某排沙底孔结构除险加固

李　超，万克诚，李　洋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)



某排沙底孔结构除险加固

李超，万克诚，李洋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

随着中国部分中小型水电站多年的运行，陆续出现了各种安全问题，为保证水库安全，需对各病险水库进行除险加固。文章以某水电站排沙底孔结构为例，针对排沙底孔外包钢筋混凝土开裂、露筋，采用有限单元法对原结构和加固结构进行了分析计算。最终确定在原有结构基础上采取加固措施的方法，为排沙底孔结构除险加固提供了一种可行的方案。

除险加固；排沙底孔；有限单元法；水电站

0　前　言

中国建于20世纪 50～70 年代的水电站受当时经济技术条件的限制，工程建设标准低，施工质量总体偏差，加上长期的管理、维护和更新投入不足，运行维护人员专业技术欠缺，导致工程老化失修严重，部分水库带“病”运行，存在着严重的安全隐患和失事风险[1-3]。

泄洪建筑物结构裂缝、失稳、破坏、无消能工或消能工不完善、基础淘刷等；输水建筑物裂缝、断裂、露筋、剥离、冲蚀、漏水，严重影响建筑物结构的整体性和安全性[4]。

本文以某水电站排砂底孔结构为例，该排砂底孔原结构为钢筋混凝土，过流断面为矩形，尺寸为3 m×5 m(宽×高)，配筋情况见表1。由于排砂底孔外包钢筋混凝土开裂、露筋，造成钢筋锈蚀、断面减小，对原结构进行配筋复合表明原钢筋混凝土结构不满足规范强度和刚度要求，必须采取加固措施。参考文献[5-7]，加固措施采取减小过流断面为圆形，直径2.2 m，增加壁厚16 mm钢衬。排沙底孔典型剖面结构尺寸见图1。

表1　原结构底孔配筋表

图1　　排砂底孔典型剖面　单位：cm;桩号，m

采用有限单元法[8-13]，对原结构和加固结构进行计算，复核了原结构配筋并研究加固结构的可行性。

1　计算模型、参数及工况

1.1计算模型

计算模型直角坐标系原点位于剖面左下角，X轴沿左右岸方向指向右岸，Y轴竖直向上，Z轴沿水流向指向上游。排沙底孔结构剖面采用PLANE182单元划分网格，打开单元平面应变属性。考虑到仿真分析主要目的在于分析排沙底孔结构，为减少计算时间，同时保证计算精确，靠近排沙底孔结构的混凝土结构单元划分紧密，其余远端混凝土单元划分稀疏。模型底部3向约束。原结构及加固结构典型剖面有限元模型见图2、3。

1.2计算参数

本次计算所采用的物理力学参数见表2～4。

表2　混凝土参数表

表3　钢筋参数表

表4　钢材参数表

图2　原结构典型剖面有限元模型图

图3　加固结构典型剖面有限元模型图

1.3工况及作用组合

计算工况考虑正常蓄水位、校核洪水位、施工、检修和地震工况。考虑到该底孔只在非汛期无泄洪时段闸门挡水检修，此时下游尾水位低于底孔底高程，与施工工况一样，只有重力作用，不存在内、外水压力，对于外包混凝土配筋计算必然不是控制工况；该底孔结构按3级建筑物设计，工程区基本烈度6度，抗震不设防，地震工况也不用考虑；正常蓄水位工况底孔充水，厂房满发尾水位低于底孔底高程，因此底孔结构存在内水压力而无外水压力；校核洪水位工况底孔过流，校核洪水相应下游水位高于底孔底高程，因此底孔结构存在内水压力和外水压力。工况及作用组合具体见表[14-15]。

表5　工况及作用组合表

2　计算结果与分析

2.1工况1应力场分析

原结构及加固结构典型剖面工况1应力云图见图4～7。

图4　原结构X向应力云图

图5　原结构Y向应力云图

原结构顶、底部厚度很大，相比左、右边墙，刚度较大，左、右边墙类似于两端固结在顶、底部的竖向梁，结构自重对竖向梁起到预压应力作用，在内水压力作用下，左、右边墙向外侧变形。典型剖面X向应力最大值为2.19 MPa，出现在排沙底孔底部靠近左岸侧，同时排沙底孔顶部X向应力也较大，大于混凝土抗拉强度设计值，需要采取配筋措施；Y向应力最大值为1.66 MPa，出现在排沙底孔左边墙外侧，同时排沙底孔右边墙外侧Y向应力也较大，大于混凝土抗拉强度设计值，需要采取配筋措施。

图6　加固结构环向应力云图

图7　加固结构Y向应力云图

加固结构内加钢衬，在内水压力作用下，钢衬与外包混凝土联合受力，外包混凝土变形量和应力水平降低。典型剖面环向应力最大值为0.53 MPa，出现在排沙底孔底部，同时排沙底孔顶部也存在不大的环向应力；Y向应力最大值为0.04 MPa，出现在排沙底孔左边墙外侧。

2.2工况2应力场分析

原结构及加固结构典型剖面工况2应力云图见图8～11。

原结构顶、底部厚度很大，相比左、右边墙，刚度较大，左、右边墙类似于两端固结在顶、底部的竖向梁，结构自重对竖向梁起到预压应力作用，结构内水压力远大于外水压力，在内、外水压力作用下，左、右边墙向外侧变形。典型剖面X向应力最大值为1.91 MPa，出现在排沙底孔底部靠近左岸侧，同时排沙底孔顶部X向应力也较大，大于混凝土抗拉强度设计值，需要采取配筋措施；Y向应力最大值为1.45 MPa，出现在排沙底孔左边墙外侧，同时排沙底孔右边墙外侧Y向应力也较大，大于混凝土抗拉强度设计值，需要采取配筋措施。

图8　原结构X向应力云图

图9　原结构Y向应力云图

加固结构内加钢衬，结构内水压力远大于外水压力，在内、外水压力作用下，钢衬与外包混凝土联合受力，外包混凝土变形量和应力水平降低。典型剖面环向应力最大值为0.46 MPa，出现在排沙底孔底部，同时排沙底孔顶部也存在不大的环向应力；Y向应力最大值为0.04 MPa，出现在排沙底孔左边墙外侧。

2.3配筋计算

根据DL/T5057-2009《水工混凝土结构设计规范》附录D的配筋方法，综合2个工况的计算结果，对原结构与加固结构进行配筋计算，结果见表6、7[16]。

图10　加固结构环向应力云图

图11　加固结构Y向应力云图

表6　原结构典型剖面底孔计算配筋面积表

表7　加固结构典型剖面底孔计算配筋面积表

3　结　语

对比各工况计算结果，工况1是外包混凝土配筋的控制工况。

原结构底孔过流断面为矩形断面，在内水压力作用下，4个角点部位出现应力集中现象，同时边墙抗弯刚度低，向外变形，导致边墙外侧应力水平高，总之，原结构断面应力分布不均匀，结构承载能力低，导致钢筋混凝土开裂、露筋，根据配筋计算结果，底孔顶部、底部和边墙外侧配筋面积不够，不能满足规范要求，需加固处理。

加固结构在原结构钢筋混凝土基础上减小断面、增加钢衬，使钢衬成为承受内水压力的主要结构，大大降低底孔孔口附近混凝土拉应力水平，避免应力集中，减小边墙变形，除孔口附近存在环向拉应力外，其余部位混凝土呈压应力状态，应力水平低，断面应力分布均匀，发挥了钢材抗拉强度高、混凝土抗压强度高的优势，结构承载能力高，根据配筋计算结果，孔口附近配置环向钢筋较少，施工便利。由分析可知，加固结构设计合理，方案可行，为排沙底孔结构除险加固提供一种思路。

[1]孙继昌.中国的水库大坝安全管理[J].中国水利，2008(20):10-14.

[2]吴焕新.病险水库除险加固治理效果综合评价体系研究[D].济南：山东大学，2009.

[3]吴中如.金永强.马福恒,向衍.水库大坝的险情识别[J].中国水利，2008(20)：32-33.

[4]井书光,除险加固水库建筑物水力特性研究[D].天津：天津大学建筑工程学院，2012.

[5]盛金宝,沈登乐,傅忠友.我国病险水库分类和除险技术[J].水利水运工程学报，2009(04)：116-121.

[6]谭界雄,高大水,周和清,位敏.水库大坝加固技术[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[7]王萍,夏仲平.病险水库除险加固中的主要技术措施[J].人民长江，2006(08)：87-88.

[8]丁科,殷水平.有限单元法[M].北京：北京大学出版社，2012.

[9]陈国荣.有限单元法原理及应用[M].北京：科学出版社，2009.

[10]文国治，李正良.结构分析中的有限元法[M].武汉：武汉理工大学出版社，2010.

[11]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京：北京大学出版社，2003.

[12]邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[13]徐鹤山.ANSYS在建筑工程中的应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[14]国家能源局.混凝土重力坝设计规范:NB/T 35026-2014[S].北京：中国电力出版社，2015.

[15]国家经济贸易委员会.水工建筑物荷载设计规范:DL 5077-1997[S].北京：中国电力出版社，1997.

[16]国家能源局.水工混凝土结构设计规范:DL/T5057-2009[S].北京：中国电力出版社，2009.

Risk Elimination and Reinforcement of Structure of Sand Sluicing Bottom Outlet

LI Chao, WAN Kecheng, LI Yang

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

With operation of small & mediate hydropower stations for a couple of years, various risks occur continuously. To secure the reservoir safety, reservoirs with risks need to be reinforced with risk elimination. One sand sluicing bottom outlet of a hydropower station is taken for example. Both the existing structure and the reinforcing structure are analyzed and calculated by application of finite element method regarding cracks and reinforcement exposure of the external reinforced concrete of the bottom outlet. Finally, the measures of the reinforcement on the existing structure are taken. It provides reinforcement with risk elimination of sand sluicing bottom outlet with a feasible scheme. Key words:risk elimination and reinforcement; sand sluicing bottom outlet; finite element method; hydropower station

1006—2610(2016)04—0054—04

2016-01-26

李超(1989- )，男，陕西省西安市人，助理工程师,从事水利水电工程水工结构设计工作.

TV673+.3；TV544

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.014