力小于C30混凝土允許拉應(yīng)力.對(duì)于鋼梁方案，閘墩表面最大主拉應(yīng)力和最大xy平面應(yīng)力均大于原設(shè)計(jì)C30混凝土的最大允許拉應(yīng)力.

3.2 閘墩穩(wěn)定分析

對(duì)于推薦的牛腿處理方案，必須保證新增閘墩與原閘墩間的可靠連接.根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)，采用抗剪斷強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度公式[5]進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算結(jié)果表明：抗剪斷強(qiáng)度Kc=3.58，新增閘墩沿原閘墩混凝土接觸面抗滑穩(wěn)定滿足運(yùn)行安全需求；抗剪強(qiáng)度Kc=0.28<1.1，新增閘墩沿原閘墩混凝土接觸面抗滑穩(wěn)定不滿足運(yùn)行安全要求，需在403.78～410.0 m新加高閘墩表面增設(shè)32根Ф32錨筋.

4 閘墩鋼筋混凝土牛腿處理

在查詢《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)(金屬結(jié)構(gòu))》及相關(guān)文獻(xiàn)資料，均未發(fā)現(xiàn)有采用預(yù)應(yīng)力鋼梁作為弧形工作閘門(mén)支撐座的成功案例.錨桿質(zhì)量及施工工藝存在較多安全不確定性因素，同時(shí)根據(jù)原設(shè)計(jì)重新布設(shè)或加強(qiáng)錨桿困難較大.結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果，考慮到現(xiàn)場(chǎng)已施工完成的預(yù)應(yīng)力錨桿存在多次斷裂事故，設(shè)計(jì)取消原鋼梁方案，推薦采用鋼筋混凝土牛腿方案進(jìn)行事故處理.

(1)根據(jù)支座受力分布及應(yīng)力分析結(jié)果，鋼筋混凝土牛腿方案設(shè)計(jì)擬定將閘墩尾部從原設(shè)計(jì)403.78 m高程加高到410.0 m高程，加高6.22 m，寬3.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30.加高閘墩面增設(shè)鋼筋采用焊接方式與原閘墩面鋼筋進(jìn)行有效連接.按原設(shè)計(jì)(豎向Ф24@150，水平向Ф14@200)配筋均勻布滿閘墩面.

(2)在403.78～410.0 m加高范圍內(nèi)增設(shè)鋼筋混凝土牛腿，作為工作弧門(mén)支座.閘門(mén)啟閉時(shí)的支座推力經(jīng)牛腿傳遞到閘墩[6].牛腿尺寸為：1.70 m(W)×2.2 m(H)×0.5 m(D懸出閘墩面的厚度)，C30混凝土.弧門(mén)支座按1級(jí)建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算得牛腿需配置12根Ф32(HRB335級(jí)鋼筋)受力鋼筋，間距150 mm.

(3)在閘墩尾部403.78 m高程面上設(shè)0.3 m(W)×0.3 m(H)鍵槽，鑿毛混凝土凹凸接觸面并配Ф25插筋以確保新加高閘墩與已施工完成閘墩間的連接可靠性；在6.22 m新加高閘墩面增設(shè)32根，設(shè)計(jì)抗拔力185 kN，長(zhǎng)3.5 m的Ф32錨筋.錨入已施工完成閘墩2.0 m、新加高閘墩1.5 m，并與閘墩中其他鋼筋焊接.閘墩中配設(shè)Ф24@200鋼筋網(wǎng).

(4)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)已預(yù)埋的預(yù)應(yīng)力錨桿，通過(guò)在預(yù)應(yīng)力錨桿端部增設(shè)1.5 m厚的鋼板作為錨固板，經(jīng)錨固板及預(yù)應(yīng)力錨桿以增強(qiáng)支座推力傳遞性.

(5)設(shè)計(jì)采取在閘墩表面開(kāi)淺槽布設(shè)扇形鋼板條的方法，利用鋼板條及碳纖維替代已施工完成閘墩內(nèi)部的扇形局部受拉鋼筋，以增強(qiáng)閘墩受力.同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)的一致性，新加高閘墩部位扇形局部受拉區(qū)仍采用相同方法進(jìn)行局部受力補(bǔ)強(qiáng).

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)TENDAHO大壩溢洪道工程施工中，由于工作弧門(mén)支座受力較復(fù)雜、錨桿質(zhì)量和施工工藝存在安全不確定因素等，導(dǎo)致實(shí)際施工中出現(xiàn)前后共有8根鋼梁預(yù)應(yīng)力錨桿斷裂事故，已不能滿足溢洪道閘門(mén)安裝、調(diào)試及安全運(yùn)行要求.

(2)采用預(yù)應(yīng)力鋼梁作為弧形工作閘門(mén)支撐座，即沒(méi)有相應(yīng)技術(shù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)規(guī)范，也未類(lèi)似成功工程案例.故在事故處理方案設(shè)計(jì)時(shí)，取消重新布設(shè)計(jì)算預(yù)應(yīng)力錨桿方案，采取加高閘墩增加鋼筋混凝土牛腿作為工作弧門(mén)支座方案.

(3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工形象面貌及應(yīng)力穩(wěn)定性分析結(jié)果，在閘墩尾部從403.78～410.0 m范圍加高閘墩.在接觸面增設(shè)0.3 m(W)×0.3 m(H)鍵槽，以確保原閘墩與新加高閘墩間連接的可靠性.采取一致的鋼板條及碳纖維替代扇形局部受拉鋼筋，以對(duì)閘墩局部進(jìn)行受力補(bǔ)強(qiáng).

經(jīng)應(yīng)力和經(jīng)抗滑穩(wěn)定復(fù)核及現(xiàn)場(chǎng)施工檢驗(yàn)，鋼筋混凝土牛腿方案能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，為工程安全可靠施工建設(shè)提供了重要技術(shù)指導(dǎo).

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