拱坝坝后桥封闭结构设计探讨

张 浩

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)03—0080—05

拱坝坝后桥封闭结构设计探讨

张 浩

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

拱坝的坝后桥作为巡视人员的便捷通道，在以往的设计中均未考虑采用封闭结构，致使在雨雪冰冻恶劣天气的影响下，坝后桥的正常通行受到了影响。因此，需要对坝后桥加装封闭结构建筑，以保证巡视工作的正常进行。以拉西瓦水电站为例，介绍了坝后桥封闭结构方案的设计，为今后类似工程的设计提供了经验。

坝后桥；封闭；设计

拉西瓦水电站位于青海省贵德县与贵南县交界的黄河干流上，是黄河上游的一座大型水电站，坝高250 m，坝顶高程2 460 m。坝后桥位于大坝中下部的2 250 m高程，为钢筋混凝土牛腿结构。大坝建成之后，坝后桥成为了巡视人员往返两岸的便捷通道。但遇到恶劣天气，尤其是冬季，雨雪天气时，坝后桥表面结冰情况严重，影响巡视人员的正常通行和人身安全。为了使正常的巡视工作不受雨雪冰冻等天气的影响，保障巡视人员的安全，需设置封闭结构建筑，将坝后桥进行封闭。坝后桥封闭结构在类似的工程中未有先例，本工程为首次采用。

1 封闭结构

封闭结构为钢筋混凝土板式框架，由顶板、下游墙组成，高3.15 m，净高2.85 m，底部净宽1.66 m，顶部宽2.67 m，并设有向外的4%坡。为便于施工，下游墙与坝后桥外边缘留有15 cm宽的距离；下游墙厚30 cm，顶板厚30～40 cm。顶板与坝体相交处采取了加腋措施，尺寸为50 cm×61 cm(高×宽)，如图1所示。

图1 封闭结构剖面图 单位：cm

封闭结构顶板及下游墙混凝土均为C30F300。为了防止外部的水渗入封闭结构内部，在顶板与坝体连接处设651型橡胶止水1道，封闭结构沿纵向每20 m设置伸缩缝1道，分缝处设紫铜片止水1道，并在分缝处用橡胶止水带作为缝面填充材料在整个缝面平行铺设。

为了减少对坝体的损伤，并使新旧混凝土结构能够紧密连接，封闭结构顶部与坝下游连接采用了与地下厂房岩锚梁相似结构，在坝后设置锚筋，使之与框架能很好的连接，确保框架结构的安全稳定。封闭结构顶板与坝体之间共设置了2排Ø28 mm抗拉锚杆，1排Ø28 mm受压锚杆，间距均为50 cm，梅花状布置，如图2所示。坝后桥桥面与下游墙之间设置了2排Ø25 mm的插筋，间距80 cm，梅花状布置，见图3。

为了保证新旧混凝土面的良好结合，浇筑混凝土之前，对原混凝土面进行凿毛处理。

图2 封闭结构剖面详A图 单位：cm

图3 锚杆布置图 单位：高程,m;其它，cm

2 计算原理与荷载

2.1 计算原理

采用锚杆的连接方式对新旧混凝土结构进行连接未曾有类似的工程经验，也未有相关规范明确计算方法。经过分析认为，该连接方式与水电站厂房中的岩壁吊车梁极为相似。两者的不同之处在于，本封闭结构的连接是新旧混凝土之间的连接，而岩壁吊车梁是混凝土结构与岩石之间的连接，但主要都是靠锚杆来承受拉力，确保结构的稳定。因此，可以参考岩壁吊车梁的计算进行设计[1-3]。

锚杆牛腿梁计算见图4，计算假定如下：

(1) 忽略受压锚杆和第2排受拉锚杆的作用，第2排受拉锚杆作为增加安全储备的措施。

(2) 忽略封闭结构与坝体之间的粘聚力，但考虑了摩擦力。

(3) 假定封闭结构与坝体连接支座处的反力为均匀分布。

图4 节点力的平衡图

2.2 作用荷载

本封闭结构属于大坝的附属结构，位于大坝的中下部,结构规模小，安全级别较低，因此本次计算不考虑地震荷载、风荷载。

(1) 结构自重

顶部受力板为30 cm厚，由于可能在顶部布置化冰或其他设施，顶部按增加10 cm厚的现浇层计，荷载计算时，板厚按照40 cm考虑。钢筋混凝土的容重取25 kN/m3。

单宽内顶板沿跨度方向荷载：g1=0.4×25 kN/m=10 kN/m。

单宽内顶板与坝体加腋的自重：g2=1/2×0.73×0.5×25 kN=4.56 kN。

(2) 冰压力

该地区为严寒地区，在冬季，坝后桥表面存在结冰的情况，需考虑冰荷载的作用，根据历年坝后桥表面的结冰情况综合分析，最终确定的冰荷载为10 kN/m2。

本次计算时，板自重按照永久荷载考虑，冰压力按照可变荷载考虑。

2.3 荷载组合

根据GB50009-2012《建筑结构荷载规范》[4]第3.2.3条,对于荷载基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定。

(1) 由可变荷载效应控制的组合

(1)

式中:γG为永久荷载的分项系数;γQi为第i个可变荷载的分项系数;SGk为按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值;SQik为按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值,其中SQ1k为诸可变荷载效应中起控制作用者;ψci为可变荷载Qi的组合值系数,本次计算取0.7;n为参与组合的可变荷载数。

按照可变荷载控制计算，组合后的荷载设计值如下：

P=1.2g1+1.4q1

=1.2×10+1.4×10=26 kN/m

(2) 由永久荷载效应控制的组合

(2)

根据文献[4]第3.2.4条，永久荷载的分项系数取值：① 永久荷载的分项系数。当其效应对结构不利时,对由永久荷载效应控制的组合,取1.35;② 可变荷载的分项系数取1.4。

按照永久荷载控制计算，组合后的荷载设计值如下：

P=1.35g1+0.7×1.4q1

=1.35×10+0.7×1.4×10=23.3 kN/m

取永久荷载和可变荷载控制计算结果的较大值，P=26 kN/m

3 锚杆布置及承载力计算

3.1 锚杆布置

根据GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》[5]，锚杆孔直径D取锚杆直径d的3倍但不应小于1倍锚杆直径加50 mm，锚杆的间距不应小于6D，水泥砂浆强度不低于M30。

[1]，锚杆采用热轧带肋钢筋,直径28 mm，锚杆孔直径D为84 mm，锚杆计算间距为504 mm，实际取500 mm。

3.2 锚杆抗拉、抗滑移计算

按照极限平衡法，简化为如图4所示的计算简图，S为锚杆承受的拉力，N为作用在坝体和顶板接触面上的反力，V为单根锚杆承受的竖向荷载。支座与坝体之间的摩擦系数f=0.8。

根据力的平衡得到如下的方程：

Scos 43°+Vsin 13°=N

Ssin 43°-Vcos 13°=0

单宽内支座处竖向荷载V′=1/2×26×2.63+4.56=38.75 kN,单宽内共有2根锚杆，单根承受的竖向荷载V=38.75/2=19.38 kN。

根据以上计算得到V=19.38 kN，S=27.68 kN，N=24.6 kN。

由《岩壁吊车梁有限元分析的关键技术问题研究》[6]中列举的相关工程的锚杆抗拉及接触面的抗滑移安全系数，本次计算取抗拉安全系数[K]=1.5，抗滑移安全系数[Ks]=1.4。

考虑安全系数后，单根锚杆的设计拉拔力[S]=fyA/[K]=121.3 kN；锚杆抗拉安全系数K=121.3/27.68=4.38>1.5，满足要求；接触面抗滑移安全系数Ks=(Ssin 43°+fN)/Vcos 13°=2.04>1.4，满足要求。

3.3 锚杆锚固长度计算

参考Q/CHECC 003-2008《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》，锚杆在稳定岩体内锚固长度应符合下列规定：

(3)

(4)

式中：γ0为结构重要性系数，工程的安全级别按Ⅲ级考虑，取0.9；ψ为设计状况系数，本次计算为持久状况，ψ取1.0；La为受拉锚杆在稳定岩体内的锚固段长度，mm；γd为结构系数，本次计算取1.35；γb为粘结强度的材料性能分项系数，取1.25；fy为受拉锚杆抗拉强度设计值，MPa；f(rb，k)为胶结材料与孔壁的粘结强度标准值，本次计算按Ⅲ类围岩的粘结强度的中间值1 MPa；f(b，k)为胶结材料与钢筋的粘结强度标准值，本次计算取中间值2.5 MPa；d为锚杆直径，mm；D为锚杆孔直径，mm；As为单根受拉锚杆的截面面积，mm2；根据式(3)计算得La≥1 064 mm；根据式(4)计算得La≥1 277 mm。

根据GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》第8.6.2条，锚杆的锚固长度应根据下面的公式计算：

L≥Rt/(0.8πDf)

(5)

式中:Rt为锚杆承受的拉力；f为砂浆与岩石间的粘结强度特征值,取0.3 MPa。

L≥Rt/(0.8πDf)=437 mm

根据计算结果，取较大值L=1 277 mm，实际取L=1 300 mm。

4 2 250 m高程牛腿复核计算

2 250 m高程牛腿的计算简图见图5，牛腿承受顶板及下游墙传递来的集中荷载。混凝土的保护层厚度取100 mm，依据文献[3]进行计算。

图5 支座牛腿计算简图 单位：cm

(1) 荷载计算(1 m范围)

顶部荷载：1.2×0.4×25+1.4×10=26 kN/m；

顶部传递给下游墙的荷载P1=1/2×26×2.63=34.19 kN；

下游墙荷载P2=1.2×0.3×2.85×25=25.65 kN；

牛腿顶部承担的荷载P=34.19+25.65=59.84 kN。

(2) 牛腿的裂缝控制

a=1.5 m

a/h0=1.5/1.7=0.88

(6)

式中：Fvk为作用于牛腿顶部按荷载效应标准组合计算的竖向力值；Fhk为作用于牛腿顶部按荷载效应标准组合计算的水平拉力值；β为裂缝控制系数;对支承吊车梁的牛腿取0.65，对其他牛腿取0.80；a为竖向力的作用点至下柱边缘的水平距离；b为牛腿宽度；h0为牛腿与下柱交接处的垂直截面有效高度。

=1252 kN>59.84kN，满足要求。

(3) 牛腿受拉钢筋

(7)

式中：Fv为作用在牛腿顶部的竖向力设计值；Fh为作用在牛腿顶部的水平拉力设计值。

As≥59.84×103×1500/(0.85×300×1700)

=207 mm2

实配钢筋为Φ20mm@20mm，As=1 571 mm2，满足要求。

5 相关技术要求

(1) 坝后桥封闭结构为在原有建筑物上新建的建筑物，除满足自身结构的稳定外，还需对坝后桥结构进行复核计算。

(2) 在新旧混凝土结合处的坝体和坝后桥表面进行凿毛，凿除深度3 cm，并清除表面的浮灰，确保新旧混凝土的良好结合。

(3) 封闭结构锚杆施工要求按DL/T 5198—2004《水电水利工程岩壁梁施工规程》执行。除进行拉拔检验抽检外，对锚杆砂浆要求进行密实度全面检测。砂浆锚杆密实度和锚杆长度检测采用砂浆饱和仪器或超声波物探仪进行。锚杆注浆密实度应大于95%，要求合格率为100%。

6 结 语

拉西瓦水电站坝后桥封闭结构建筑物已完成施工及竣工验收，至今运行良好，达到了预期目标，为今后类似工程的设计提供了参考。封闭2 250 m高程坝后桥，可更好地满足运行期防雨雪、桥面湿滑及泄洪时减少雨雾影响，改善坝下游运行管理环境，方便运行人员正常巡视、检查。

参考文献:

[1] Q/CHECC 003-2008,地下厂房岩壁吊车梁设计规范[S].中国水电工程顾问集公司,2008.

[2] 石广斌,刘有权,李敬昌.岩壁吊车梁稳定性刚体极限平衡分析法之商榷[J].西北水电,2008,(5):15-21.

[3] GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[4] GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2001.

[5] GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[6] 傅少君,岳焕峰,于英姬,陈胜宏.岩壁吊车梁有限元分析的关键技术问题研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(10):2124-2128.

Study on Design of Closed Structure for Catwalk on Arch Dam

ZHANG Hao

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

As a convenient access for inspectors, the catwalk of arch dam in previous design is never considered to apply the closed structure. Therefore, the normal pass on the catwalk is affected in poor weather condition such as in raining, snowing and freezing days. To secure the normal inspecting operation, additional closed structure is required to build to the catwalk. With case of Laxiwa Hydropower Station, the design of the closed structure for the catwalk is introduced so as to provide the design of similar works with reference.

catwalk; closed; design

2015-01-08

张浩(1980- ),男,陕西省城固县人，工程师，从事水利水电设计工作.

TV642.4

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.023