水库溢流坝闸墩裂缝加固设计及施工技术

2014-03-15

中国水能及电气化 2014年12期

(浙江省景宁畲族自治县恒发能源开发有限公司，浙江景宁 323500)

1 工程概况

八盘峡水利工程为20世纪70年代末建设的预制混凝土宽缝重力坝。由于溢流坝闸墩为三段分次浇筑，各段之间设置了纵向伸缩缝，为限制纵缝发展，确保溢流坝闸墩安全，在纵缝下设置了钢筋层(钢筋直径28mm)。鉴于后段闸墩会受到大坝闸门的推力作用，一旦受力过大会产生变形，并对上端产生具有破坏作用的拉应力，因此在57m处设置了连接钢筋，根据施工资料，该连接筋为直径30mm螺纹钢筋，按间距25cm进行布设。

截至目前，八盘峡水利工程已经运行将近35年，在近期对水库的例行检查时发现溢流坝闸墩在40m以下的表面已经出现了裂缝。裂缝主要呈斜向发展，具有比较明显的危害性，裂缝情况见下图。

闸墩裂缝示意图

2 裂缝成因分析

2.1 排除温度载荷时的计算结果分析

a.假定连接钢筋起作用。在连接钢筋发挥作用的情况下，溢流坝闸墩混凝土最大拉应力应处于裂缝底端下游一侧的单元上，但是局部应力的集中并没有超出抗拉极限值1.6MPa很多，按照计算结果分析，破坏区域不会延伸到溢流面，此外，通过计算，最大主压应力未超过设计极限(计算结果见表1)。

表1 连接筋起作用情况下的应力计算结果单位:MPa

b.假定连接钢筋不起作用。由于连接钢筋已经有35年历史，有可能不再发挥作用，因此应该对这一情况进行计算分析。这种情况下混凝土的最大压应力会集中于永久裂缝底端的附近单元，从计算结果来看(见表2)，超过极限值并不大，最大压应力也未超过设计值。

表2 连接筋不起作用情况下的应力计算结果单位：MPa

从以上计算结果及分析来看，纵缝造成的应力不足以使裂缝发展至溢流面，因此，裂缝的形成是由其他因素造成的。

2.2 温度载荷的影响分析

a.温升工况。经查阅气象资料，该区域1～7月的温度升高幅度为27.5℃。经计算得到该工况下的主拉应力结果(见表3)。从计算结果来看，在温升作用下纵缝底端出现的最大应力虽然超出了极限范围，但由于超出数值较小，尚不足以使裂缝延伸至溢流坝面。

表3 温升情况下的计算结果单位：MPa

b.温降工况。该区域7月至次年1月不同温降工况下的主拉应力计算结果见表4。从计算结果来看，在温降作用下闸墩前后两端的收缩趋势比较明显，这使得纵缝与溢流坝面出现了一个较大的应力区。因此可以确定裂缝的产生与温度载荷具有明显的相关性，裂缝是由以温度载荷为主的多种载荷共同作用引起的。

表4 温降情况下的计算结果单位：MPa

3 裂缝继续扩展的可能性分析

因裂缝已经达到溢流坝表面，如果要对加固前后的效果进行对比分析，有必要对当前条件下裂缝的发展趋势进行计算分析(见表5)。

表5 加固前纵缝端应力计算结果单位：MPa

从计算结果可以看出，正常水位时在温降作用下，溢流面纵缝端的最大主拉应力值为5.18 MPa，已经严重超出了混凝土的抗拉极限，因此裂缝有继续发展的趋势。为了抑制纵缝的发展，溢流坝在设计过程中，加设了一层骑缝钢筋。假设这一钢筋层仍然全部发挥作用，在温降的不利工况下，经计算纵缝端的主拉应力值仍然可以达到4.84 MPa，超出允许值很多。因此，即使骑缝钢筋层全部发挥作用，也不足以阻止裂缝的进一步发展。此外由于裂缝长期暴露，也会造成裂缝的进一步发展，因此对溢流坝进行加固是十分必要和紧迫的。

4 加固方案选择

混凝土结构加固的目的是恢复或提高建筑结构的可靠性，溢流坝闸墩出现的裂缝可能会对坝体结构的整体性产生影响，有的会造成钢筋腐蚀，降低结构的耐久性，考虑到该工程的实际情况，对粘贴钢板、预应力锚索两种加固方案进行比选。

4.1 加固方案计算

a.粘贴钢板方案。经参考类似加固工程，钢板的长度暂定为5m，粘贴以纵缝为界，前墩粘贴1.4m，后墩粘贴3.6m，所选钢板的抗压、抗拉强度约为210MPa。通过计算得到了钢板和纵缝的应力结果(见表6)。

表6 粘贴钢板方案应力计算结果单位：MPa

由计算结果可以看出，两种工况下加固钢板的主拉应力均未超过钢板的设计抗拉值，这种方案下混凝土主应力最大值比极限抗拉值略高。

b.预应力锚杆方案。该加固方案是通过锚筋张拉来加固物体，参照相关经验，加固拟采用3根7φ5钢绞线进行，每根钢绞线的强度设计数值为1730MPa，据估算单束钢绞线的破坏载荷约为766.4kN，屈服载荷约为660kN(见表7)。

表7 预应力锚索方案应力计算结果单位：MPa

从计算结果可以看出，该方案对纵缝的变位效果并不明显，因此并不能明显减小主拉应力值。

4.2 加固方案比选

表8列出了两种加固方案的部分计算结果，从中可以看出，在温降情况下粘贴钢板方案对于纵缝底端的最大应力减小幅度为51%左右，远低于预应力锚索方案。因此粘贴钢板方案效果优于预应力锚索方案。在温升情况下，两种方案都能有效减小拉应力，但是从拉应力超限区域来看，粘贴钢板方案更优。综合上述分析，此次加固工程选择粘贴钢板方案。

表8 两种加固方案比较情况单位：MPa

5 加固施工技术

5.1 加固施工工序

拟定加固施工工序为：施工放样→基层处理→安装自锁锚杆→钢板制作安装→密封灌胶→固化→外表面处理。

5.2 施工过程及技术

a.施工放样。按照加固设计方案在溢流坝闸墩表面粘贴钢板位置画框线。闸墩上部有4条框线，尺寸为3100mm×150mm；闸墩中部有12条框线,尺寸为3100mm×250mm；闸墩下部为2条框线，尺寸为3100mm×2200mm。

b.基层处理。首先沿施工放样所画的框线使用砂轮切割机对基层混凝土进行切割，然后再对框线内的混凝土表面进行切割，使其成为宽约70mm的条状斜向分割，切深以不超过30mm为宜，再以机械为主、人工为辅进行凿除，然后对形成的初始槽面进行检测，根据检测结果对槽面进行精心清理。对于槽面的低凹处进行必要的修补，待达到一定强度后再将槽面磨平，并清除杂物，使其保持清洁干燥。

c.安装自锁锚杆。首先在槽内钻深约350 mm的孔，并进行扩孔和清理，然后满注黏结材料并植入自锁锚杆。

d.钢板安装。首先将钢板切割成设计规格，并按照自锁锚杆的位置钻孔，经除锈后固定于自锁锚杆，并与溢流坝混凝土槽面保持3～4mm的间隙。

e.密封固化。在钢板固定好后，首先对钢板四周和基面之间用ICG-Ⅰ无机料进行有效封堵，检测合格后即可在空隙内灌注结构胶。灌注时要注意对灌注压力进行控制，这是提高灌注质量的关键。在灌注过程中要对钢板表面不断轻轻敲击。灌注结束后等待灌注胶固化，通常情况下需要2d左右才能达到进行下一步施工的强度要求。如遇冬季低温期施工，可考虑进行加热固化。

f.外表面处理。待密封固化结束后对加固钢板的外表面进行清洁处理，然后喷涂防护涂料。对于上部和中部钢板的外表面处理方法是进行高强砂浆涂抹并保持与闸墩表面一致，而对于下部钢板，则需要涂抹环氧树脂，待涂抹完毕48h后，再进行磨平以提高加固施工部位的外观，然后按要求进行洒水养护。