王志兵

(湖北省漳河土木工程設(shè)計院，湖北 荊門 448000)

1 概述

溢洪道能有效控制洪水，實現(xiàn)水庫的調(diào)節(jié)和平衡，在應(yīng)對自然災(zāi)害、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和維護(hù)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。[1-5]。然而，受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和周圍環(huán)境的影響，溢洪道的建筑結(jié)構(gòu)如閘門、閥門、水封等組件如果損壞或失效，可能導(dǎo)致無法有效控制水流，洪水無法得到適時的排放和控制，從而增加洪災(zāi)風(fēng)險，因此需要采取及時的加固措施[6-11]。

馬頭砦溢洪道原為一條長約800m、寬225m、深35m的沖溝，工程區(qū)屬構(gòu)造剝蝕低山丘陵地貌，構(gòu)造上位于當(dāng)陽向斜核部，向斜構(gòu)造線呈北西走向，西翼巖層傾角為8°～15°，東翼巖層傾角為15°～25°。閘室位于向斜軸部，陡槽段、鼻坎段位于向斜西翼。依據(jù)“安全鑒定報告書”和“三類壩核查意見”，馬頭砦溢洪道存在問題包括：①混凝土結(jié)構(gòu)存在脹裂和碳化現(xiàn)象，控制段閘墩、泄槽底板及邊墻存在多處裂縫，局部混凝土骨料外露。②弧門支座附近閘墩局部受拉區(qū)裂縫控制不滿足規(guī)范要求，閘墩扇形受拉鋼筋截面積不滿足規(guī)范要求。③泄槽部分邊墻頂高程不滿足規(guī)范要求。④啟閉機(jī)配電線路缺失老化。因此，針對馬頭砦溢洪道存在的安全隱患，采取混凝土結(jié)構(gòu)缺陷處理、弧門支座結(jié)構(gòu)加固、泄槽邊墻局部加高、金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備改造等加固。馬頭砦溢洪道閘墩沿45°裂縫如圖1所示。

2 溢洪道加固設(shè)計

2.1 進(jìn)水渠加固

馬頭砦溢洪道進(jìn)水渠兩側(cè)局部為漿砌石護(hù)坡，靠近控制段布置了弧形鋼筋混凝土翼墻，目前護(hù)坡及翼墻運行穩(wěn)定，翼墻頂高程滿足擋水要求，但翼墻表面混凝土存在碳化、裂縫現(xiàn)象。本次加固對施工期控制最低庫水位116.0m以上的翼墻表面進(jìn)行局部破損修補和裂縫灌漿處理。

2.2 控制段加固

控制段采用無底坎寬頂堰控制閘，修建時閘基采取了帷幕灌漿處理，未見異常滲漏現(xiàn)象?？刂贫未嬖趩栴}及加固方案為：①控制段閘墩、啟閉平臺和交通橋等結(jié)構(gòu)混凝土存在裂縫及碳化現(xiàn)象，本次加固采取裂縫灌漿和表面涂抹2cm厚丙乳砂漿+氟碳涂料進(jìn)行防碳化處理。②針對閘墩與交通橋相接部位45°的長裂縫，經(jīng)分析先采用騎縫孔貼嘴環(huán)氧灌漿，再在頂部裂縫表面平行粘貼5塊鋼板補強(qiáng)加固，粘貼鋼板單根長2m、寬200mm、厚10mm。③針對弧形門支座牛腿部位閘墩限裂和扇形筋不足問題，經(jīng)研究采取“支座兩側(cè)加寬+預(yù)應(yīng)力鋼絞線+粘貼鋼板”的加固方案。④啟閉機(jī)房運行多年較為陳舊，考慮到更換啟閉機(jī)時對機(jī)房墻面有所損壞，本次加固對啟閉機(jī)房進(jìn)行適當(dāng)改造，以保證加固后整個工程的整體協(xié)調(diào)美觀。⑤控制段下游側(cè)原交通橋橋面混凝土存在碳化破損，本次加固對橋面適當(dāng)處治后鋪設(shè)2cm厚SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層和5cm厚AC-13C細(xì)粒式瀝青混凝土面層，對兩側(cè)人行道適當(dāng)翻修。⑥為滿足柴油機(jī)和配電柜的安放要求，在控制段左岸合適位置修建一座單層面積130m2的柴油機(jī)及配電房。

弧形門支座結(jié)構(gòu)補強(qiáng)加固：①鋼筋混凝土支座向兩側(cè)各加寬90cm，混凝土強(qiáng)度等級為C30，加寬后弧門支座尺寸為寬340cm、高425cm、外邊緣高度290cm、弧門支座高130cm。②閘墩支座兩側(cè)各粘貼2根長約16m、寬100mm、厚10mm的Q345b鋼板。③兩側(cè)加寬支座各預(yù)埋4根Φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線，應(yīng)力設(shè)計值942.8MPa，單根鋼絞線設(shè)計錨固力為132kN。④為保證加寬部分弧門支座與原弧門支座共同受力，除新老混凝土結(jié)合面涂刷界面膠并植筋外，對弧門支座整體外包厚10mm的Q345b鋼板。

2.3 泄槽段加固

泄槽樁號0+022.5—0+122.5為一級泄槽段，寬度由55.20m縮至30.0m，縱坡i=1∶10，鋼筋混凝土底板厚60cm；樁號0+122.5—0+202.5為二級泄槽段，凈寬30m，縱坡i=1∶4，鋼筋混凝土底板厚80cm。泄槽段存在問題及加固方案為：①泄槽底板及兩側(cè)邊墻存在混凝土局部破損和裂縫現(xiàn)象，檢測碳化深度約11mm，考慮到泄槽段較長(180m)，不采取抗沖磨和防碳化處理，本次加固只對混凝土表面進(jìn)行破損修補和裂縫灌漿處理。②樁號0+042.5—0+122.5泄槽邊墻高度不滿足擋水要求，本次加固采取戴帽加高，加高邊墻厚70cm、高40cm，新澆邊墻與原邊墻按間距50cm植入單排Φ16鋼筋。③泄槽邊墻外側(cè)混凝土踏步存在變形破損現(xiàn)象，本次加固將其拆除重建，重建C25混凝土踏步寬1m。

2.4 鼻坎段加固

挑流鼻坎段存在的問題與泄槽段相似，本次加固對底板及兩側(cè)邊墻破損部位混凝土進(jìn)行修補處理和混凝土裂縫灌漿處理。

2.5 出水渠加固

樁號0+261下游為出水渠，為天然渠道，本次不做加固處理。

3 水力學(xué)計算分析

本次除險加固對馬頭砦溢洪道的泄流能力、控制段擋水高程、泄槽邊墻高度、消能防沖等內(nèi)容進(jìn)行了復(fù)核，但本文由于篇幅原因只列出最重要的溢洪道泄流能力復(fù)核和消能防沖復(fù)核。

3.1 溢洪道泄流能力復(fù)核

馬頭砦溢洪道控制段采用無底坎寬頂堰，底板高程114.0m，設(shè)4個泄洪孔，每孔凈寬12m，各設(shè)1道弧形閘門。閘后一級泄槽(樁號0+052.5—0+152.5)為收縮段，寬度由55.2m漸變至30.0m，底坡1∶10；二級泄槽(樁號0+152.5—0+232.5)寬30m，底坡1∶4。馬頭砦溢洪道泄流能力計算公式同陳家沖溢洪道，經(jīng)復(fù)核，泄流能力稍大于原成果(漳河水庫調(diào)度運用手冊中馬頭砦溢洪道泄流能力)。為確保工程安全運行，本次除險加固采用調(diào)度運用手冊成果，泄流能力曲線如圖2所示。

3.2 消能防沖復(fù)核

由于馬頭砦溢洪道采用差動式挑流進(jìn)行消能，規(guī)范上沒有相關(guān)的計算公式，根據(jù)1986年《漳河水庫續(xù)建加固工程補充初設(shè)報告》，采用以下公式計算：

T=kq1/2Z1/4

(1)

L=L1+L2

(2)

(3)

L2=(T-h)cotβ

(4)

式中，T—自下游水面至坑底最大水墊深度，m；q—鼻坎末端斷面單寬流量，m3/(s·m)；k—綜合沖刷系數(shù)，按照SL 253—2018《溢洪道設(shè)計規(guī)范》對于馬頭砦溢洪道取k=1.4；L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舍外緣挑距，m；L1—水舌外緣至河床面挑距，m；L2—水舌外緣從河床面到坑底水平距離，m；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角30°；Ф—流速系數(shù)，取0.9；h—沖坑底部到河床床面的高度，m；β—沖坑邊坡與水平面的夾角，(°)。

根據(jù)計算結(jié)果，100年一遇洪水位為124.3m，下游水位為86.60m，溢洪道下泄流量為2457m3/s，鼻坎段寬度為30m，鼻坎挑角為30°。經(jīng)計算挑距L=78.58m、沖坑深T為11.78m。沖坑底坡=1/6.67<臨界邊坡ik(1/2.5～1/5)，沖刷坑不會危及溢洪道的結(jié)構(gòu)安全。

4 控制段結(jié)構(gòu)受力分析

為了分析馬頭砦溢洪道控制段閘墩出現(xiàn)45°斜向裂縫的產(chǎn)生原因，開展如下有限元計算分析工作。

4.1 數(shù)值模型

馬頭砦溢洪道控制段閘墩與控制段底板、啟閉平臺和下游側(cè)交通橋均為現(xiàn)澆剛性連接。為了分析控制段閘墩受力、啟閉平臺主梁和交通橋結(jié)構(gòu)配筋，大壩安全評價階段建立了馬頭砦溢洪道控制段結(jié)構(gòu)三維模型，采用ansys軟件對控制段進(jìn)行整體受力分析，并進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分，模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

4.2 計算荷載及參數(shù)

(1)樓面人群荷載：1.2×3000=3600N/m2。

(2)屋面自重+屋面均布荷載：按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)，屋面均布荷載為0.5kPa，它與雪荷載不能同時作用。屋面厚12cm，考慮聯(lián)系梁，厚度取15cm。該荷載通過上下游墻體各5根立柱傳遞至樓板，每根立柱的集中力為54220N。

(3)墻自重：墻厚24cm，考慮窗戶，墻厚按12cm計算，為21740N/m。

(4)啟閉力+機(jī)重：溢洪道每孔啟閉機(jī)容量2×50t，啟閉機(jī)自重28.5t。其中考慮荷載系數(shù)1.2，啟閉力為2×600kN；考慮荷載系數(shù)1.05，啟閉機(jī)自重299.25kN。按上游側(cè)梁承擔(dān)40%力，下游側(cè)梁承擔(dān)60%力考慮，則上游側(cè)梁上的4個受力點，每點荷載(600+299.25÷2)×40%÷2=149.93kN=149930N；下游側(cè)梁上的4個受力點，每點荷載224890N。

(5)弧門支座推力：閘門最高擋水位為123.50m，考慮荷載系數(shù)1.2，弧形閘門對支座的總推力為7367.92kN，單支鉸推力為3683.96kN，推力方向與水平線夾角為26.6°。

(6)交通橋荷載：汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)為：汽-20，掛-100；兩側(cè)人行道人群荷載取3000Pa。本工程單孔交通橋汽車荷載按掛-100施加力，4×4個輪子各承擔(dān)荷載75000N；人群荷載按兩側(cè)1.5m寬人行道計算。

4.3 結(jié)果分析

通過施加荷載，并對控制段底板底部進(jìn)行全約束，計算得到模型第一主應(yīng)力分布情況，見圖4。根據(jù)計算結(jié)果，模型最大主應(yīng)力位于交通橋上邊線與閘墩相接位置，最大拉應(yīng)力為5.77MPa，拉應(yīng)力區(qū)下傾45°，方向長約2.0m。本次除險加固針對該45°裂縫，在2.0m受拉區(qū)閘墩表面平行粘貼5塊鋼板補強(qiáng)加固，粘貼鋼板單根長2m、寬200mm、厚6mm。經(jīng)計算，可滿足結(jié)構(gòu)受力要求

圖4 控制段第一主應(yīng)力分布圖

5 結(jié)語

本文以馬頭砦溢洪道為例，對于翼墻表面混凝土的碳化和裂縫現(xiàn)象，進(jìn)行了局部破損修補和裂縫灌漿處理。對于控制段閘墩、啟閉平臺、交通橋等結(jié)構(gòu)的混凝土裂縫和碳化，通過裂縫灌漿、涂抹丙乳砂漿和氟碳涂料等方法進(jìn)行了防碳化處理和加固。此外，對弧形門支座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了補強(qiáng)加固，包括加寬支座、粘貼鋼板、預(yù)應(yīng)力鋼絞線等措施。而對于泄槽段和鼻坎段的加固主要針對混凝土破損部位進(jìn)行修補處理和裂縫灌漿。目前，本文提出的加固方案經(jīng)過驗證能夠確保馬頭砦溢洪道的安全運行，可為相關(guān)溢洪道的結(jié)構(gòu)安全工程提供有力參考。