多源信息融合诊断技术在无资料溢流坝结构安全复核计算中应用

2023-11-17李昊洋姚纪华刘亚玲李义方

水利规划与设计 2023年11期

李昊洋，姚纪华，刘亚玲，李义方

(1.湖南弘裕洋项目管理有限公司，湖南长沙 410036；2.湖南省水利水电科学研究院，湖南长沙 410007；3.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心，湖南长沙 410007；4.湖南九一工程设计有限公司，湖南长沙 410018)

1 研究背景

目前国内很多运行中有闸控制混凝土坝建于20世纪五六十年代左右，已服役超过50年，由于水库建设期资料不完整或保存不当缺失，导致其溢流坝段闸墩和弧门支座结构安全无法复核。而这一时期修建的闸坝往往受当时施工技术和砌筑材料等影响，其结构强度、材料质量、配筋等标准相对偏低，结构易老化，使用寿命短，导致这些溢流坝的闸墩和弧门支座存在重大安全隐患。因此，基于溢流坝闸墩和弧门支座现状结构材料强度和配筋，复核其结构安全，借以判定其是否需要除险加固和适合继续服役是极其重要的。

闸坝质量检测方面目前已有诸多探索，以单一物探法、综合物探法等无损质量检测和有损检测的理论和运用研究成果较多。但这些成果多是研究闸坝渗漏隐患和质量缺陷的识别、解译技术应用，对闸坝材料组成、结构强度及内置钢筋直径、间距等诊断的探索成果较少。

闸坝结构安全稳定性分析相关研究也较多，成果多是基于闸坝设计图纸和报告参数考虑不同工况[18]和因素影响情况下的闸坝结构安全计算和判定[19-22]，采用的分析方法主要为数学理论解析[23]、有限元数值模拟[24-26]和室内模型试验[27]等。但这些研究成果并未考虑闸坝施工质量缺陷、结构材料强度折减和钢筋锈蚀老化等因素而往往导致结构安全计算结果失真，对于无资料且服役期长的闸坝结构安全复核的方法和理论相关研究较少。

本文基于无损检测技术、钻芯法和室内试验等多源信息融合诊断技术，获取溢流坝闸墩、弧门支座现龄期材料、强度及配筋等真实数据，利用数学解析规范公式法对其进行结构安全复核。以期为服役期长、无资料的闸坝结构安全计算复核和稳定性判别提供实践经验。

2 基本原理

2.1 无损检测技术方法和原理

现场通过混凝土回弹仪分别对溢流坝闸墩和弧门支座选取具有代表性的测区10个，每个测区弹击16个点、获取16个回弹值，并测定每个测区上砼碳化深度值，最后根据10个测区回弹值、测定角度与碳化深度，进行混凝土结构强度推定[28]。

利用混凝土钢筋检测仪对溢流坝闸墩和弧门支座内钢筋直径、钢筋类型和钢筋间距等进行探测识别。混凝土钢筋检测仪通过混凝土钻芯机对闸坝构件进行钻孔取芯，揭露构件结构组成特征、材料性质、胶结密实程度等信息，是一种有损质量检测方法，但对构件性质揭露很直观[28]。

2.2 钻芯法检测方法和原理

通过混凝土钻芯机对溢流坝闸墩进行钻孔取芯，揭露构件结构组成特征、材料性质、胶结密实程度等信息，是一种有损质量检测方法，但对构件性质揭露很直观[29]。并对钻取的砼芯样进行室内抗压强度试验，获得闸墩砼强度。

2.3 溢流坝稳定安全复核方法及理论

根据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》中10.10可知[30]：

(1)闸墩受两侧弧门支座推力作用时，弧门支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝控制应满足：

Fk≤0.7ftkbB

(1)

(2)闸墩受两侧弧门支座推力作用时，闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积应满足：

(2)

(3)弧门支座的剪跨比a/h0<0.3，且其截面尺寸应符合：

Fk≤0.7ftkbB

(3)

(4)弧门支座的受力钢筋截面面积应符合：

(4)

式(1)、(2)、(3)、(4)中，Fk—按荷载标准值计算的闸墩一侧弧门支座推力值，N；b—弧门支座宽度，mm；B—闸墩厚度，mm；ftk—混凝土轴心抗拉强度标准值，N/mm2；K—承载力安全系数，取1.20；F—闸墩一侧弧门支座推力设计值，N；Asi—闸墩一侧局部受拉范围内的第i根局部受拉钢筋的截面面积，mm2；As—弧门支座与闸墩连接受力钢筋的总截面面积，mm2；θi—第i根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角，(°)；fy—局部受拉钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；a—弧门推力作用点至闸墩与牛腿接触面的距离，mm。

3 工程概况

某水库始建于1965年10月，属沅水一级支流辰水流域二级支流毫罗溪，非溢流坝段为浆砌石重力坝，最大坝高35.5m，坝顶宽10m，坝长126.5m，溢流坝段长50m，为混凝土结构，设闸门4扇，弧门尺寸为10m×9.5m(宽×高)，闸门前最大水头高度为9.3m，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合效益的中型水库。

运行至今已近60年，但溢流坝段4扇闸门一直未更换，已严重超出折旧年限，且4扇闸门面板局部点厚度已小于6mm，必须进行报废更换，设计拟更新闸门相比现有闸门自重增加。且现场检测发现，2#闸墩与左右弧门支座及4#闸墩与左弧门支座的接触部位上游面边线皆见有细小裂缝，裂缝长度分别为8.4、10.1、2.3cm，结构存在安全隐患。但由于建库期资料遗失，溢流坝段弧门支座和闸墩的截面尺寸、配筋和砼强度等信息无法获知，而导致弧门支座及闸墩结构安全无法复核。

为查明溢流坝段弧门支座、闸墩、启闭机支撑梁砼强度及配筋等，基于无损检测技术、钻芯法和室内试验等多源信息融合诊断技术，获取溢流坝闸墩和弧门支座现龄期材料、强度及配筋等真实数据，利用数学解析规范公式法对其进行结构安全复核。

4 成果与分析

4.1 闸墩、弧门支座材料及强度

考虑到弧门支座与闸墩连接区域，弧门支座和闸墩结构不遭受破坏而导致强度折减，以混凝土回弹仪检测为主，闸墩其他部位可采用无损检测、钻芯和室内试验相结合方法，选取具有代表性测区10个，揭露闸墩、弧门支座材料及强度等信息，见表1。

表1 闸墩、弧门支座材料组成、强度及结构尺寸成果统计表

由表1可知，溢流坝段所有闸墩及弧门支座皆为钢筋混凝土结构；左右边墩宽度B皆为2400mm，砼强度等级皆为C20；中墩宽度B皆为2000mm，砼强度等级多为C15，以2#闸墩强度最低；所有弧门支座结构尺寸都为1500(b)×2500(h)，砼强度等级多为C15，2#闸墩左右弧门支座结构强度最低，属于溢流坝最不利结构部位。

4.2 闸墩、弧门支座配筋

闸墩和弧门支座钢筋直径和间距采用高精度混凝土钢筋检测仪(ZBL-R630)进行探测，其识别结果见表2，如图1—2所示。

图1 闸墩扇形钢筋分布图

图2 中墩及两侧弧门支座钢筋分布图

表2 闸墩、弧门支座钢筋直径及间距成果统计表

同时在闸墩与弧门支座接触区域，所有闸墩局部受拉区皆检测出闸墩内扇形局部受拉钢筋，钢筋类别也为HRB335，直径26mm，通过在闸墩上探测定位划线，扇形钢筋共有25根，通过标定测量，扇形钢筋是以弧门推力方向为中线向两侧每隔约2°布设一根(零星钢筋角度稍有偏差)，扇形两端边缘与弧门推力方向夹角皆约为24°。

4.3 闸墩、弧门支座结构安全复核

由表1可知，2#闸墩及其左右侧弧门支座结构强度最低，属于溢流坝最不利结构部位。因此，本次溢流坝结构安全计算复核选取2#闸墩及其左右侧弧门支座为计算对象。经计算，闸门和启闭机更换后，最不利工况时，蓄水至设计水位(即闸门前最大水头高度为9.0m)，此时半扇闸门上所受最大的静水压力为：Ph=0.5×10×9.32×10×0.5=2162.3kN

半扇闸门所受浮力为Pv=1782.0kN。

一侧弧门支座所受最大推力(标准值)约为：

(5)

由于该水库为中型水库，溢流坝段属于主要建筑物，为3级，使用期承载力计算，安全系数K应取1.20；弧门支座所受推力是弧门前水作用力合力，属于可控制其不超过规定限值的可变荷载，标准值转化设计值，系数取1.20。

(1)闸墩受两侧弧门支座推力作用时，弧门支座附近闸墩的局部受拉区的抗裂验算：

0.7ftkbB=0.7×1.27×1500×2000

=2667.0kN≤Fk=2802.0kN

(6)

可见，弧门支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝控制不满足。

(2)闸墩受两侧弧门支座推力作用时，闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积验算：

=335×3.14×142×[2×(cos2°+cos4°+cos6°

+cos8°+cos10°+cos12°+cos14°+cos16°

+cos18°+cos20°+cos22°+cos24°)+cos0°]

=4304.84kN

≥KFk=1.20×1.20×2802.0=4034.9kN

(7)

可见，闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积满足。

(3)弧门支座的剪跨比a/h0=400/(2500-50)=0.163<0.3，且其截面尺寸验算：

0.7ftkbh=0.7×1.27×1500×2500

=3333.8kN>Fk=2802.0kN

(8)

可见，弧门支座截面尺寸满足。

(4)弧门支座的受力钢筋截面面积验算：

As=8×3.14×132=4245.3mm2

=2458.1mm2

(9)

可见，弧门支座受力钢筋截面面积满足。

综上所述，2#闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积、弧门支座截面尺寸和弧门支座受力钢筋截面面积皆满足要求，但弧门支座附近闸墩的局部受拉区的抗裂不满足，2#闸墩弧门支座附近闸墩的局部受拉区会发生结构开裂和破坏，这与现场发现2#闸墩左右侧弧门支座与闸墩接触部位上游面边线分别存在长度为8.4cm和10.1cm细裂缝是相符的。