某水库泄洪洞工作桥加固改造研究

牛利敏，严 晶

(长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010)

0 引言

某水库位于我国北部内蒙古境内,是一座以电力工业供水为主,兼顾城市防洪、旅游及水产养殖的中型水库。水库工程主要由大坝、泄洪洞、取水洞等建筑物组成。

2018年6月,水库管理人员在巡视检查中发现,水库泄洪洞工作桥部分桥墩立柱存在较严重的倾斜变形、结构混凝土剥蚀、裂缝病害。同年8月,对病害严重的桥墩立柱采取了粘贴钢板加固措施。根据《水库2018年大坝安全技术监督报告》,由于受冬季冰推力等作用,水库泄洪洞工作桥部分桥墩立柱已经产生倾斜变形。工作桥靠近竖井的立柱(与大坝接触部位)结构裂缝较多,基本为贯穿性裂缝,且存在较大面积的空洞、破损,立柱钢筋外露、锈蚀,影响工作桥的安全。虽然对破损严重的立柱进行了钢板加固,但未解决根本问题,建议加快推进工作桥的维修加固。

我国对水库病险水库工作桥加固已有先例,且加固实施效果较好[1-2]。为保证该水库泄洪洞工作桥结构安全和通行人员的人身安全,确保工程安全运行和正常发挥效益,现亟需对工作桥现状及工作桥病害破损原因分析,分析工作桥改造的必要性,提出泄洪洞工作桥加固改造方案。国内某水电站对工作桥进行加固改造实施效果较好。

1 泄洪洞工作桥现状

泄洪洞工作桥全长53.60 m,共分6跨,中间有5个桥墩,按距离大坝坝顶远近顺序标记为1号、2号、3号、4号、5号桥墩,最靠近坝顶的桥墩标记为1号桥墩,最靠近竖井的桥墩标记为5号桥墩。

靠近竖井部位的4号、5号桥墩位置较低,冬季水库表层结冰时,4号、5号桥墩被水库表面冰层包围,由于冰推力、冰拔力等原因,4号、5号桥墩先后断裂、倾斜、倒塌。已采用装配式钢桥恢复垮塌部分的工作桥。

经过现场检查,1号桥墩立柱不高,总体情况较好,未发现明显裂缝、破损等缺陷。2号、3号桥墩立柱由于冰压力等因素导致倾斜,与大坝护坡混凝土面板接触部位立柱存在裂缝,立柱混凝土结构存在冰冻剥蚀、麻面,立柱周边的大坝护坡混凝土板在冰荷载作用下产生不均匀沉降。采用粘钢加固技术能大幅提高梁的极限承载力[3-4],前期已对工作桥2号、3号桥墩立柱裂缝严重部位采用粘贴厚度10 mm钢板进行加固处理。

泄洪洞桥墩现状图见图1,工作桥排架裂缝如图2所示。

2 工作桥病害破损原因及加固改造必要性

由于该水库地处寒区,通常水库面层在冬季冰封之后,在气温突然转暖的天气(如寒潮过后)冰温急剧升高,体积膨胀,产生很大的静冰压力。这个冰压力作用于桥墩上,使桥墩产生向大坝岸坡方向变形、倾斜,这就是通称的冰推作用,简称冰推。冰推一般发生在冬季水位变化不大的北方水库。水库冬季冰厚通常在0.8 m～1.2 m,冰推力较大;泄洪洞工作桥的桥墩均坐落在大坝填筑的砂砾石坝体上,桥墩基础条件较差,因此,冰推力作用使桥墩倾斜、冰面附近局部桥墩混凝土裂缝、剪切破坏,导致钢筋混凝土桥墩倒塌,钢结构桥梁失稳、跌落水库。

该地区水资源稀缺,且水库承担火力发电厂、铝厂等重要企业工业供水任务,目前水库泄洪洞工作桥存在严重病害,影响水库泄洪安全及大坝安全,影响当地工业生产及水库正常发挥供水效益,因此,对该水库泄洪洞工作桥进行改造、加固是非常必要的和迫切的,加固工程措施应经济合理、施工方便,同时,应确保水库安全和通行人员的人身安全。

3 泄洪洞工作桥加固改造方案比较

泄洪洞工作桥4号、5号桥墩已经断裂、倒塌,由于这两个桥墩位置低,重建桥墩需要降低库水位或修建防渗围堰才能施工,代价高、施工难度大,因此,本次泄洪洞工作桥改造不考虑恢复4号、5号桥墩。

泄洪洞工作桥目前存在的3个桥墩中,1号、2号桥墩位置较高,水库冰层推力基本不会直接威胁桥墩立柱结构;3号桥墩位置较低,水库冰层推力可能会直接威胁桥墩立柱结构。因此,本次泄洪洞工作桥改造比较两种方案:

1)方案一:拆除3号桥墩。3号桥墩立柱与大坝上游坡面接触部位高程945.30 m,水库冰位高于945.30 m时,冰压力荷载直接作用于3号桥墩立柱结构,影响3号桥墩结构安全。方案一拆除3号桥墩,保留1号、2号桥墩,对存在1号、2号桥墩进行加固处理,采用植筋增强立柱新、老混凝土结构之间的结合,提高立柱结构整体性,2号桥墩与竖井之间采用大跨度钢结构桥梁连接。

2)方案二:加固3号桥墩。3号桥墩立柱与大坝上游坡面接触部位高程945.30 m,水库冰位高于945.30 m时,冰推荷载直接作用于3号桥墩立柱结构,影响3号桥墩结构安全。方案二保留1号、2号、3号桥墩,对桥墩进行加固处理,提高桥墩抗冰压能力。3号桥墩与竖井之间采用较大跨度钢结构桥梁连接。

泄洪洞工作桥改造方案一、方案二主要差别在于是否保留3号桥墩,两个方案优缺点比较见表1。

表1 工作桥加固改造方案比较表

泄洪洞工作桥改造两种设计方案工程直接投资差别不大,方案二工程直接投资少16.21万元;考虑霍林河水库冰层厚度大,冰压力对桥墩的安全威胁大,方案一桥墩位置较高,桥墩基本不受冰压力威胁;综合以上因素,选择方案一作为泄洪洞工作桥改造推荐方案。

4 泄洪洞工作桥加固改造设计

经过方案比较,选择方案一作为泄洪洞工作桥改造推荐方案,保留1号、2号桥墩,对其进行加固处理,拆除3号桥墩。2号桥墩与竖井之间采用较大跨度钢结构桥梁连接。

4.1 桥墩加固设计

1)1号桥墩加固。泄洪洞原1号桥墩排架立柱横断面为正方形,断面尺寸0.6 m×0.6 m,加大后断面尺寸1.0 m×1.0 m,混凝土强度等级C30。在立柱与大坝上游坡面接触部位,增设C30钢筋混凝土柱基础,其尺寸为4.4 m×4.0 m×1.2 m(长度×宽度×厚度),满足基础结构尺寸宜大于柱边长3倍的要求;基础底高程949.57 m,下部设置厚度15 cm的C15混凝土垫层。立柱加大结构与柱基础结构整体浇筑。柱基础混凝土浇筑前,对基础范围内的砂砾石坝体进行碾压处理,要求其密实度大于0.75。采用植筋增强立柱新、老混凝土结构之间的结合,提高立柱结构整体性。

2)2号桥墩加固。泄洪洞2号桥墩立柱与大坝上游坡面接触部位高程948.30 m,立柱之间的横向支撑梁顶高程948.90 m。水库冰位高于948.30 m时,冰压力荷载直接作用于2号桥墩立柱结构,影响2号桥墩结构安全。

2号桥墩立柱由于冰压力等因素导致倾斜,与大坝护坡混凝土面板接触部位立柱存在裂缝,立柱混凝土结构存在冰冻剥蚀、麻面等缺陷。2号桥墩需要进行加固处理,加大桥墩排架立柱断面,提高立柱强度和刚度;同时在1号、2号桥墩之间增设连系梁结构,提高2号桥墩抗倾斜变形能力。

原2号桥墩排架立柱横断面为正方形,断面尺寸0.6 m×0.6 m,加大后断面尺寸1.0 m×1.0 m,混凝土强度等级C30。在立柱与大坝上游坡面接触部位,增设C30钢筋混凝土柱基础,其尺寸为4.4 m×4.0 m×1.2 m(长度×宽度×厚度),满足基础结构尺寸宜大于柱边长3倍的要求;基础底高程946.88 m,下部设置厚度15 cm的C15混凝土垫层。立柱加大结构与柱基础结构整体浇筑。柱基础混凝土浇筑前,对基础范围内的砂砾石坝体进行碾压处理,要求其密实度大于0.75。

采用植筋增强立柱新、老混凝土结构之间的结合,提高立柱结构整体性。1号、2号桥墩立柱之间增设两根连系梁结构,连系梁断面尺寸0.8 m×0.6 m。连系梁与桥墩立柱之间,利用植筋增强连接。

3)新老混凝土结合。

a.结合面凿毛。桥墩排架立柱采用围套形式的增大截面加固法。新老混凝土结合部位,凿除老混凝土表面碳化层,凿除厚度一般5 cm左右,直至露出坚固的混凝土基面为止。凿去原混凝土结构表面松动石子,凿成凸凹粗糙面。原混凝土结构表面的风化、变质、蜂窝、麻面和酥松部分必须凿除。经过表面的机械处理后,必须用高压水将碎屑、粉末彻底冲洗干净。

b.植筋。立柱设置Φ16(HRB400热轧带肋钢筋)植筋,增强立柱新、老混凝土结构之间的结合,提高立柱结构整体性。立柱每边设置两根植筋,间距0.5 m;植筋沿柱高度方向间距0.5 m。植筋锚固用胶黏剂必须采用改性环氧类的胶黏剂,采用A级胶,其性能指标应满足GB 50367—2013混凝土结构加固设计规范要求。植筋基本锚固深度按下列公式计算:

L=0.2αdfy/fbd。

其中,α为防止混凝土劈裂引用的计算系数,植筋直径小于20 mm,α取值1.0;d为植筋公称直径,16 mm;fy为植筋用钢筋的抗拉强度设计值,HRB400钢筋,fy=360 N/mm2;fbd为植筋用胶黏剂的黏结强度设计值,C30混凝土取值3.4。

L=0.2αdfy/fbd=0.2×1×16×360÷3.4=338.8 mm。

按构造要求,植筋锚固深度取0.6L,10d(160 mm)的大值,锚固深度取200 mm。植筋外露段长度不小于20d,取350 mm。单根植筋用钢筋长度550 mm,植筋钻孔直径设计值20 mm。

c.界面处理。为确保结合面水泥的水化作用,避免原混凝土把水分吸走,原混凝土结构必须浸水洇湿,达到“干饱和”状态。

混凝土的胶结力来源于水泥化学变化形成水泥胶体。新混凝土对原混凝土结构的黏结力较弱,新老混凝土结合面抗拉强度(黏结强度)低于混凝土本身的抗拉强度。因此,在原混凝土表面清理后,在界面上涂抹高标号水泥砂浆(水泥浆配比c∶w∶s=1∶0.35∶1.5)或水泥基混凝土界面处理剂来增大胶结力。本工程选择涂抹高标号水泥砂浆处理结合面。

4)冰压力应对措施。为减小冰压力、减轻冰压力荷载对桥墩的危害,采取如下工程措施:

a.水库库区最冷月平均气温为-20.7 ℃,依据GB/T 50662—2011水工建筑物抗冰冻设计规范,坝址区属严寒地区。根据规范和类似工程经验,本次加固设计确定混凝土强度等级为C30,抗冻级别F300,抗渗等级W6,增强结构抗冰压力及抗冻融破坏的性能。b.桥墩受冰作用的迎冰面设计成尖角,角度90°,以减小冰压力荷载。c.加固桥墩立柱结构,提高桥墩的抗剪和抗弯承载能力。d.桥墩结构配筋适当加强,钢筋保护层厚度适当加大。

4.2 桥梁改造设计

1号桥墩与坝顶之间、1号桥墩与2号桥墩之间的原钢结构简支梁桥予以保留。

2号桥墩与泄洪洞竖井之间采用新建大跨度钢桥连通。拟采用平行弦钢桁架桥,矩形钢管截面,钢桥全长35.8 m,跨径35.40 m,高3.5 m,弦杆中心间距2 m,两侧为栏杆,设计荷载为跨中集中荷载5 t和人群荷载3.5 kN/m2,基本风速32.9 m/s的静阵风荷载;选用Q345qD钢材。

经计算,选定弦杆和端横梁矩形钢管横断面的长、宽和厚度分别为300 mm×200 mm×14 mm钢管,中横梁截面、腹杆和平联斜杆均为200 mm×120 mm×14 mm的钢管,端横梁注C50细石混凝土,桥面采用10 cm高的压型板+3 mm花纹钢板,铺装用1 cm塑胶层,桥面横坡1.5%。钢桥主要用材为Q345qD钢管,钢桥总质量32.1 t。

5 结论及建议

5.1 结论

1)水库泄洪洞及取水洞工作桥进行改造是必要的。2)泄洪洞及取水洞工作桥改造,拆除位置较低的3号桥墩方案,基本消除了冬季库面冰压力对桥墩安全威胁,作为推荐方案是合适的。

5.2 建议

1)水库运行管理过程中,冬季冰位建议控制在948.0 m以下,避免冰压力影响泄洪洞工作桥的桥墩安全。2)泄洪洞进口竖井结构的基础为砾砂石,采用混凝土灌注桩结构提高基础承载力,混凝土灌注桩底部嵌入基岩。冬季水库冰压力荷载较大,对泄洪洞及取水洞竖井结构安全影响较大,建议采取循环水等措施,消除冰压力对竖井结构的不利影响。