西洋河水库1#桥柱倾斜原因分析与处理

杨胜慧

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 概述

西洋河水库位于张家口市怀安县境内的西洋河上，是一座以防洪、灌溉为主的中型水利工程。水库于1971年6月动工兴建，1973年9月蓄水运用。2003年进行了除险加固，加固项目中包括灌溉洞交通桥拆除新建。

新建交通桥为3孔简支П型梁结构，单孔跨度13.2m，桥面宽2.6m。1#桥柱直径1.2m，高12.2m，帽梁宽1.2m，桥柱基础为扩大基础，尺寸为3.4m×3.4m（长×宽），基础厚1.6m，底高程101.2m，坐落在坝体土上。1#柱基础底面以下1.7m处为内径1.6m的钢筋混凝土灌溉洞洞身，洞基为1.15m厚浆砌石，其下为砾砂层，该砾砂层承载力为250kN/m2。

加固工程于2004年完工，汛后蓄水运用。2007年12月，水库管理人员发现灌溉洞1#桥柱倾斜，顶部向大坝方向变位达50cm，向左侧变位约10cm，竖向变位不明显。

2 现场检查情况

2008年汛前放空水库后对1#桥柱进行检查，发现该柱108.7m高程处出现裂缝，东北方向最大裂缝宽度约4mm，西南方向缝宽约1mm。为了检查1#柱破坏情况，将柱周围土挖除至基础顶面102.8m高程，发现柱根部破坏严重。柱西南方向距根部1.5m范围内发现多条水平裂缝，缝宽3～5mm，底部宽、上部窄，延伸长度为0.5～0.25倍周长；柱东北方向距根部0.4m范围内出现压剪裂缝，缝口呈倒“U”型，裂缝闭合状；柱基础顶面未发现明显变位。柱位矫正后，西南方向裂缝闭合，东北方向裂缝张开，基础顶面高程没有变化。

3 桥柱倾斜原因分析

3.1 桥柱基础稳定复核

柱基坝体填土承载力特征值不低于100kN/m2，按最小埋深2.4m进行深度修正后的地基承载力为：水库蓄水情况119kN/m2，建成无水或空库情况138kN/m2。

3.1.1 无水情况

考虑基础上的土重基底应力122.5kN/m2，小于地基承载力138kN/m2；水库蓄水至高程110m情况（不考虑冰压），基础底面至水位间基础按浮重度计算，基底应力84.5kN/m2，小于地基承载力119kN/m2。

3.1.2 蓄水位110m时

冬季结冰厚度20cm时，按冰压力向下游进行抗滑、抗倾及基底应力计算。

根据DL5077—1997 《水工建筑物荷载设计规范》，作用于独立墩柱上的冰压力计算公式为：

Fp1=mfibdib

式中 Fp1为冰块对墩柱产生的冰压力（MN）；m为墩柱前沿的平面形状系数，取0.9；fib为冰的抗挤压强度（MPa），取平均数0.6MPa；di为冰厚度（m）；b为墩柱前沿宽度（m）。

3.1.3 冰厚20cm时

作用在柱上的压力可达129.6kN，水位110m时对基础底面产生的力矩1128kN·m；考虑结构自重、土重及柱顶支座摩擦力情况，柱基础底面最大应力102.5kN/m2，最小应力66.4kN/m2，应力比值1.54，抗滑稳定安全系数4.47，抗倾安全系数2.34，均满足规范要求。

对以上计算结果进行分析可知，在外荷载作用下桥柱基础是稳定的。桥柱基础为已填筑多年的坝体土，沉陷变形已经稳定，桥柱倾斜不会是地基沉陷变形所致。

3.2 桥柱强度复核

桥柱直径1.2m，高12.2m，内设16根直径20mm的Ⅱ级纵向受力钢筋，混凝土强度等级C25。按底端固结、顶端自由进行受力分析，该柱在冰荷载作用下为偏心受压构件。所受荷载为：顶端梁重300kN，自重250kN，顶端支座摩阻力75kN，冰推力依据水位、冰厚计算。根据结构尺寸、配筋情况，桥柱可承受的最大弯矩为900kN·m。

3.3 水平冰压力对柱体结构内力影响

当水库蓄水位110m（冬季常遇水位）时，不同冰厚情况冰压力及柱底弯矩计算结果见表1。

由于1#桥柱较高，柱体上部承受水平推力作用易产生转动变位，柱体易出现倾斜现象。当冰厚增至40cm时，作用在柱上的压力可达259.2kN，在库水位为110m高程时，柱底断面弯矩为899kN·m，达到柱体的承载能力，当超过该值时，柱底将产生破坏。

2007年冬季该水库冰厚约55cm，由表1可知，柱底产生的弯距远大于柱体所能承受的最大弯矩900kN·m，致使柱体产生破坏。

综上述分析，灌溉洞交通桥1#桥柱的倾斜是由水平冰压力引起柱体破坏所致。

表1 不同冰厚情况冰压力及柱底弯矩计算结果

4 处理措施

4.1 高程107.5m以下

采用钢筋混凝土加固柱体。处理时，首先用钢丝绳对1#桥柱牵引纠偏，待调整基本至原设计位置后固定。在现有扩大基础顶面上柱周外包混凝土加固。

为了少增加自重，以便于施工的最小厚度25cm为加固厚度，混凝土等级采用C25F150，内设直径25mm受力钢筋和直径8mm的螺旋箍筋。在绑扎钢筋前，对原混凝土表面凿毛，并清除压碎部分混凝土。浇筑混凝土前，涂界面剂，使新老混凝土结合更好。

4.2 高程107.5m以上

采用钢筒混凝土加固。因高程107.5m以上柱体不仅有裂缝，且水位变动区表面混凝土冻融剥落严重，为了少增加柱体直径，减少冰压力和自重，采用钢筒内填细石混凝土方法加固。

钢筒混凝土填筑厚度以可施工为原则，取10cm，混凝土等级采用C25F150。钢筒壁厚考虑刚度和抗锈蚀的耐久性，选为5mm。新老混凝土结合面处理措施同107.5m以下部分。钢筒外表面清理油渍、除锈后，涂防锈底漆2道、面漆1道。

4.3 帽梁与桥梁拉结

为防止上部水平推力造成柱体倾斜，在柱顶与梁之间设铰连接，即在帽梁上打锚筋孔，用锚筋使∏梁与柱帽拉结在一起，允许梁转动，以约束柱顶与梁之间的滑动幅度，减轻水平推力引起向下游方向的倾斜，作为辅助措施。

4.4 处理后柱体强度复核

柱体加固以后，107.5m高程以上部分仍按原断面考虑，最大承载900 kN·m；107.5m高程以下部分不考虑原混凝土承载，仅按0.25m环形断面计算，最大承载能力2200kN·m。

1#桥柱考虑库水位112.0m（水库正常蓄水位），结冰厚度30cm情况，按底部固结计算，柱底产生的最大弯矩为903kN·m，小于柱体的承载力，结构是安全的。

4.5 管理措施

按上述措施加固完成后，可以抵抗库水位112.0m时，30cm冰厚产生的冰推力，但考虑适当安全余度，当冰厚大于25cm时仍需破冰。故处理完成后，在冬季运用期仍需柱周破冰，控制冰厚不超过25cm。

5 结语

（1）1#桥柱复位加固后，经5年运行未发生变位倾斜现象，说明采用的加固措施效果明显。

（2）冰厚度的变化对冰压力影响较大，在寒冷地区必须注意冰压力对建筑物稳定的影响。

［1］河北省水利水电勘测设计研究院.西洋河水库除险加固工程初步设计报告［R］.2002.

［2］河北省水利水电勘测设计研究院.西洋河水库灌溉洞交通桥1#柱倾斜处理措施［R］.2008.

［3］DL5077—1997，水工建筑物荷载设计规范［S］.

［4］J220—2002，建筑地基处理技术规范［S］.

［5］SL191—2008，水工混凝土结构设计规范［S］.