基于YJK-A的曹庄橡胶坝结构安全复核分析

周春华

（金乡县水务局，山东 济宁 272200）

1 工程概况

曹庄橡胶坝位于金乡县司马镇曹庄村南、东鱼河中下游干流桩号42+000处，是金乡县南部回灌补源工程的渠首水源工程。该工程于1994年6月建成投入运行，控制补源面积295 km2，橡胶坝总宽195 m，共3 跨，单孔净跨64 m，中墩顶高程38.20 m。现状上游设浆砌石护底，长8.0 m，厚0.3 m，高程为34.35 m；后接铺盖长7.0 m，厚度为0.4 m，呈倒坡连接护底和底板；现状橡胶坝底板高程34.70 m，小底板厚0.8 m，大底板厚1.2～1.35 m，顺水流方向长13.0 m，为钢筋混凝土结构。

2 橡胶坝结构安全复核

2.1 边墩结构安全复核

2.1.1 边墩基本资料

橡胶坝边墩采用钢筋混凝土结构，混凝土原设计标号为150#。边墩结构型式为等厚度直墙，厚度1.0 m，高度4.5 m，墩顶高程39.20 m，底部与边孔底板相连接，顺水流方向长度13.0 m。边墩临土侧未直接回填土体，紧邻边墩外侧设置钢筋混凝土空箱扶壁式挡土墙，结构尺寸如图1所示。

图1 橡胶坝边墩结构

2.1.2 计算参数及工况

边墩外侧紧邻空箱扶壁挡墙，挡墙在土压力作用下可保持自身稳定，不存在大的位移变位，故可认为空箱扶壁挡墙自身承担了回填土体压力，不再有剩余推力传递至边墩。因此，边墩的复核计算中，各工况下均不再考虑外侧土压力。此外，边墩与挡墙之间采用闭孔泡沫板填缝，可认为在缝隙内部无法形成连续水体，难以产生静止水压力，故仅考虑内侧水体对边墩的作用，不再考虑外侧水体对边墩的作用[1-3]。

（1）计算参数。混凝土容重为25 kN/m³，水体容重为10 kN/m³。

（2）计算工况。在不考虑边墩外侧土压力和水压力的作用下，边墩仅受其内侧水压力作用，故控制运行工况为正常蓄水工况：坝袋挡水，墩前水位37.70 m，墩后无水。

2.1.3 YJK-A计算模型及成果

YJK-A 计算软件是为多、高层建筑结构建模而研制的空间组合结构设计软件，可以轻松实现多工况下荷载的处理和墙体模型单元的自动划分，在施工图设计、结构计算和复核等方面已达到国内领先水平。现采用YJK-A 计算软件进行结构复核计算，计算模型如图2所示。

图2 橡胶坝边墩计算模型

通过软件分析计算，得到边墩、底板分别在正常蓄水下垂直水流向的剪力、弯矩分布情况如图3 所示（本文的弯矩剪力图均是建立结构模型后导入YJK-A 计算软件经过模拟得出各部位模型的受弯和受剪情况示意，图中颜色深浅表示构件受弯或者受剪程度的大小，是一大堆弯矩值和剪力值的投影，因此并不需要标出特定的弯矩剪力值）。

图3 正常蓄水工况下底板和边墩弯矩、剪力

通过读取软件计算数据，可以准确得到橡胶坝在正常蓄水下边墩和底板的最不利弯矩及剪力大小，而后结合现场检测结果和橡胶坝边墩竣工情况即可进行截面承载力复核验算。橡胶坝边墩和底板计算内力情况，详见表1。

表1 橡胶坝边墩、底板计算内力

根据现场检测结果，左右岸边墩测定抗压强度标准值不小于16.7 MPa，边墩受力钢筋采用一级钢筋，直径16 mm，间距28 cm，考虑到边墩上部无荷载，按照弯剪构件复核其结构承载力。

按照《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）可确定弯矩承载力安全系数[4]，其计算公式为：

式中：fc为混凝土轴心抗压强度设计值（kN）；b为矩形截面宽度（m）；x为混凝土受压区计算高度（m）；fy为钢筋抗拉强度设计值（kN）；As为受拉区纵向钢筋横截面积（m2）；h0表示截面有效高度（m），为截面高度减去受拉钢筋合理点至截面受拉边缘的距离；MS为弯矩设计值（kN·m）；Mu为弯矩计算值（kN·m）；K为弯矩承载力安全系数。

经计算，得底板弯矩承载力为192 kN·m，边墩弯矩承载力为159 kN·m。边墩、底板尺寸较大，其斜截面抗剪承载力不小于740 kN，远超出结构所受荷载，边墩、底板满足结构抗剪承载力要求[5，6]。结合图3可知，由于现状配筋面积偏小，边墩、底板不满足结构抗弯承载力要求。橡胶坝边墩和底板的复核结果表明，两者满足抗剪要求但不符合抗弯承载力要求，急需整改。

2.2 空箱扶壁挡墙结构安全复核

2.2.1 空箱扶壁挡墙基本资料

曹庄橡胶坝空箱扶壁挡墙采用钢筋混凝土结构，位于橡胶坝边墩外侧，用于代替边墩承担外侧土压力。挡墙总高度5.0 m，墙顶高程39.20 m，墙面板厚度0.3 m，空箱后壁厚度0.3 m，空箱顶板厚度0.2 m，扶壁厚度0.35 m，扶壁间距2.85 m，墙后回填壤土。墙面板上部设进水孔，下部设排水孔，孔径0.2 m，用于平衡空箱内外水位。空箱扶壁挡墙结构，如图4所示。

图4 空箱扶壁挡墙结构

2.2.2 计算参数及工况

空箱扶壁挡墙计算参数中，水体容重为10 kN/m³；出于安全考虑，选取橡胶坝下游挡墙进行强度复核。墙后回填土，墙前为橡胶坝边墩，控制运行工况为正常蓄水工况，即墙后水位为地下水位（37.70 m），墙前水位平橡胶坝底板（34.70 m），空箱内无水。

2.2.3 核算结果

采用YJK-A 计算软件进行结构复核计算，结果如图5所示。

根据空箱扶壁挡墙竣工情况，进行截面承载力复核验算。由于空箱挡墙深埋于地下，未进行现场检测，现状混凝土强度参照上游翼墙进行复核。翼墙底板受力钢筋采用一级钢筋，直径10 mm，间距30 cm；空箱后墙受力钢筋采用一级钢筋，直径10 mm，间距30 cm；考虑到边墩上部无荷载，扶壁按照弯剪构件复核其结构承载力，计算结果详见表2。

表2 空箱挡墙最不利内力kN·m

经计算，得底板抗弯承载力为28 kN·m，空箱后墙弯矩承载力为17 kN·m，结合内力计算结果，底板满足结构承载力要求；空箱后墙现状配筋面积偏小，不满足结构承载力要求，即不满足规范要求。

2.3 扶壁挡墙结构安全复核

2.3.1 扶壁挡墙基本资料

扶壁挡墙位于橡胶坝上游连接段，用于承担外侧土压力。扶壁挡墙采用钢筋混凝土结构，混凝土原设计标号为150#。挡墙总高度6.25 m，墙顶高程39.20 m，墙面板厚度0.4 m，扶壁厚度0.3 m，扶壁间距2.80 m，墙后回填壤土，结构如图6所示。

图6 扶壁挡墙结构

2.3.2 计算参数及工况

扶壁挡墙计算参数涉及混凝土容重和水体容重，其中混凝土容重为25 kN/m³、水体容重为10 kN/m³。考虑坝体常年失修，计算工况包含正常蓄水和塌坝2 种：①正常蓄水工况：墙后水位为地下水位（37.20 m），墙前水位为正常蓄水位（37.70 m）；②塌坝工况：墙后水位为地下水位（37.20 m），墙前水位平铺盖底板（33.35 m）。

2.3.3 核算结果

采用YJK-A 计算软件进行结构复核计算。比较正常蓄水工况、塌坝工况发现，塌坝工况显然对结构更为不利，本次复核计算仅计算塌坝工况，构件内力分布如图7所示。

图7 塌坝工况下扶壁挡墙弯矩分布

根据计算结果，统计塌坝工况下构件最大内力，详见表3。

表3 扶壁挡墙内力计算结果kN·m

根据扶壁挡墙竣工情况，进行截面承载力复核验算。根据现场检测结果，上游翼墙测定抗压强度标准值不小于16.6 MPa，翼墙底板受力钢筋采用一级钢筋，直径10 mm，间距25 cm；墙面受力钢筋采用一级钢筋，直径8 mm，间距25 cm；扶壁受力钢筋采用一级钢筋，直径19 mm，单面扶壁内分布4 根钢筋。考虑到翼墙上部无荷载，底板、墙面按照弯剪构件复核其结构承载力；扶壁按照梁截面复核其抗弯承载力。

经计算，得底板抗弯承载力为34 kN·m，墙面弯矩承载力为12 kN·m，结合内力计算结果，底板、墙面后墙现状配筋面积偏小，不满足结构承载力要求，即不满足规范要求。扶壁梁截面抗弯承载力为1 102 kN·m，结合内力计算结果，满足结构承载力要求，即满足规范要求。

3 坝体排险加固工程设计

经复核，橡胶坝边墩、底板不满足结构抗弯承载力要求，底板、挡土墙现状配筋面积偏小，不满足结构承载力要求[7]。综上，曹庄橡胶坝运用指标达不到设计标准，工程老化、损坏严重，影响工程安全运行，经除险加固后才能正常运行[8，9]。因此，本次仅对影响大坝安全和发挥效益的主要建筑物进行改造[10]，具体记述如下。

3.1 上游连接段

曹庄橡胶坝上游设铺盖，总长度15.0 m，底板顶高程34.35 m。其中，上游段浆砌石铺盖基本完好，长度8.0 m，满足工程正常安全运行要求，本次除险加固工程不予拆除，利用现状铺盖；其后设C35钢筋混凝土护底，长度7.0 m，下设厚10 cmC15 素混凝土垫层。两岸通过直墙及圆弧挡墙与上游边坡顺接，墙顶高程39.20 m。两岸圆弧挡墙上游通过台阶连接坡顶与河底，台阶净宽2.0 m，上游边坡为M10 浆砌石护坡，长约5.0 m，与现状上游护坡顺接。

3.2 橡胶坝段

坝底板顺水流方向长12.0 m，由坝袋、底板、锚固系统、边墩、供排水系统等组成。坝袋采用单袋充水式胶布结构，锚固系统采用双线螺栓压板结构，坝袋最大挡水高度3.5 m，橡胶坝坝顶高程38.20 m。坝袋通过压板锚固在钢筋混凝土底板上，底板顶高程34.70 m，厚1.0 m，采用C35 钢筋混凝土，上下游设置齿坎。底板底部设厚10 cmC15素混凝土垫层。橡胶坝两岸边墩及中墩均采用C35 钢筋混凝土结构，边墩顶高程39.20 m，中墩顶高程38.70 m。

4 结语

大坝的工程质量问题一直是关乎国计民生的重要问题之一。利用YJK-A 结构安全复核软件建立了橡胶坝边墩、底板等结构模型，与实测数据计算结果进行对比得出该大坝的结构稳定性和安全性。复核结果表明，大坝存在的问题主要有橡胶坝中墩混凝土强度低于设计值，边墩及翼墙混凝土强度不符合规范要求。因此，本次排险加固重点对橡胶坝段和上游连接段做了不同程度的拆除重建工作，此外应后期水库的运行管理和监测要求还对充排水管道及监控等设施进行了更换。