密云水库小西库挡水闸右边墩裂缝安全复核分析

于 茜 张晓军 刘 宁

(北京市密云水库管理处，北京 101512)

密云水库位于北京密云区境内，是华北地区最大的水库，肩负着南水北调工程中水资源储备和调蓄的功能，目前处于高水位运行时期。小西库调节池是密云水库白河电站尾水调节池西侧的一部分，因被修建密云水库时的运料铁路专线铁路桥分隔在调节池西侧，故称小西库调节池。小西库调节池挡水闸是小西库调节池的重要构筑物之一，小西库调节池的稳定与否，对于调节池的库容及安全运行有很大的影响。为了检测小西库调节池的稳定性，并对可能出现的问题进行及时发现修正，对其闸墩抗滑稳定及结构受力进行了检测计算。

1 工程概况

密云水库调节池总库容503万m3(已淤积约160万m3)，有效库容210万m3，最高蓄水位94.00m，蓄水最低位91.20m，堤顶总长8507.95m。位于白河大坝下游约4km的白河上，上接白河电站尾水渠，下与京密引水工程相连，也可经泄洪闸放水至下游。包括东堤、中堤、西堤、南堤、小西库北堤及挡水闸、泄水闸、进水闸, 是密云水库的一项以取水为主，综合利用的配套工程。小西库调节池挡水闸位于调节池小西库调节池北端，设有3.5m×4m的平板定轮挡水闸门两扇，非汛期常闭，用以阻挡闸门下游调节池水倒灌闸门上游河床耕地；汛期常开，用以排泄黑山寺局部山洪于调节池内，具有排洪、排涝、减灾等作用[1]。由于建成年代较早，混凝土结构存在老化病害。小西库调节池挡水闸平面布置见图1。

图1 小西库调节池挡水闸平面布置 (单位：mm)

小西库调节池挡水闸为2孔整体式钢筋混凝土结构，墩顶设排架柱，排架顶部为启闭机室。由于建成年代较早，混凝土结构存在老化病害。闸墩顶部高程94.50m，闸室底板顶高程88.50m。闸室净宽3.5m，中墩厚1.5m，边墩顶宽1.0m、底宽2.0m，底板厚1.0m。工作门槽部位设高2.0m、宽0.3m胸墙。混凝土标号为150号。闸室顺河向长6.0m。图2为小西库调节池挡水闸闸墩剖面。

图2 小西库调节池挡水闸闸墩剖面

闸门为潜孔式平面定轮钢闸门，板梁结构，等高布置。闸门面板支承在由主横梁、纵梁、边梁和小横梁组成的梁格上，面板与梁格直接焊接。主横梁为工字形截面组合梁，共3根；纵梁为焊接T形截面组合梁，共1根；边梁为Π形截面组合梁；小横梁为20号工字钢，共2根；顶、底梁为60mm×60mm的角钢。

2 现场安全检测

2.1 裂缝外观检测

对小西库调节池挡水闸的外观检查以目测方法为主，重点检查混凝土剥蚀、裂缝等外观缺陷，绘制结构各部位表面剥蚀、裂缝分布等缺陷的位置图，按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB 50204—2002)评定混凝土缺陷等级[2]。

在检查中发现右侧边墩存在一条较大裂缝，发展方向由闸墩上游墩头斜向下游至工作闸门闸槽。裂缝上游端距闸底板约2.5m，下游端距闸底板约1.0m，从走向和表面宽度可以看出，该裂缝靠近上游端较宽，向下游端缝宽逐渐减小，裂缝位置及走向如图3所示。

图3 裂缝位置及走向

为检查该裂缝深度，采用直径100mm工程钻机跨缝钻取混凝土芯样的方法，钻孔中心距闸墩上游端0.3m，距离底板2.4m。通过钻芯取样，探查裂缝宽度为2～3mm，直至深度85cm左右裂缝仍然发育且宽度未减小，取出的芯样中含有细泥土和植物根须。

钻孔位置闸墩厚度约1.5～1.6m，在深度85cm位置裂缝仍有发育，裂缝深度已大于闸墩厚度1/2，从检查情况判断，靠近闸墩上游部位为贯穿性裂缝[3]。

2.2 右边墩混凝土检测

采用回弹法和试剂法分别对挡水闸右边墩的混凝土强度和碳化深度进行检测，小西库调节池挡水闸回弹法检测混凝土强度结果如表1所列。从表1可看出，右边墩混凝土结构抗压强度基本满足《水工混凝土结构设计规范》(SL/T 191—96)中规定的混凝土指标，但因小西库调节池挡水闸运行条件属于新规范(SL 191—2008)规定的三类运行环境“淡水水位变化区”，该运行环境要求的混凝土最低等级为C25，因此小西库调节池挡水闸混凝土强度已不满足现行规范(SL 191—2008)的要求。

表1 小西库调节池挡水闸混凝土强度检测结果 单位：MPa

小西库调节池挡水闸碳化深度检测结果如表2所列，检测结果表明该结构大部分构件的碳化深度较大，测值均超过或接近钢筋保护层厚度值。

表2 混凝土碳化深度检测结果 单位：mm

3 裂缝安全复核计算及分析

3.1 结构安全复核

经现场安全检测，影响结构安全的主要缺陷为右侧边墩裂缝，鉴于小西库调节池挡水闸右边墩开裂较为严重，可能影响结构的安全，须对此进行复核分析。

复核裂缝部位的混凝土层面抗滑稳定，使用刚体极限平衡法按照抗剪断计算公式进行计算。混凝土层面抗剪断参数参照《混凝土重力坝设计规范》(NB/T 35026—2014)表D.0.3，混凝土层面抗剪断摩擦系数f′c取1.3，混凝土层面抗剪断黏聚力c′c取1.6MPa。

作用力函数：

S=ΣPc

(1)

抗滑稳定抗力函数：

R=f′cΣWc+c′cAc

(2)

抗滑稳定系数

K=R/S

(3)

式中 ΣPc——计算层面上全部切向作用力之和，kN；

ΣWc——计算层面上全部法向作用力之和，kN；

f′c——混凝土层面抗剪断摩擦系数；

c′c——混凝土层面抗剪断黏聚力，kPa；

Ac——计算层面截面积，m2;

K——抗剪断稳定系数。

荷载与荷载组合为：工况①非汛期闸门挡下游侧调节池水：下游静水压力+侧向土压力+结构自重；工况②汛期正常过水：侧向水压力+侧向土压力+结构自重+扬压力。侧向土压力按照静土压力计算，静土压力系数取0.4。经计算，工况②为不利工况，计算结果见表3。

表3 混凝土层面抗滑稳定计算结果

从表3可见，计算工况②(正常过水)条件下，裂缝部位的右边墩混凝土层面不满足规范中抗剪断稳定系数应大于1的要求；工况①(闸门下游侧挡水)无论是否考虑闸门挡水时的下游水压作用，裂缝部位的混凝土层面同样不满足规范中抗剪断稳定系数大于1的要求。

3.2 裂缝成因分析

为了更好地控制裂缝和采取有效措施对裂缝进行预防,必须对裂缝的成因机理进行全面的分析。小西库调节池挡水闸闸墩裂缝的产生主要与墩体内外温差、结构设计、外部约束等有关,通常是多因素综合作用的结果。

3.2.1 墩体内外温差

闸墩作为大体积混凝土，内外混凝土散热条件不同，外部混凝土和外界环境接触,散热条件好，热量容易散发,内部混凝土散热条件差,于是在降温阶段又造成了外部混凝土温度低于内部混凝土温度。这样在升温和降温阶段都使闸墩内外混凝土形成了同一方向的温度梯度，导致其变形的不一致。内部膨胀受到外部的限制，或相应的外部收缩受到内部约束，于是在外部混凝土中产生了拉应力。随着外部混凝土拉应变达到其极限拉应变,裂缝由此产生[4]。裂缝初期很细,随着时间推移继续扩大、变深,甚至贯穿。

除了混凝土水化引起的温度作用外，运行期环境温度变化也会产生作用，特别是遇到寒潮袭击、表面温降特别大时,裂缝发展更为严重。

影响内外温差的主要因素有浇筑入模温度及环境温度等。

3.2.2 结构设计

原设计边墩内侧设置了构造筋，外侧未配筋，由于混凝土材料是非均质的，承受拉力作用时，截面中各点受力是不均匀的，有大量不规则的应力集中点。这些点由于内部应力(温度应力、收缩应力、线性膨胀系数差异引起的应力)的叠加使得拉应力首先达到抗拉强度极限，引起局部塑性变形，在无钢筋处继续受力，便在应力集中处出现裂缝[5]。因此混凝土的内部配筋不足或配筋不当，将直接导致混凝土的开裂。

3.2.3 外部约束

裂缝发生部位近似于闸墩高度方向距底部1/3处，考虑闸墩顶部胸墙和桥面板的支承作用时，边墩受力形式近似于回填土压力作用下的梁，而裂缝开裂的部位恰好是土压力合力作用处。初步判断裂缝是因结构承载力不足引起，为了证实上述推测，进行了结构受力分析[6]。如图7所示，将闸墩按照简支梁进行受力分析，取结构单宽计算，跨度取6m。

图4 简支梁内力分布示意图

(4)

式中l——计算跨度,m；

q——荷载,kN/m2。

由上式计算得最大弯矩299.3kN·m，距墩顶3.46m(距底板2.54m)，该处墩厚1.58m，故按照《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)对深受弯构件(指跨高比小于5的受弯构件)进行承载力复核，其正截面受弯承载力应符合下列规定：

KM≤fyAsz

(5)

z=ad(h0-0.5x)

(6)

ad=0.80+0.04l0/h

(7)

式中K——承载力安全系数，取1.2；

M——弯矩设计值，N·mm；

fy——钢筋抗拉强度设计值，N/mm2；

As——纵向受拉钢筋截面积，mm2，双层φ16钢筋；

ad——内力臂系数；

x——截面受压区高度，mm；

l0——计算跨度，mm；

h——截面高度，mm；

h0——截面有效高度，mm。

经计算，作用力为3.5916×108N·mm，抗力为3.5099×108N·mm，抗力小于作用力，深受弯构件的正截面受弯承载力不满足《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)中抗力不小于作用力的要求。

根据计算结果，弯矩最大部位距底板2.54m，这与裂缝实际发生的部位一致。考虑到该闸室为整体式结构，闸室左侧是山体，结构变形后可能存在整体向右侧偏移的现象[7]，而在闸室右侧距底板高约2.50m处存在厚50cm的防浪墙混凝土板，其对闸墩的变位亦存在顶推作用，造成闸墩内侧受拉，是造成右边墩裂缝的原因之一。

4 结 论

a.小西库调节池挡水闸右边墩存在较宽的横向贯穿裂缝，裂缝宽度较大，评定为D类裂缝；混凝土结构强度不满足现行规范对使用环境条件的要求，构件碳化深度较大，钢筋发生锈蚀的可能性较大。

b.右侧边墩受弯构件的正截面承载力复核结果表明，承载力不满足《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)要求。复核计算结果表明引起右边墩深层裂缝的原因一方面是作用于整体闸室边墩的土压力及防浪墙底部混凝土板的顶推作用力，另一方面是迎水面的结构配筋不足。

c.加固开始后，经开挖右边墩外侧填土证实此处裂缝已经贯穿，安全复核时按现场取芯检测缝深度85cm计算。混凝土层面抗滑稳定的复核表明，裂缝部位的混凝土层面抗滑稳定不能满足规范要求。

d.骑缝取芯检测的缝深超过85cm，实际上裂缝已经贯通整个右边墩，而且缝间充填淤泥等杂质，裂缝的存在严重削弱了闸墩的整体性，对结构安全极为不利，考虑密云水库工程在北京市的重要地位且挡水闸使用将近60年的现状，综合结构受力条件、混凝土老化、上部排架碳化严重、金属结构老化问题等多方面因素，认为这种规模小、问题多的建筑物在除险加固后结构性隐患并不能得到根治，因此建议拆除重建，以保证水工建筑物运行安全。

e.由于密云水库地处冻土地区，冻胀也是造成水工建筑物变形乃至破坏的主要原因，如溢洪道、闸等常年与水接触，在冬季极易因低气温使水工建筑物产生冰冻破坏。作为运行管理单位应通过水泵对水体进行搅动，使混凝土建筑临水面冬季不结冰，从而有效减少冻胀破坏影响。在工程建成后的除险加固过程中需要设计、施工和管理单位齐心协力，综合考虑建筑物的等级、运用要求、地质条件等实际情况，确保混凝土质量，减少病害隐患及威胁，提高混凝土的耐久性。