富阳市岩石岭水库坝顶拱桥拆除方案剖析

汤爱珍,钟群锋,刘祥来,周松鸣

(1.富阳市岩石岭水库管理处,浙江 富阳 311404;2.浙江省围海建设集团股份有限公司,浙江 宁波 315040;3.浙江臻泰建设有限公司,浙江 磐安 322300)

1 工程概况

岩石岭水库位于浙江省富阳市胥口镇上练村,库区集雨面积329km2、设计库容4 460万m3,是一座以灌溉为主,结合防洪、发电、养鱼、旅游等综合利用的中型水库。该水库大坝长175 m、坝底宽36 m,为挑流式溢流坝,坝体为150#细骨料混凝土砌石坝,表面为0.5～1.0 m厚的钢筋混凝土溢流防渗面板,内有钢筋网Ф 16@500×1 500上下各一片。大坝左侧有上坝公路,右侧与山体相连。坝体内设一2 m×3 m城门洞型长为120 m的廊道。拱桥位于大坝溢流面顶部(桥顶有单层启闭设备总控室),宽7.0 m,长102 m,共分为3跨,单跨34 m(净跨径32 m),矢高4.0 m,矢跨比为1/8。拱桥桥墩为C15钢筋混凝土浇筑,长×宽×高为:7 m×2 m×4.8 m。拱圈为C20钢筋混凝土现浇,拱脚厚2.0 m,拱顶厚1.2 m,原施工时每跨分2次浇筑,留纵向施工缝一条。每跨中间有钢筋混凝土闸墩2只,闸墩尺寸为长×宽×高为:7 m×1 m×2 m,经实测闸墩面至跨中拱圈底部净高8.8 m。该桥于1985年开工到1988年建成,至今已投入运行21 a。

2 问题的提出

根据要求,拱桥拆除时坝体及电站 (电站为坝后式电站)的发电机组要正常工作,且要满足坝体溢流面随时准备过水的要求,施工时不能对坝体造成损伤,拆除的废渣不能掉入水库内,根据这些要求,必须对拱圈自身重量、竖向力进行计算。

经计算,拱圈自重及拱圈上部建筑废料、杂物等,总重约1 300 t。根据拱圈的自重,再按单跨计算桥台、桥墩承受力,竖向力为1 300×1/2=650(t)。

可见,这样的重量对坝体的冲击力非常之大,对拆除工程带来了很大的难度。

3 方案的设计

为了确保坝体不受损伤,只要做好消除拱圈坠落时的巨大冲击力,坝体才会是安全的。为此,根据工程力学的合成与分解原理对拱桥结构竖向力、水平力进行分析计算。

3.1 拱桥结构分析

按一头拱脚切断出现最不利工况的结点受力进行分析、计算,如图1。

图1 一头拱脚切断时结点受力分析图

根据力的合成与分解原理计算竖向力与水平力:

竖向力a↑=650× sinθ=157.62(t)

水平力 b→=650× cos θ=630.60(t)

桥墩断面为2 m×7 m,高4.8m,且主筋仅按Φ 10@500的构造布筋,并只插入溢流面的混凝土中。从计算结果来看,拱端水平力巨大,独立的桥墩根本无法抗拒拱圈630.6 t的水平推力。如果1跨突然间完全断裂,因该桥为3跨连续拱拱桥,则完全可能导致3个拱圈相继倒塌。

按照从右→中→左拆除次序的设想,右跨右拱脚用镐头机破解切断慢慢滑落,左拱脚一般情况不会断裂,即使断开也有原拱桥Φ 16主筋相连,并形成斜撑,抵消由起拱出现的水平挤力,平衡中、左跨拱圈。从而达到拱圈拆除从右→中→左的目的。

3.2 工况分析

拆除拱圈时可能出现的情况,从结构力学理论上分析可能出现4种工况:

3.2.1 工况1

右跨桥台拱脚断开处因拱圈水平推力导致拱脚上翘,跨中拱顶薄弱处断裂一分为二倒塌在中间消能墩上 (见图2)。

图2 工况1示意图

①当拱脚切断,拱顶出现突然断裂,自由坠落倒塌在消能墩上的瞬间冲击力为(重力加速度g=9.8 m/s2):

Nmax=1 300×1/2×9.8×1.8=11 466 t=11 466 000 kg

②消能墩 (中间)受力面积:700×1 200=840 000 cm2

按分散均布受力于坝面的强度:11 466 000/840 000=

13.65 kg/cm2

③坝面原200#钢筋混凝土承载力为:200×0.7=140 kg/cm2

安全系数:140/13.65=10.2564＞1.4故该工况安全。

3.2.2 工况2

拱脚一头断开,整跨下沉,触碰右消能支墩,导致跨中拱顶断裂而整体倒塌,平卧消能墩上(见图3)。

图3 工况2示意图

(1)该工况出现,右消能支墩受力最大,因此对右消能支墩坝面进行复核计算,拱圈倒塌右墩瞬间力为:

Nmax=650×9.8×1.5=9 555 t=9 555 000 kg(高度取最大值)

(2)右消能墩受力面积:500×700=350 000 cm2

按均布受力于坝面的强度为:9 555 000/350 000=27.3 kg/cm2

(3)坝面原200#钢筋混凝土承载力:200×0.7=140 kg/cm2

坝面安全系数为:140/27.3=5.128＞1.4 故该工况安全。

3.2.3 工况3

拱脚一头断开突然坠落,而导致拱圈倒塌,同时搁在中间和右边消能墩上,拱圈中间断开一分为二(见图4)。

(1)中间消能墩与右边消能墩同时受力,则最不利右消能墩的瞬间力为:

图4 工况3示意图

自重G=650×10/16=406.25 t

受力Nmax=406.25×9.8×3.8=15 128 t=15 128 000 kg

(2)右消能墩受力面积:S=300×700=210 000 cm2

按均布受力与坝面的强度为:15 128 000/210 000=72.038 kg/cm2

(3)原坝面200#钢筋混凝土承受力:200×0.7=140 kg/cm2

安全系数:140/72.038=1.943＞1.4 故该工况安全。

3.2.4 工况4

复核坝面混凝土受力情况,拱脚一头切断,另一头拱脚上部剖开0.5m深-1.0 m宽并切断上部钢筋,导致整个拱圈倒塌,搁在中间消能墩上的情况(见图5)。

图5 工况4示意图

(1)拱桥整体倒塌在中间闸墩上的瞬间力:

Nmax=1 300×9.8×4.8=61 152 t=61 152 000 kg

(2)中间消能墩受力面积为:700×1 200=840 000 cm2

按均布受力于坝面的强度:61 152 000/840 000=72.8 kg/cm2

(3)坝面原200#钢筋混凝土承载力:200×0.7=140 kg/cm2

安全系数:140/72.8=1.923＞1.4 故该工况安全。

4 实践与应用

根据现场的具体情况(上下游及拱圈上无法停放设备)及以上相关数据、拆除成本、工期及安全要求,对上述4种工况进行多次的分析、比较,最终确定工况2为最佳方案。

为了达到最佳方案的预期效果,确保拱桥拆除安全,而且使坝体不受损害,拆除前采用人工风镐在跨中拱顶预开口宽0.3 m,深0.2 m,切断面层钢筋。再在每跨的左拱脚预开宽0.5 m,深0.3 m的沟槽,同时切断面层钢筋,施工时,充分利用坝顶2 m高的闸墩,在每跨坝面中间和桥墩边利用编织袋装土堆砌成挡墙,中间回填统砂料做消能墩以抵抗拱圈坠落的巨大冲击能量,确保大坝安全。

采用镐头机站在非溢流坝桥台上,实施对拱脚破解开口 (上宽1.5 m,下宽0.5 m)。拱脚切断后拱圈慢慢滑落,触碰在消能支墩上,导致跨中拱顶断裂而整体倒塌,平卧在消能墩上,待拱圈平稳落在溢流坝面顶部后再进行分解。

5 应用成果

本工程为浙江省水库除险加固重点工程,坝顶拱桥跨度之大(单跨34 m),高度之高(10 m),拆除难度之大及施工环境的特殊性属省内罕见,并且单跨有C20钢筋混凝土近400m3,运用工况2方案,对坝顶拱桥进行拆除,对坝体没有造成影响,也没有大块的混凝土掉入水库中,达到了预期的效果。

由于拆除方案的合理、科学,在节省工程费用的同时,工期也提前了45 d,取得了显著的经济效益和社会效益。