TENDAHO大坝溢洪道钢梁预应力锚杆断裂事故处理

2014-08-06翟泽冰

浙江水利水电学院学报 2014年4期

翟泽冰，李静

(江西省水利规划设计院，南昌 330029)

1 工程概况

Tendaho大坝灌溉工程位于埃塞俄比亚东北部AWASH河中游，灌区流域面积1 700 km2，工程主要任务为保障Dubti(120 km2)、Ditbahari(90.88 km2)、Asayita(250 km2)三大新建灌区和Beyahel、Galipage、Bokate1三大老灌区的灌溉供水.工程主要由挡水大坝、泄水溢洪道、引水隧洞(塔式引水口)、输水渠道及配套渠系建筑物等组成.拦河大坝结构为粘土心墙坝，总库容为19.2亿m3，最大坝高为53 m，大坝上下游均采用块石料进行护坡[1].参照国内《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)标准，工程属大(1)型工程.工程总投资22.8亿BIRR，折合17.11亿人民币.

2 溢洪道工程施工形象面貌及现存问题

工程设计为岸边溢洪道，布置在大坝左岸坝肩处，由进口引流段、控制段、泄流段(泄槽、消力池和海漫)等结构组成，消能防冲设计洪水流量为1 900 m3/s，总长为374 m.控制段为3孔开敞式结构，单孔净宽为10.5 m，中墩和边墩厚均为3.0 m，闸墩前沿总宽为43.5 m.控制段总长度为28.247 m.溢流堰采用开敞式实用堰，WES幂曲线为x1.85=9.56y.堰顶高程为400.00 m(以当地高程系统为基准，下同)，堰体高为14 m，建基面高程为386.00 m，闸墩高出堰顶17.675 m，顶部高程为417.675 m，设计泄洪水位为410.4 m.溢洪道设计3面10.5 m×8.4 m弧形钢质工作闸门，卷扬式启闭机操作.工作弧门支座原设计采用后贴式钢梁，即采用支铰用螺栓将闸门启闭t支座固定在闸墩尾部的钢梁上；在闸墩中布设40根Φ32高强度预应力锚杆，每侧布置20根，按照4(排)×5(列)矩阵结构按长度6 m和10 m均匀相间布置.预应力锚杆其钢筋抗拉强度设计值为fy=1 080 N/mm2，设计张拉力为650 kN[1].

到2013年6月，溢洪道土建工程(包括锚杆预埋)已按设计图纸要求施工完毕；弧形钢质工作闸门及钢梁已加工制作完成，等待安装.溢洪道土建工程和闸墩预应力锚杆施工形象面貌(见图1，图2).

图1 溢洪道现状图

图2 预应力锚杆现状图

在施工过程当中，相继发生共8根预应力锚杆断裂事故，已不能满足溢洪道闸门安装、调试及安全运行要求.考虑到已施工的支座受力复杂且锚杆安全质量影响因素较多，常规结构力学或材料力学等方法很难进行精确的应力分析，故采用ANSYS有限元法对闸墩进行结构应力和稳定性分析.

3 闸墩应力及稳定性分析

3.1 闸墩应力分析

3.1.1 计算工况

按下述两种情况分别对闸墩应力进行分析：

(1)牛腿方案(拟处理方案)：闸墩原设计结构已施工完毕，为保持闸墩结构稳定性且考虑事故处理经济性，设计拟定将闸墩从原设计403.78 m加高到410.0 m高程，加高6.22 m，并在后期加高闸墩中增设钢筋混凝土牛腿作为钢质工作弧门的支座.

(2)钢梁方案(原设计方案)：工作弧门支座采用后贴式钢梁.

3.1.2 工作弧门支座受力分析

按照结构自重、弧门支座推力等荷载力学分布情况，经计算获得牛腿方案的应力分布情况(见图3).原设计方案荷载值及方向与此相同，作用在闸墩上的方式不同(通过钢梁及预应力锚杆传递到闸墩).闸墩混凝土设计C30，堰体混凝土设计采用C20，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)，变形模量值Ec取值为闸墩3.00e4MPa、堰体2.55e4MPa，泊松比μc=0.167[2].

图3 支座受力简图

3.1.3 网络模型参数设置

采用自下而上的建模方式，将溢洪道闸墩及堰体断面简化，建立有限元计算模型.为了解除闸墩左、右侧边界条件对受力分析的影响，尽量扩大有限元计算模型[3-4].闸墩及堰体均采用空间8节点等参实体单元进行离散.计算范围为闸墩左、右侧各扩展3 m，模型结点数共31 058个；单元数共25 266个(其中：X轴为由上游水平指向下游的顺水流方向；Y轴为铅垂线向上方向；Z轴为平行大坝轴线方向由左岸水平指向右岸).密度参数值选取2 500 kg/m3.按照堰体底部采用全约束，左/右侧自由约束条件，其有限元仿真模型(见图4,图5).

图4 推荐牛腿方案整体有限元计算网格

图5 钢梁方案整体有限元计算网格

3.1.4 应力计算结果分析

闸墩厚3 m，按照0.5 m的计算量纲，将闸墩划分为中心应力截面、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截面进行应力分析.计算获得闸墩典型截面应力等势线图(见图6～图9).

计算获得闸墩不同截面的应力结果对比数据(见表1).

图6 牛腿方案中心偏移1.5 m第一主应力

图7 牛腿方案中心偏移1.5 m xy平面应力

图8 钢梁方案中心偏移1.5 m第一主应力

图9 钢梁方案中心偏移1.5 m xy平面应力

表1 闸墩截面应力计算成果表单位：MPa

由表1可知，推荐方案(钢筋混凝土牛腿方案)整个结构模型最大第一主应力为4.718 MPa，最大xy平面应力为0.808 MPa，均出现在弧门支座推力支撑牛腿根部上游侧；原钢梁方案最大第一主应力为5.427 MPa，最大xy平面应力为1.923 MPa.对于推荐牛腿方案，闸墩表面最大主拉应力大于原设计C30混凝土的最大允许拉应力，最大xy平面应力小于C30混凝土允许拉应力.对于钢梁方案，闸墩表面最大主拉应力和最大xy平面应力均大于原设计C30混凝土的最大允许拉应力.

3.2 闸墩稳定分析

对于推荐的牛腿处理方案，必须保证新增闸墩与原闸墩间的可靠连接.根据《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)，采用抗剪断强度和抗剪强度公式[5]进行计算.计算结果表明：抗剪断强度Kc=3.58，新增闸墩沿原闸墩混凝土接触面抗滑稳定满足运行安全需求；抗剪强度Kc=0.28<1.1，新增闸墩沿原闸墩混凝土接触面抗滑稳定不满足运行安全要求，需在403.78～410.0 m新加高闸墩表面增设32根Ф32锚筋.

4 闸墩钢筋混凝土牛腿处理

在查询《水电站机电设计手册(金属结构)》及相关文献资料，均未发现有采用预应力钢梁作为弧形工作闸门支撑座的成功案例.锚杆质量及施工工艺存在较多安全不确定性因素，同时根据原设计重新布设或加强锚杆困难较大.结合应力分析结果，考虑到现场已施工完成的预应力锚杆存在多次断裂事故，设计取消原钢梁方案，推荐采用钢筋混凝土牛腿方案进行事故处理.

(1)根据支座受力分布及应力分析结果，钢筋混凝土牛腿方案设计拟定将闸墩尾部从原设计403.78 m高程加高到410.0 m高程，加高6.22 m，宽3.0 m，混凝土强度等级为C30.加高闸墩面增设钢筋采用焊接方式与原闸墩面钢筋进行有效连接.按原设计(竖向Ф24@150，水平向Ф14@200)配筋均匀布满闸墩面.

(2)在403.78～410.0 m加高范围内增设钢筋混凝土牛腿，作为工作弧门支座.闸门启闭时的支座推力经牛腿传递到闸墩[6].牛腿尺寸为：1.70 m(W)×2.2 m(H)×0.5 m(D悬出闸墩面的厚度)，C30混凝土.弧门支座按1级建筑物进行结构设计，计算得牛腿需配置12根Ф32(HRB335级钢筋)受力钢筋，间距150 mm.

(3)在闸墩尾部403.78 m高程面上设0.3 m(W)×0.3 m(H)键槽，凿毛混凝土凹凸接触面并配Ф25插筋以确保新加高闸墩与已施工完成闸墩间的连接可靠性；在6.22 m新加高闸墩面增设32根，设计抗拔力185 kN，长3.5 m的Ф32锚筋.锚入已施工完成闸墩2.0 m、新加高闸墩1.5 m，并与闸墩中其他钢筋焊接.闸墩中配设Ф24@200钢筋网.

(4)结合现场已预埋的预应力锚杆，通过在预应力锚杆端部增设1.5 m厚的钢板作为锚固板，经锚固板及预应力锚杆以增强支座推力传递性.

(5)设计采取在闸墩表面开浅槽布设扇形钢板条的方法，利用钢板条及碳纤维替代已施工完成闸墩内部的扇形局部受拉钢筋，以增强闸墩受力.同时考虑到设计的一致性，新加高闸墩部位扇形局部受拉区仍采用相同方法进行局部受力补强.