马头砦溢洪道复核加固设计及有限元验证分析

王志兵

(湖北省漳河土木工程设计院，湖北 荆门 448000)

1 概述

溢洪道能有效控制洪水，实现水库的调节和平衡，在应对自然灾害、保护生态环境和维护可持续发展方面发挥着关键作用。[1-5]。然而，受结构强度和周围环境的影响，溢洪道的建筑结构如闸门、阀门、水封等组件如果损坏或失效，可能导致无法有效控制水流，洪水无法得到适时的排放和控制，从而增加洪灾风险，因此需要采取及时的加固措施[6-11]。

马头砦溢洪道原为一条长约800m、宽225m、深35m的冲沟，工程区属构造剥蚀低山丘陵地貌，构造上位于当阳向斜核部，向斜构造线呈北西走向，西翼岩层倾角为8°～15°，东翼岩层倾角为15°～25°。闸室位于向斜轴部，陡槽段、鼻坎段位于向斜西翼。依据“安全鉴定报告书”和“三类坝核查意见”，马头砦溢洪道存在问题包括：①混凝土结构存在胀裂和碳化现象，控制段闸墩、泄槽底板及边墙存在多处裂缝，局部混凝土骨料外露。②弧门支座附近闸墩局部受拉区裂缝控制不满足规范要求，闸墩扇形受拉钢筋截面积不满足规范要求。③泄槽部分边墙顶高程不满足规范要求。④启闭机配电线路缺失老化。因此，针对马头砦溢洪道存在的安全隐患，采取混凝土结构缺陷处理、弧门支座结构加固、泄槽边墙局部加高、金属结构和机电设备改造等加固。马头砦溢洪道闸墩沿45°裂缝如图1所示。

2 溢洪道加固设计

2.1 进水渠加固

马头砦溢洪道进水渠两侧局部为浆砌石护坡，靠近控制段布置了弧形钢筋混凝土翼墙，目前护坡及翼墙运行稳定，翼墙顶高程满足挡水要求，但翼墙表面混凝土存在碳化、裂缝现象。本次加固对施工期控制最低库水位116.0m以上的翼墙表面进行局部破损修补和裂缝灌浆处理。

2.2 控制段加固

控制段采用无底坎宽顶堰控制闸，修建时闸基采取了帷幕灌浆处理，未见异常渗漏现象。控制段存在问题及加固方案为：①控制段闸墩、启闭平台和交通桥等结构混凝土存在裂缝及碳化现象，本次加固采取裂缝灌浆和表面涂抹2cm厚丙乳砂浆+氟碳涂料进行防碳化处理。②针对闸墩与交通桥相接部位45°的长裂缝，经分析先采用骑缝孔贴嘴环氧灌浆，再在顶部裂缝表面平行粘贴5块钢板补强加固，粘贴钢板单根长2m、宽200mm、厚10mm。③针对弧形门支座牛腿部位闸墩限裂和扇形筋不足问题，经研究采取“支座两侧加宽+预应力钢绞线+粘贴钢板”的加固方案。④启闭机房运行多年较为陈旧，考虑到更换启闭机时对机房墙面有所损坏，本次加固对启闭机房进行适当改造，以保证加固后整个工程的整体协调美观。⑤控制段下游侧原交通桥桥面混凝土存在碳化破损，本次加固对桥面适当处治后铺设2cm厚SBS改性沥青应力吸收层和5cm厚AC-13C细粒式沥青混凝土面层，对两侧人行道适当翻修。⑥为满足柴油机和配电柜的安放要求，在控制段左岸合适位置修建一座单层面积130m2的柴油机及配电房。

弧形门支座结构补强加固：①钢筋混凝土支座向两侧各加宽90cm，混凝土强度等级为C30，加宽后弧门支座尺寸为宽340cm、高425cm、外边缘高度290cm、弧门支座高130cm。②闸墩支座两侧各粘贴2根长约16m、宽100mm、厚10mm的Q345b钢板。③两侧加宽支座各预埋4根Φs15.2预应力钢绞线，应力设计值942.8MPa，单根钢绞线设计锚固力为132kN。④为保证加宽部分弧门支座与原弧门支座共同受力，除新老混凝土结合面涂刷界面胶并植筋外，对弧门支座整体外包厚10mm的Q345b钢板。

2.3 泄槽段加固

泄槽桩号0+022.5—0+122.5为一级泄槽段，宽度由55.20m缩至30.0m，纵坡i=1∶10，钢筋混凝土底板厚60cm；桩号0+122.5—0+202.5为二级泄槽段，净宽30m，纵坡i=1∶4，钢筋混凝土底板厚80cm。泄槽段存在问题及加固方案为：①泄槽底板及两侧边墙存在混凝土局部破损和裂缝现象，检测碳化深度约11mm，考虑到泄槽段较长(180m)，不采取抗冲磨和防碳化处理，本次加固只对混凝土表面进行破损修补和裂缝灌浆处理。②桩号0+042.5—0+122.5泄槽边墙高度不满足挡水要求，本次加固采取戴帽加高，加高边墙厚70cm、高40cm，新浇边墙与原边墙按间距50cm植入单排Φ16钢筋。③泄槽边墙外侧混凝土踏步存在变形破损现象，本次加固将其拆除重建，重建C25混凝土踏步宽1m。

2.4 鼻坎段加固

挑流鼻坎段存在的问题与泄槽段相似，本次加固对底板及两侧边墙破损部位混凝土进行修补处理和混凝土裂缝灌浆处理。

2.5 出水渠加固

桩号0+261下游为出水渠，为天然渠道，本次不做加固处理。

3 水力学计算分析

本次除险加固对马头砦溢洪道的泄流能力、控制段挡水高程、泄槽边墙高度、消能防冲等内容进行了复核，但本文由于篇幅原因只列出最重要的溢洪道泄流能力复核和消能防冲复核。

3.1 溢洪道泄流能力复核

马头砦溢洪道控制段采用无底坎宽顶堰，底板高程114.0m，设4个泄洪孔，每孔净宽12m，各设1道弧形闸门。闸后一级泄槽(桩号0+052.5—0+152.5)为收缩段，宽度由55.2m渐变至30.0m，底坡1∶10；二级泄槽(桩号0+152.5—0+232.5)宽30m，底坡1∶4。马头砦溢洪道泄流能力计算公式同陈家冲溢洪道，经复核，泄流能力稍大于原成果(漳河水库调度运用手册中马头砦溢洪道泄流能力)。为确保工程安全运行，本次除险加固采用调度运用手册成果，泄流能力曲线如图2所示。

3.2 消能防冲复核

由于马头砦溢洪道采用差动式挑流进行消能，规范上没有相关的计算公式，根据1986年《漳河水库续建加固工程补充初设报告》，采用以下公式计算：

T=kq1/2Z1/4

(1)

L=L1+L2

(2)

(3)

L2=(T-h)cotβ

(4)

式中，T—自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q—鼻坎末端断面单宽流量，m3/(s·m)；k—综合冲刷系数，按照SL 253—2018《溢洪道设计规范》对于马头砦溢洪道取k=1.4；L—自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舍外缘挑距，m；L1—水舌外缘至河床面挑距，m；L2—水舌外缘从河床面到坑底水平距离，m；θ—挑流水舌水面出射角，近似可取用鼻坎挑角30°；Ф—流速系数，取0.9；h—冲坑底部到河床床面的高度，m；β—冲坑边坡与水平面的夹角，(°)。

根据计算结果，100年一遇洪水位为124.3m，下游水位为86.60m，溢洪道下泄流量为2457m3/s，鼻坎段宽度为30m，鼻坎挑角为30°。经计算挑距L=78.58m、冲坑深T为11.78m。冲坑底坡=1/6.67<临界边坡ik(1/2.5～1/5)，冲刷坑不会危及溢洪道的结构安全。

4 控制段结构受力分析

为了分析马头砦溢洪道控制段闸墩出现45°斜向裂缝的产生原因，开展如下有限元计算分析工作。

4.1 数值模型

马头砦溢洪道控制段闸墩与控制段底板、启闭平台和下游侧交通桥均为现浇刚性连接。为了分析控制段闸墩受力、启闭平台主梁和交通桥结构配筋，大坝安全评价阶段建立了马头砦溢洪道控制段结构三维模型，采用ansys软件对控制段进行整体受力分析，并进行四边形网格划分，模型如图3所示。

图3 数值模型

4.2 计算荷载及参数

(1)楼面人群荷载：1.2×3000=3600N/m2。

(2)屋面自重+屋面均布荷载：按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)，屋面均布荷载为0.5kPa，它与雪荷载不能同时作用。屋面厚12cm，考虑联系梁，厚度取15cm。该荷载通过上下游墙体各5根立柱传递至楼板，每根立柱的集中力为54220N。

(3)墙自重：墙厚24cm，考虑窗户，墙厚按12cm计算，为21740N/m。

(4)启闭力+机重：溢洪道每孔启闭机容量2×50t，启闭机自重28.5t。其中考虑荷载系数1.2，启闭力为2×600kN；考虑荷载系数1.05，启闭机自重299.25kN。按上游侧梁承担40%力，下游侧梁承担60%力考虑，则上游侧梁上的4个受力点，每点荷载(600+299.25÷2)×40%÷2=149.93kN=149930N；下游侧梁上的4个受力点，每点荷载224890N。

(5)弧门支座推力：闸门最高挡水位为123.50m，考虑荷载系数1.2，弧形闸门对支座的总推力为7367.92kN，单支铰推力为3683.96kN，推力方向与水平线夹角为26.6°。

(6)交通桥荷载：汽车荷载标准为：汽-20，挂-100；两侧人行道人群荷载取3000Pa。本工程单孔交通桥汽车荷载按挂-100施加力，4×4个轮子各承担荷载75000N；人群荷载按两侧1.5m宽人行道计算。

4.3 结果分析

通过施加荷载，并对控制段底板底部进行全约束，计算得到模型第一主应力分布情况，见图4。根据计算结果，模型最大主应力位于交通桥上边线与闸墩相接位置，最大拉应力为5.77MPa，拉应力区下倾45°，方向长约2.0m。本次除险加固针对该45°裂缝，在2.0m受拉区闸墩表面平行粘贴5块钢板补强加固，粘贴钢板单根长2m、宽200mm、厚6mm。经计算，可满足结构受力要求

图4 控制段第一主应力分布图

5 结语

本文以马头砦溢洪道为例，对于翼墙表面混凝土的碳化和裂缝现象，进行了局部破损修补和裂缝灌浆处理。对于控制段闸墩、启闭平台、交通桥等结构的混凝土裂缝和碳化，通过裂缝灌浆、涂抹丙乳砂浆和氟碳涂料等方法进行了防碳化处理和加固。此外，对弧形门支座结构进行了补强加固，包括加宽支座、粘贴钢板、预应力钢绞线等措施。而对于泄槽段和鼻坎段的加固主要针对混凝土破损部位进行修补处理和裂缝灌浆。目前，本文提出的加固方案经过验证能够确保马头砦溢洪道的安全运行，可为相关溢洪道的结构安全工程提供有力参考。