近尾洲水电厂泄洪闸闸墩裂缝成因研究分析

2014-12-06傅旭

湖南水利水电 2014年4期

傅旭

（五凌电力公司近尾洲水电厂衡阳市 421127）

引言

近尾洲水电厂位于湘江中游，是湘江干流开发规划中的第五级电站，是一个以发电为主、兼具航运、灌溉等综合效益的工程。坝址以上控制流域面积28 600 km2，多年平均流量752m3/s，总库容4.6亿m3，电站总装机容量为63.18MW，设计水头6.8m，为径流式低水头电站，设22孔泄洪闸，6孔为平底闸、16孔为实用堰；近尾洲水电站工程于1994年9月开工建设，2002年9月工程通过竣工安全鉴定和竣工质量鉴定，2010年通过首次大坝安全定期检查。

2010年9月进行首次大坝安全定期检查工作中，提出大坝泄洪闸闸墩液压油缸支铰附近等部位存在的裂缝应重点关注，根据大坝定检的鉴定意见，2010年10月电厂组织进行了全面检查，2012年组织进行了“泄洪闸薄壁闸墩裂缝对其安全稳定性影响研究”项目，对闸墩混凝土外观、强度进行检查检测，对闸墩结构进行分析计算，以对泄洪闸闸墩裂缝成因进行研究分析及提出后续处理意见。检查、研究发现近尾洲溢流坝23个闸墩均有裂缝分布、共计发现裂缝352条，贯穿性等部分裂缝对闸墩结构安全性存在不利影响，部分裂缝对闸墩的安全稳定性在短时间内没有太大的影响，但由于裂缝的存在，将钢筋暴露在外部，极易将钢筋腐蚀，长此以往对闸墩的安全稳定性同样存在不利影响。

1 泄洪闸闸墩检测情况

近尾洲工程溢流坝系闸坝型式，总长358.2m，闸坝底宽24m，最大坝高26m，共设22孔溢流孔口，其中 1#～6#孔为平底闸、7#～22#孔为实用堰（WES堰型），其中 0#闸墩厚 4m，1#～6#闸墩厚 2.2m，7#～21#闸墩厚2m，22#闸墩厚3m，溢流坝闸墩属于薄壁闸墩，闸墩配筋为常规钢筋、未采用预应力钢筋，沿弧门支臂方向布设有射线钢筋。闸孔采用露顶式钢质弧门挡水，使用液压启闭机启闭闸门，启闭机与闸墩联结。表1为闸门主要技术参数。

表1 闸门主要技术参数表

1.1 检测方法及部位

检测主要进行了以下项目：

（1）表观检测：检查全部闸墩的钢筋混凝土等材料表面的颜色，腐蚀层厚度、混凝土脱落及其他表面物理特征，分析确定破坏程度，检查整体结构的裂缝、变形和构件的局部破坏情况，统计裂缝分布的部位与规律，定性分析裂缝、变形的性质。

（2）材料强度的检测：采用回弹法、超声波法、取芯法检测混凝土强度。

（3）混凝土强度检测测区布置：

① 裂缝检查：溢流坝23座闸墩混凝土裂缝；

② 混凝土碳化及回弹检查：溢流坝23座闸墩两侧闸墙混凝土，每个闸墩左右两侧闸墙均匀布置12个测区，测区见附图。

③ 混凝土超声检查：溢流坝23座闸墩两侧闸墙混凝土。每个闸墩左右两侧闸墙均匀布置6个测区，测区见附图。

④ 混凝土取芯：在溢流坝 1#边墩、5#、10#、15#、18#闸墩顶部坝轴线处各取一组芯样（每组3～6个芯样），共 5组。

1.2 检测情况

1.2.1 裂缝检查情况

近尾洲溢流坝共23个闸墩（闸墩结构图参考附图），每个闸墩上均有裂缝分布，共发现裂缝352条，裂缝分布范围和形式主要有以下几种：

附图闸墙混凝土回弹及超声测区布置示意图

（1）溢流坝23个闸墩距坝轴线上游约2.3m，高程75m，闸墩顶部与弧门液压站房楼梯的结合部位两侧均有斜向下游15°～45°（少数为垂直向）裂缝分布。裂缝长度（0.5～3）m 之间，裂缝宽度（0.05～0.2）mm之间，大部分裂缝深度在（100～500）mm 之间，少数裂缝深度在500mm以上，局部析出钙化物。这个部位的裂缝主要为B类、C类裂缝。

（2）溢流坝23个闸墩中部，即坝轴线上游1.5 m～坝轴线下游5.5m之间，均有近似垂直向的裂缝分布。裂缝长度（1.0～10）m 之间，裂缝宽度（0.05～0.6）mm之间（个别裂缝宽度1.0mm左右），大部分裂缝深度在（200～1 000）mm 之间，少数裂缝深度在1 000mm以上，局部析出钙化物。这个部位的裂缝主要以C类裂缝为主，部分为D类裂缝。

（3）溢流坝23个闸墩支铰的预埋件两侧附近，即坝轴线下游5.5m～坝轴线下游8.0m之间，有近似垂直向的裂缝和环形裂缝分布。裂缝长度（0.5～5）m 之间，裂缝宽度（0.05～0.3）mm 之间（少数裂缝宽度 0.3mm～0.5mm 之间），裂缝深度在（100～600）mm之间，局部析出钙化物。这个部位的裂缝主要为C类裂缝。

（4）溢流坝23个闸墩牛腿附近，即坝轴线下游8.0m～坝轴线下游13.0m之间，有近似垂直向的裂缝和斜向裂缝分布。裂缝长度（0.2～4）m之间，裂缝宽度（0.05～0.3）mm 之间（少数裂缝宽度 0.3mm～0.6mm之间），大部分裂缝深度在（100～800）mm 之间，少数裂缝深度在（800～1 000）mm之间，局部析出钙化物。这个部位的裂缝主要为C类裂缝，个别为D类裂缝。

（5）经过统计，大于0.25mm裂缝宽度有38条，裂缝宽度最宽的为1mm（17#闸墩），裂缝宽度大于0.25mm且深度达到1.0m以上有17条；裂缝深度大于0.3m有243条，闸墩相对应部位裂缝深度到（1.0～1.5）m（＞1/2 闸墩厚度）的裂缝有 27 条；闸墩相对应部位裂缝深度达到1.5m以上（＞3/4闸墩厚度）的裂缝有16条；贯穿性裂缝共有16条，主要分布在 15#闸墩（4 条）、16#闸墩（3 条）、14#闸墩（2条）、3#、5#、7#、12#、13#、17#、20#闸墩（各 1 条），这些裂缝对闸墩结构的安全有较大的影响。

1.2.2 混凝土强度检测

各闸墩混凝土强度最高值为19#闸墩的23.4 MPa，最低值为0#闸墩的12.7MPa，闸墩混凝土平均强度为17.7MPa之间，由抗压强度标准值推得溢流坝段闸墩混凝土实际强度等级为C25。

1.2.3 碳化

各闸墩最大碳化深度为21mm，碳化深度小于钢筋保护层厚度，但由于闸墩裂缝较多，裂缝部位钢筋仍然可能发生锈蚀，非裂缝处的钢筋还在混凝土碱性保护之中，钢筋暂时不会生锈。

1.2.4 混凝土性能检测

闸墩的单个芯样混凝土强度最大为23.0MPa，最小为13.1 MPa，抗压强度推定为13.5 MPa，推出闸墩混凝土强度等级为C20；溢流坝闸墩混凝土弹性模量为2.25×104MPa，根据规范可以看出溢流坝闸墩混凝土弹性模量与C15相当；通过混凝土强度及性能检测表明溢流坝闸墩混凝土还处于较良好的状态。

2 闸墩结构计算分析

2.1 闸墩平面复核验算

（1）平底闸段结构复核计算。

① 根据现行规范验算作用在闸门上的静水压力、溢流坝段平底闸段闸墩一侧弧门支座的推力为5 130 kN，启门瞬间的侧向推力为6 208.445 kN。

② 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积验算见表2。

③ 弧门支座附近闸墩局部受拉区的裂缝控制计算见表3。

表2 平底闸段扇形钢筋截面面积成果表

表3 平底闸段扇形钢筋截面面积成果表

（2）消力池、护坦段段结构复核计算。

① 一侧弧门支座的推力为3 489 kN，瞬间的启门力为4 151.05 kN，而作用于油缸支铰处对溢流坝消力池段闸墩的拉力为603.52 kN。

② 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积验算见表4。

③ 弧门支座附近闸墩局部受拉区的裂缝控制计算见表5。

（3）复核验算小结。

① 平底闸段中墩和边墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积均不满足现行规范要求；平底闸段中墩和边墩受拉区裂缝控制均不满足现行规范要求。

表4 消力池、护坦段段扇形钢筋截面面积成果表

表5 消力池、护坦段段闸墩受拉区裂缝控制安全复核成果表

② 消力池、护坦段中墩和边墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积均不满足现行新规范要求；消力池、护坦段中墩和边墩受拉区裂缝控制均不满足现行新规范要求。

③ 根据《水工混凝土结构设计规范》（DL/T 5057-2009）第13.10.2条的要求，闸墩扇形钢筋延伸长度应≥2.5 h，溢流坝闸墩扇形钢筋延伸长度刚好满足要求，富裕度不大。

2.2 闸墩三维有限元计算

采用混凝土材料的非线性本构关系进行非线性有限元法模拟计算，根据Mises应力图、第一主应力图、Mises等值线图、第一主应力等值线图、双侧受力下溢流坝消力池“X、Y、Z”方向位移图、单侧受力下溢流坝消力池“X、Y、Z”方向位移图、单侧受力下溢流坝消力池闸墩第一主应力矢量图等计算结果表明：

（1）闸墩在自重+水压力+弧形闸门推力（闸墩两侧工作闸门同时关闭）的共同作用下（设定拉应力为正，压应力为负），牛腿附近的拉应力最大，然后沿着闸墩向外围逐渐减小。

（2）混凝土破坏的主要因素是最大拉应力，从第一主应力等值线可以看出，闸墩从台阶处到牛腿处拉应力值为（0.13～2.537）MPa。

（3）从主应力图中可以看出，结构绝大部分区域在自重和静水压力以及弧形闸门推力的作用下处于受压状态，压应力数值比较小。在牛腿受荷面与闸墩连接处发生应力集中，第一主应力达到最大值，但个别节点（牛腿受荷面的角点处）的拉应力达到了2.348MPa，明显超过了C20混凝土的最大抗拉强度设计值1.10MPa。

（4）从计算结果可以看出，溢流坝闸墩在台阶上游侧绝大部分拉应力几乎为零，所以很少会出现受拉破坏而产生的拉应力裂缝，这与现场检验的结果基本上是一致的。

（5）从计算结果可以看出，闸墩在受一侧弧门推力作用时，空间位移都比受二侧弧门推力作用时明显要大许多；在单侧弧门推力下，受推力作用面主要承受拉应力，而另一侧未受推力作用面主要承受压应力，因此相对于双侧受推力作用更容易遭受受拉破坏。在牛腿及闸墩复核验算部分，弧形闸门在受一侧推力作用下的承载能力明显低于闸门受二侧推力作用下的承载能力。在牛腿附近拉应力值较大，最大达到了2.547MPa，这个应力值已经超过了C20混凝土的抗拉强度标准值，容易受拉破坏。

（6）根据三维有限元的计算结果可以看出：闸墩裂缝的分布规律与闸墩受力状态比较吻合，可见闸门推力是闸墩裂缝产生的原因之一。

2.3 温度应力对闸墩的影响

使用ANSYS软件热-结构耦合场分析，计算中考虑了混凝土分层浇筑（利用生死单元实现）、层厚、施工间歇、水动热温升变动、徐变、材料不同分区、浇筑温度、对流边界条件、重力荷载等条件和因素，气温采用实测气温的平均值，结果表明：

（1）经过28天的浇筑，溢流坝消力池段闸墩的第一温度主应力在闸墩底下部分达到最大值，然后以它为源点不断减小，最大处达到9.215MPa，最小处为-0.071 27MPa，而闸墩的Mises温度应力最大处达到12.506MPa，应力分布与第一主应力类似。

（2）根据计算结果可以看出：温度应力的分布规律与闸墩裂缝分布不相符，可见温度应力不是产生裂缝的主要原因。

（3）由于缺乏有关施工期温度的相关资料和信息，故温度应力计算所取的各项参数都是根据有关文献参考而来，温度应力计算结果仅作为温度对闸墩裂缝影响的一个参考。

2.4 混凝土开裂模拟计算

在已知溢流坝闸墩裂缝存在的条件下，为了评估裂缝对闸墩的安全稳定性的影响，取存在三条贯穿性裂缝的16#闸墩作为计算对象，模拟正常水位作用下裂缝对闸墩应力的影响。

模拟计算表明：消力池闸墩裂缝存在下的第一主应力与其主应力矢量图与没有裂缝相比：①应力向前（上游）传递的量要小，向下传递的量要大一点；②局部应力有所增加，裂缝端部最大应力增大了16%左右；③裂缝对闸墩底部的应力影响比较均衡，在量值上没有大的影响。

3 结论

1993年设计院是依据原SDJ20-78《水工钢筋混凝土结构设计规范》对大坝水工混凝土结构进行设计的，当时对弧形闸门支座设计并没有硬性要求，1997年电力部修编《水工混凝土结构设计规范》后增加了弧形闸门支座设计内容，本研究是依据《水工钢筋混凝土结构设计规范》（DL/T 5057-2009）规范实施的。通过对混凝土检测及闸墩结构计算分析表明：

（1）混凝土收缩（包括化学收缩和自身收缩）是引起闸墩顶部与弧门液压站房楼梯的结合部位斜裂缝的主要原因。

（2）闸墩呈现规律性的垂直裂缝主要分布在闸墩扇形钢筋受拉区及弧门支座附近闸墩局部受拉区，表明混凝土的收缩外加设计荷载作用下的受拉是造成闸墩中部、支铰及牛腿附近垂直向裂缝的主要原因，而环境温度变化形成的温度应力对裂缝也有一定的影响。

（3）危害。裂缝的出现将造成钢筋的外露，加快钢筋的锈蚀，随着钢筋不断的锈蚀、锈蚀物膨胀，使混凝土开裂脱落失去共同受力作用，在温度效应的作用下钢筋承受裂缝收缩时所产生的附加应力，使钢筋受损，因而给闸墩的安全运行埋下隐患，且溢流坝闸墩裂缝数量较多，且有不少裂缝深度大于1/2闸墩厚度，对闸墩结构有较大的影响，根据规范的要求，应对闸墩裂缝采取封口灌浆等加固处理措施。

（4）裂缝形成的主要原因是由于闸墩牛腿附近拉应力值较大，受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积及闸墩裂缝控制均不满足现行规范要求，应对闸墩进行补强加固，保证结构的安全运行。