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陆水水利枢纽二号副坝闸墩裂缝成因分析及缺陷处理方案

张俊文 张志新 倪元珍

摘要：陆水水利枢纽2号副坝闸墩出现斜向裂缝，对枢纽工程的安全可靠运行产生不利影响。依据《水工混凝土结构设计规范》，对闸墩进行结构强度及配筋复核计算。采用有限元计算，从受力角度进一步分析闸墩斜向裂缝产生的原因。计算结果表明：弧形工作闸门下游侧附近受闸门支座推力及温升荷载长期反复作用，加之闸门支座扇形钢筋延伸长度不满足规范要求，是导致泄洪闸闸墩部位混凝土产生斜向裂缝的主要原因。从裂缝成因、施工条件、工程造价等方面综合考虑，提出了采用化学灌浆和粘贴钢板的处理方案，有效控制了裂缝发展。研究成果可为类似工程裂缝成因分析和缺陷处理提供参考。
关键词：闸墩裂缝;有限元分析;化学灌浆;粘贴钢板;陆水水利枢纽
1 工程概述
陆水水利枢纽位于陆水干流山谷出口处，主坝坐落在湖北省赤壁市城区南端，距京广铁路蒲圻铁路桥上游2 km，距京港澳高速公路、京广高铁和107国道陆水大桥上游5～8 km，地理位置十分重要[1]。陆水系长江中游右岸一级支流，源出湘、鄂、赣3省交界的幕阜山北麓，流经湖北省的通城、崇阳、赤壁、嘉鱼4县市，在武汉上游约157 km的陆溪口注入长江。陆水干流全长183 km，流域面积3 950 km2，枢纽工程控制流域面积3 400 km2[2]。
陆水水库总库容7.42亿 m3，是一座以防洪为主，兼有灌溉、发电、城市供水、航运、养殖、旅游和水利科学试验任务的大（2）型综合利用水利枢纽。工程由主坝和15座副坝、泄洪建筑物、电站厂房、开关站、南北灌溉渠首、简易干运垂直升船机等建筑物组成。工程等别为Ⅱ等，永久性主要建筑物级别为2级[3]。
2号副坝原为土坝，后因防洪需要，20世纪80年代改建为泄洪闸，坝顶高程59.0 m，最大壩高16.0 m，坝轴线长102.2 m。泄洪闸闸室分3孔，每孔净宽12.0 m，闸底板高程46.0 m，两侧各有3个重力坝段。闸室下游接泄槽段，泄槽出口采用挑流消能方式。
2 闸墩裂缝成因分析
引起闸墩裂缝的因素包括结构与荷载、混凝土原材料、混凝土配合比及施工技术措施等。国内外目前采用的主要加固方法有：裂缝内部化学灌浆补强加固，表面涂刷单组份聚脲柔性涂层或弹性环氧砂浆封闭，外层粘贴高强玻璃纤维布，预应力碳纤维板加固，粘贴钢板加固及预应力锚杆等[4]。
2.1 闸墩结构布置
泄洪闸共布置4个闸墩，闸墩顺水流方向长26.0 m，其中1，4号闸墩为边墩，宽1.7 m;2，3号闸墩为中墩，宽3.4 m。泄洪闸分为3段，在2，3号闸墩中部分缝，分段长度15.4 m，2，3号闸墩为缝墩。
2.2 闸墩裂缝情况
1～3号闸室左侧闸墩距弧形闸门约20 cm处均存在斜向裂缝，与弧形闸门基本平行，缝长2.8～3.1 m，缝宽均为0.4 mm，缝深57.0～377.2 mm。
2号闸墩裂缝的取芯结果显示：该裂缝跨过结构主筋，贯穿于芯样长度，内部裂缝宽度大于表面裂缝宽度，且在钻芯过程中发现对侧裂缝出现渗水，推定该裂缝为贯穿裂缝。裂缝情况见图1。
2.3 结构强度及配筋复核计算
经查阅工程原设计、施工及运行管理资料，2号副坝混凝土局部强度等级及配筋率低是闸墩产生裂缝的重要原因之一，严重影响泄洪建筑物的安全运行。
2.3.1闸墩结构强度复核计算
2.3.1.1计算条件
闸墩结构顺水流方向受力最不利情况是闸门全关挡水、闸墩承受最大上下游水位差时出现最大纵向力的情况。将闸墩视为固端的整体构件，采用材料力学法计算闸墩截面应力。
2.3.1.2计算结果
经复核，纵向受力最不利情况下，闸墩计算截面上的纵向应力均为压应力，且小于闸墩混凝土的抗压强度，闸墩结构强度满足要求。
2.3.2 弧形闸门支座结构计算
闸墩裂缝与弧形闸门支座受力方向垂直，为分析裂缝成因，对弧形闸门支座结构及扇形钢筋配筋进行复核计算。
2.3.2.1计算条件
泄洪孔闸墩厚度B=3.4 m，闸墩中间分缝后单侧厚度1.7 m。弧门支座尺寸为1.6 m×3.6 m（宽×高）;支座外边缘高度h1=2.2 m;弧门推力作用点至闸墩边缘的距离为0.7 m。按设计挡水水头11.0 m计算弧形闸门水平水压力为7 260.0 kN，竖向水压力为3 544.5 kN，总推力8 079.0 kN，总推力与水平面角度26.02°。单个弧门支座的闸门推力为4 039.50 kN。
根据原设计资料，闸墩混凝土的设计标号为250号。考虑到泄洪闸已运行近30 a，闸墩和支座的混凝土强度等级取C20，混凝土轴心抗压强度标准值为13.4 MPa，轴心抗拉强度为1.54 MPa。弧门支座计算简图见图2。图中：K为承载力安全系数;F 为闸墩一侧弧门支座推力的设计值，N;[B′0]为受拉边局部受拉钢筋中心至闸墩另一边的距离，mm;B为闸墩厚度，mm;As为局部受拉钢筋合力点至截面近边缘的距离，mm;h为支座高度，mm;h0为牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度，mm;h1 为支座的外边缘高度，mm;As 为受力钢筋的总截面面积，mm2;Fk 为按荷载标准值计算的闸墩一侧弧门支座推力值，N;a 为弧门推力作用点至闸墩边缘的距离，mm;e0为弧门支座推力对闸墩厚度中心线的偏心距，mm;d为受力钢筋直径，mm;Asv为承受集中荷载所需的附加横向钢筋总截面面积，mm2;α为牛腿底面的倾斜角，（°）。参数解释下同。
2.3.2.2支座结构复核计算
（1）弧门支座附近闸墩裂缝控制复核。依据SL 191-2008 《水工混凝土结构设计规范》[5]（以下简称SL 191-2008 《设计规范》），弧门支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝控制应满足如下要求：①当闸墩设计为中墩时，弧形闸门支座相应承受两侧支座推力，使闸墩沿垂直推力方向形成轴心受拉应力状态。②当闸墩设计为缝墩、边墩时，弧形闸门支座相应承受一侧支座推力，使闸墩沿垂直推力方向形成受拉应力状态[5]。
本工程中墩分缝、缝墩及边墩计算式均应采用闸墩受一侧弧门支座推力作用时的计算公式，即
弧门支座附近闸墩裂缝控制复核成果见表1。经复核，受一侧弧门支座推力作用时，弧门支座附近闸墩可抵抗支座推力5 086.40 kN，闸墩裂缝控制满足规范要求。
（2）闸墩局部受拉区受拉钢筋复核计算。依据SL 191-2008《设计规范》，闸墩局部受拉区的扇形受拉钢筋截面面积应符合下式：
式中：[Asi] 为闸墩一侧局部受拉有效范围内的第i根局部受拉钢筋的截面面积，mm2;[fy] 为局部受拉钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2;[θi] 为第i根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角，（°）。
根据原设计施工详图，弧门支座配置扇形受拉钢筋采用Φ34与Φ36焊接，共20根，长度4.8 m。
闸墩局部受拉区扇形受拉钢筋复核成果见表2，受拉区扇形受拉钢筋截面积满足规范要求。
此外，SL 191-2008《设计规范》规定，闸墩局部受拉钢筋从弧门支座支承面算起的延伸长度，应不小于2.5 h（h为支座高度）。根据原设计施工详图，闸墩扇形钢筋从弧门支座支承面算起的延伸长度为5 m，小于2.5h（9 m），不满足规范要求。
（3）弧门支座截面尺寸复核计算。根据SL 191-2008《设计规范》的规定，弧门支座剪跨比[α/h0]宜小于0.3（[α]为弧门推力作用点至闸墩边缘的距离）。弧门支座裂缝控制要求：[Fk≤0.7ftkbh] 。支座的外边缘高度[h1]应不小于[h3]。在弧门支座推力标准值[Fk]作用下，支座支承面上的局部受压应力应不超过[0.75fc]。
弧门支座截面尺寸复核成果见表3。复核结果表明：弧门支座剪跨比、裂缝控制和局部压应力满足规范要求。
2.3.2.3 计算结论
经结构强度及配筋复核计算可得：闸墩结构强度满足规范要求;弧门支座附近闸墩裂缝控制满足规范要求;闸墩局部受拉区受拉钢筋截面面积满足规范要求;弧门支座截面尺寸满足规范要求;闸墩局部受拉区的扇形受拉钢筋延伸长度不满足现行规范要求。
2.4 有限元计算分析
2.4.1 计算模型
为进一步从受力角度分析闸墩斜向裂缝产生的原因，建立泄洪闸闸室三维有限元模型[6-7]，闸室计算模型和网络示意见图3和图4。泄洪闸采用闸墩中间分缝型式，并且将一孔闸室底板、基础及两侧闸墩作为一个计算整体进行分析。
2.4.2 荷载及边界条件
有限元计算中主要荷载包括闸墩混凝土自重，闸门最高挡水位时上下游水压力，闸墩工作闸门作用在牛腿上的推力，工作闸门、检修闸门启闭机及排架作用在闸墩顶部的作用力，交通桥重量等。
根据闸墩裂缝的分布情况分析，该裂缝由闸底板向上延伸，可能为温升荷载引起的裂缝。因此在有限元计算中考虑闸墩下游侧受气温升高后产生的温升荷载。根据坝址区实测多年代表月份月平均气温和水库水温，闸墩下游侧温升最大值为20 ℃。
材料参数取值：基岩容重为27 kN/m3，弹性模量24 GPa，泊松比0.25;混凝土容重25 kN/m3，弹性模量25.5 GPa，泊松比0.167。对基础底面施加三向位移约束，在闸室横缝面施加法线方向的约束。通过施加荷载，分析正常蓄水位情况下裂缝的受力情况[8]。
2.4.3 计算结果分析
未考虑温升荷载和考虑温升荷载两种情况下闸墩截面第一主应力分布云图见图5。在不考虑温升荷载时，受闸门支座推力影响，闸门支座附近闸墩存在一定范围的拉应力区，最大拉应力为0.70 MPa，但该拉应力区的影响有限，裂缝面上最大拉应力为0.12 MPa。考虑温升荷载时，受库水温影响闸墩上游侧温度较低，下游侧受热膨胀发生向下游方向的位移，在温度应力和闸门推力的共同作用下，弧门下游侧闸墩产生了较大的拉应力，最大拉应力为1.32 MPa，裂缝面上最大拉应力为1.02 MPa。据此分析，温度荷载和闸门推力可能是闸墩斜向裂缝产生的主要原因。
2.5 裂缝成因综合分析
根据闸墩结构强度及配筋复核计算和有限元计算分析，泄洪闸闸墩距弧形闸门约20 cm处均产生斜向裂缝的主要原因包括：闸门支座扇形钢筋延伸长度不满足规范要求、混凝土抗裂性不足;温度荷载和闸门推力长期反复作用[9]。
3 缺陷处理方案
由于裂缝靠近闸墩底部，采用预应力锚固法加固存在施工不便、造价较高等问题。因此，拟确定对该裂缝采用化学灌浆和粘贴钢板进行处理[10]。
首先对裂缝表面混凝土凿毛，采取弹性环氧砂浆封闭缝口，沿逢打骑缝孔和斜孔相结合的方式对裂缝进行化学灌浆处理。裂缝灌浆孔间距200 mm，为防止对裂缝上部结构造成抬动，过程中控制灌浆压力。灌漿处理后，跨缝粘贴Q345B钢板（厚12 mm，宽15 cm，长10 m），闸墩一侧粘贴12块钢板，沿闸墩弧门支座呈扇形布置，见图6。粘贴钢板后，采用环氧砂浆保护，保护层厚度2 cm[11]。通过确定的粘钢处理方案进行有限元计算分析，粘钢加固前、后裂缝面上第一主应力分布云图见图7，该面即为闸墩内部斜向分布的裂缝表面。粘钢加固前裂缝面上最大拉应力为1.02 MPa，粘钢加固后裂缝面上最大拉应力为0.59 MPa。采取粘钢加固可明显降低裂缝面上的拉应力，有效控制裂缝发展。
4结 语
本文以陆水水库大坝2号副坝闸墩为研究对象，针对弧形闸门附近闸墩混凝土开裂现象，具体分析裂缝的成因。遵循应用新材料、新技术、新工艺的原则，综合考虑各种影响因素，提出了采用化学灌浆和粘贴钢板的裂缝修补处理方案。经过分析计算，该方案能有效控制裂缝发展，降低裂缝对大坝安全运行的影响，确保大坝安全。研究成果可为水利工程混凝土结构各种裂缝成因分析及修补技术提供一定参考。
参考文献：
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（编辑：李晓濛）

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