某水电站进水口闸门启闭机排架加固设计与实践

潘益斌，吴 疆，黄东军

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014）

1 工程概况

浙江某水电站总库容0.56亿m3，安装2台20 MW立轴转浆式水轮发电机组，是三等中型水利枢纽工程。电站于1998年5月正式并网发电，在当地电网中发挥调峰和事故备用作用，同时，通过水库的调洪作用，可削减汛期洪峰、提高下游防洪标准。

本工程为短隧洞引水式水电站，枢纽工程由小骨料混凝土砌块石重力坝、引水隧洞、发电厂房和开关站等建筑物组成。其中引水系统采用一洞两机的布置方式，进水口位于右坝头上游离坝轴线约60 m处，厂房位于右岸引水系统末端，距坝轴线约200 m处。引水隧洞主洞全长219.1 m，隧洞内径8.0 m，采用钢筋混凝土衬砌。岔管后连接2条钢支管，内径4.6 m，分别长82.7 m和75.7 m。每台水轮机上游压力钢管连接处设有重锤关闭式蝶阀一台，以作为机组事故关闭、检修和长期停机使用。

引水隧洞进水口设置一道闸门，以备水道系统放空检修和蝶阀检修之用。该闸门为平面滑动钢闸门，按动水关门、静水提门方案操作。闸门孔口尺寸7.0 m×8.0 m（宽×高），闸门横向支承跨度7.6 m。闸门设计水头30 m，设计承受水压力15 050 kN。闸门通过设置在90 m高程平台以上的启闭机排架（钢筋混凝土结构）垂直启吊，启闭机平台高程102.90 m，采用两台固定式卷扬机露天布置，启闭机容量2×1 000 kN，启闭机行程11.0 m。

进水口闸门启闭机排架采用整体钢筋混凝土框架结构，混凝土强度等级C25，排架总高度12.9 m，上下三层、前后两榀布置。该框架结构4个柱子分散布置在闸门井四周，柱体尺寸50 cm×60 cm（顺水流向×垂直水流向）；顶层主梁垂直水流向布置，尺寸50 cm×120 cm（宽×高），中心跨度10 m，两侧分别固定在2个柱子上，2个主梁和4个柱子形成两榀排架，其中下游侧排架编号f1，上游侧排架编号f2，组成了启闭机排架结构的主要承载构件。两榀排架在顶层通过两个侧向联系梁连接，联系梁尺寸35cm×50cm（宽×高），顺水流向布置，顶板厚15cm。由于排架较高，为提高整体框架的结构稳定性，在94.5 m和99.0 m高程布置两层联系梁，联系梁尺寸30 cm×60 cm（宽×高），这些联系梁将启闭机排架划分为单层最大高度4.5 m的框架结构，但靠近上游侧排架最下部未设联系梁，便于闸门出槽检修。

图1 进水口闸门启闭机排架立面布置图（单位：cm）Fig.1 Elevation layout of the hoist bents of the water inlet gate(unit:cm)

2 混凝土排架结构裂缝分布、承载能力复核及原因分析

2011年初，该电厂运行人员计划将进水口闸门吊出门槽进行检修时，发现启闭机排架结构部分梁的底部有若干超限裂缝（缝宽大于0.2 mm）。随后，应原设计单位的要求，电厂方面委托浙江大学水工结构与水环境研究所对启闭机混凝土排架结构进行了质量检测和试验。

现场针对进水口闸门启闭机排架的检测和试验工作分为三部分，即裂缝调查测量、回弹法检测混凝土质量和排架静载试验等，主要成果如下。

2.1 裂缝调查测量

经现场检查和统计，排架结构超限裂缝均分布在排架99.0 m高程的上、下游两侧联系梁跨中和联系梁与左、右框架柱交界处，总计7条，缝宽0.5～1.33 mm，部分裂缝沿梁高上下贯通分布，裂缝分布详见图2。排架结构顶层主梁和94.5 m高程联系梁上暂未发现裂缝。

图2 进水口闸门启闭机排架上、下游侧联系梁裂缝素描图Fig.2 Cracks upstream and downstream of the connection beam of the hoist bents of water inlet gate

2.2 回弹法检测混凝土质量

通过在主梁下表面和联系梁侧面共布置的12个测试单元，采用回弹法检测混凝土实际抗压强度。检测成果表明，启闭机排架各测试单元混凝土抗压强度平均值40.8 MPa、最小值33.1 MPa，在保证率P=90%情况下，排架混凝土强度推定值为32.6 MPa，大于设计强度。

2.3 排架静载试验

为校验启闭机排架的实际承载能力，现场以闸门自重作为荷载，缓慢启吊闸门直至闸门出槽，在加载过程中测试梁的挠度，同时在闸门吊点位置埋设振弦式应变计以计算出梁所受荷载大小并记录梁的承载情况。

检测成果表明：闸门启吊过程中，排架结构均处于弹性状态，且联系梁变形较小，排架结构运行基本正常。

本工程进水口闸门尺寸较大、最大启吊力较重且行程较长，闸门启吊运行时，集中荷载直接作用在顶层主梁上，并通过框架柱传至地面基础。启闭机排架采用限裂设计，主要承载构件为框架柱和顶层主梁，结构复核计算及现场试验均表明排架结构整体安全性较好，但联系梁与顶层主梁距离较近，断面尺寸又相差较多，因此联系梁产生超限裂缝的可能主要原因是：联系梁与主梁尺寸差异较大，两者惯性矩相差约13倍，联系梁含筋量较低，结构刚度相对较弱。排架结构承担较大荷载时（如启闭闸门），根据应力应变协调理论，在主梁结构安全的情况下，刚度较弱的联系梁发生裂缝。

综上所述，虽然排架结构联系梁目前存在的若干超限裂缝暂未对排架整体结构安全产生直接影响，但其对结构耐久性不利。为防止启闭排架联系梁裂缝进一步发展，威胁结构的整体安全性，经电厂方面与原设计单位的共同讨论研究，一致认为对这些联系梁结构进行局部加固处理、提高其刚度水平是必要的。

3 排架结构加固处理设计

根据相关加固工程经验，目前工程实践中可用于现浇钢筋混凝土梁的结构加固措施有加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法、黏钢加固法和碳纤维加固法。各种加固方法的特点见表1。

根据本工程特点和现场实际情况，遵循经济合理、施工简便的基本原则，设计单位建议对开裂的联系梁采用黏钢加固法或碳纤维加固法。

3.1 黏钢加固法

黏钢加固法采用结构胶把钢板黏贴在构件外部以提高结构承载力，目前在建筑物加固工程中应用较为广泛。本工程由于超限裂缝发展较为显著的联系梁受力较小，采用构造要求进行构件加固即可满足要求，材料和工作程序建议如下：

（1）本工程加固用钢板可采用低合金高强度结构钢，宽度与梁同宽。

加固所采用的结构黏结剂则要求其黏结强度高、耐久性好，具有一定弹性。高质量的结构粘结剂是结构加固方案的关键因素之一，因此必须选用有充分试验依据且性能满足使用要求的胶结材料。

（2）对梁上所有裂缝先进行灌缝并封闭处理，之后方可黏钢板加固。由于裂缝宽度较小，且需考虑新旧材料的良好黏合要求，应采用环氧树酯类化学灌浆材料进行裂缝修补处理。

（3）针对联系梁裂缝发展的实际情况，联系梁及两端节点的框架柱部分区域均布置黏钢钢板，提高构件的整体性。

（4）梁端钢板通过膨胀型锚栓分别固定，并通过“口”型箍板连接。

（5）为了延缓胶层老化，防止钢板锈蚀，钢板及其邻接的混凝土表面，应涂抹水泥砂浆保护层。

3.2 碳纤维加固法

碳纤维（CFRP）是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。相对混凝土、钢材等传统材料，优质的碳纤维材料同样具有良好的耐久性和耐腐蚀性，不需定期维护，且能对内部混凝土结构起到保护作用，联合受力条件更好，目前应用较为广泛。但是，碳纤维布与混凝土的黏结性能需要通过设计防护和良好的施工予以保证。

可用于本工程加固的碳纤维布必须是具有良好适配性的配套树酯类黏贴材料及表面防护材料，其基本性能应符合相关规范及规范的相关规定。碳纤维片材的加固机理与黏钢板类似，它利用树酯胶结材料将碳纤维片材贴于梁的表面，从而提高梁的抗弯和抗剪承载能力，以达到对梁补强加固及改善结构受力性能的目的。

建议按以下程序开展工作：（1）对梁上所有裂缝先进行灌缝并封闭处理，之后方可进行黏贴碳纤维片材加固。裂缝修补处理同黏钢加固法，施工前均应清除混凝土表面的浮浆油污等杂质，构件基面的混凝土需打磨平整并保持干燥。

（2）碳纤维片材应黏贴在受拉区一侧，纤维方向与加固的受力方向一致，沿受力钢筋的方向黏贴。

（3）碳纤维片材宜全长连续不间断布置，否则其沿纤维受力方向的搭接长度应不小于100 mm并牢固连接。由于采用双层碳纤维布加固，各层碳纤维布之间的搭接位置应错开，不小于500 mm。

（4）为保证碳纤维片材能够可靠地与混凝土共同工作，除按产品供应商提供的工艺要求通过浸渍树酯将片材可靠黏结在混凝土表面外（双层碳纤维片材应连续黏贴，确保结合牢固），还应采取附加的机械锚固措施，即采用角钢黏贴在碳纤维片材外，再用膨胀型锚栓锚固于混凝土中。

表1 混凝土结构常用加固方法及特点一览表Table 1 Reinforcement methods for concrete structure and their characteristics

（5）碳纤维铺设完成后，在外表面应均匀涂刷一道浸渍树酯，提高材料耐久性。若产品供应商提供表面防护材料，可作为加固件最外层防护材料。

3.3 排架加固处理方案选择及设计

黏钢加固法及碳纤维加固法在本项目加固设计中均是可行的，但考虑到联系梁跨中及两端均有裂缝产生，为提高加固后结构的整体性和耐久性，经施工、材料供应和投资等多因素综合比较，最终确定采用黏钢加固法，并在联系梁与框架柱交界处焊接三角形节点加强钢板，加固设计方案详见图3。

图3 进水口启闭机排架99.0 m高程联系梁加固设计图（单位：cm）Fig.3 Reinforcement design for the connection beam on eleva⁃tion of 99.0 m of the hoist bents of water inlet gate

4 排架加固施工及效果评价

2012年，该电站进水口闸门启闭机排架加固方案付诸实施，为确保关键技术的施工工艺满足设计要求，原设计单位随图纸提供了详细的施工技术要求，对施工顺序、要点及施工注意事项进行了说明。

加固项目施工流程见图4。

施工完成后，经现场投运检测，启闭机排架运行正常，各项指标均在设计要求范围内，满足了正常生产的需要。

5 结语

已投产水电站在运行中或多或少存在一些需要技术改造和加固维修的项目。某水电站在投运十余年后，发现进水口闸门启闭机排架结构存在超限裂缝，对此给予高度重视。与原设计单位联系后，安排第三方进行质量检测和试验，对症下药，通过与原设计单位沟通，确定了最终加固方案，并立即组织施工，确保了电站的长期安全运行。

图4 进水口启闭机排架联系梁加固施工流程图Fig.4 Construction flow in the reinforcement of connection beam of the hoist bents of water inlet gate

设计单位针对质量检测成果，在启闭机排架结构整体安全的前提下，结合已有的工程经验提出黏钢加固法和碳纤维加固法等局部加固方案供业主选择，并最终结合裂缝分布情况和技术经济比较，与业主共同选择采用了技术上更为成熟、加固效果更为可靠、材料采购更为简便的黏钢加固法，并在工程施工过程中提供全面的技术指导，满足了电站长期安全运行需求，也为类似工程加固设计提供了参考。

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