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新疆某水库溢洪道除险格宾加固分析

时间:2016-05-16 19:47 作者:晟江格宾网www.gabionchang.com 点击:

摘 要:文中对新疆某水库溢洪道运行现状进行分析,总结了目前溢洪道运行安全上存在的问题。对溢洪道的泄流能力、边墙稳定、挑流消能、下游护坡稳定进行复核,计算结果满足规范要求。同时对溢洪道上坝交通桥进行方案必选,最后针对溢洪道目前存在的安全隐患提出处理方案,以保证溢洪道安全运行。
新疆某水库溢洪道除险格宾加固分析
新疆某水库溢洪道除险格宾加固分析
一、溢洪道现状:
   溢洪道位于水库右岸Ⅲ级阶地上,为开敞式侧槽溢洪道,全长 546.5m,由溢流堰、侧槽、调整段、陡坡段、泄槽段及挑流鼻坎组成。溢流堰为折线型实用堰,堰顶高程为989.60m,堰顶长 64.0m;侧槽长 74.5m,侧槽首端宽 2m,末端宽 20m,底高程 983.25m,侧槽底为平坡,内边坡为 1:1.5,边墙顶高程 995.00m;调整段长 45m,净宽 20m,纵坡 0.01,边墙高度 11.75~8.0m;陡坡段长 30.85m,净宽 20~16m,边墙高 8~6.6m,纵坡 0.1378;泄槽段长 325.11m,净宽 16m,高 6.6~4.2m,纵坡为 0.0571 和 0.1905;末端采用挑流消能,洪水泄入下游河道。溢洪道原设计泄量 207.5m3/s,校核泄量507.5m3/s。溢洪道上设有一座跨度为 20m 的钢筋混凝土双曲拱桥,设计荷载为汽-10 级。
新疆某水库溢洪道除险格宾加固分析
二、目前存在问题:
 
(1)泄槽段两侧边墙局部混凝土剥蚀、裂缝,个别接缝在高水位时存在渗水现象;底板局部表面混凝土冲刷损坏,存在剥蚀、露筋、裂缝、鼓起等现象。库水位 980.00m 以上时渗水较明显,冬季槽内有水,已造成冻胀破坏。
 
(2)溢洪道出口挑流坎施工质量差,剥蚀严重,在溢洪道 0+500 处,即挑坎段,底板混凝土被顶起、断裂。挑坎段有明显缺陷 4 处,裂缝 20 余条。基础淘刷严重,部分基础被淘空,基岩外露。
 
(3)溢洪道下游护岸年久失修,铅丝笼护坡护底部分已冲蚀不在,铅丝笼锈蚀,严重威胁右岸八钢暗渠。
 
(4)上坝引桥弯道半径太小,冬季路滑时易发生事故,常有车辆掉入溢洪道内或撞坏桥栏杆。溢洪道上双曲拱桥设计载重量低为汽-10 级。
 
三、除险加固分析:
新疆某水库溢洪道除险格宾加固分析
1.对泄槽边墙稳定复核:
   溢洪道泄槽边墙 0+000~0+075m、0+120m~0+ 150.84m 在 2000 年除险加固时已做处理。0+394.0m~0+505.56m 段为边墙与底板整体的 U 型槽结构,不存在边505.56m 段为边墙与底板整体的 U 型槽结构,不存在边墙稳定问题。0+150.84m~0+394.0m 段为重力式挡墙结构,现仅对该段边墙稳定进行复核。
 
(1)基本参数选取
    泄槽边墙复核所需参数依据《水闸设计规范》(SL265-2001)、《水工挡土墙设计规范》SL379-2007等规定,基于经验确定[1]。参数选取如下:
1)挡土墙底部与坝体间的摩擦系数:0.5,墙底以下为砂砾石 f=0.5~0.55
2)上部回填砂砾内摩擦角 33º、容重 21kN/m3
3)下部回填砂砾石及戈壁料内摩擦角 35º、容重 20 kN/m3
4)挡土墙容重 24kN/m3
5)地基为砾质粘土,承载力按 300kPa
 
Kc = f åW
å H

式中:Kc—抗滑安全系数;ΣW—垂直于滑动面方向的合力(kN);ΣH—沿滑动面方向的合力(kN);f—摩擦系数。f取 0.5。
 
沿基础面抗倾稳定计算
K f  = å M f
å M
 
式中:Kf—抗倾覆安全系数;ΣM—倾覆力矩(kN·m);ΣMf—抗倾覆力矩(kN·m);ΣMf、ΣM均为对计算端点的力矩。
(2)计算结果与分析
 
表 1 溢洪道泄槽边墙稳定性复核结果表
 
  抗滑稳定安全系数 抗倾安全系数   墙底应力  
荷载组合              
  计算值 规范要求 计算值 规范要求 计算内容 计算值(kPa)规范要求
               
          墙底平均应力 132.5 ≤300
基本组合 1.406 ≥1.25 2.28 1.5 墙趾应力 264.9 ≤360
          最大、最小比值 最小值 0 2
          墙底平均应力 150 ≤300
特殊组合Ⅱ 1.23 ≥1.05 2.0 1.4 墙趾应力 301 ≤360
          最大、最小比值 最小值 0 4
从上述复核结果可以看出,溢洪道边墙抗滑稳定、抗倾稳定均满足《水工挡土墙设计规范》SL379-2007 要求,墙底最大应力和平均应力均满足规范要求,但最大和最小应力比值不满足规范要求。
 
2.溢洪道泄流能力及边墙高度复核
 
(1)泄流能力复核
 
溢洪道为折线型实用堰,采用实用堰的流量计算公式:
 
Q = mB  2gH3/20
 
式中:Q—流量,m3/s;B-溢流堰总净宽度,64m;H0—堰上水头,m,计算断面可取在堰前(3~6)H 处;g —重力加速度,m/s2;m—流量系数。
不同水位所对应的流量系数及流量如表 2 所示。
 
表 2 溢洪道水位流量关系表
 
水位 H(m) 990 991 992 992.5 993 993.5 994
               
流量系数 m 0.33 0.33 0.35 0.3552 0.359 0.3728 0.3728
流量 Q(m3/s) 23.7 154.9 368.7 497 637.7 813.5 974.9
 
(2) 边墙高度复核
 
首先采用水利水电程序 D-7计算校核洪水位工况下的水面线,再根据《溢洪道设计规范》SL253-2000 计算掺气水深[2],计算公式为:
 
h b  = (1 + 100ξV) × h
 
式中:hb—计入掺气水深及波动的水深;h、V—不计掺气及波动的水深、流速;ξ —修正系数,在 1.0~1.4 之间选用,流速大者取较大值,本次计算取 1.3。
 
安全超高计算采用《水工设计手册》的计算公式:
 
=0.61+0.037vh1/3 式中:h-断面不掺气水深;v-断面平均流速。
 
溢洪道边墙高度复核成果如表 3 所示。
 
表 3 溢洪道墙高复核成果表
 
部位 计算掺气后最大水深(m) 安全超(m) 计算墙(m) 现状墙(m)
         
调整段 4.3 0.98 5.28 11.75~8.0
陡坡段 2.52 1.22 3.74 8.0~6.6
泄槽段 2.56 1.3 3.86 6.6~4.2
 
从上表可以看出,溢洪道墙高满足要求。
 
3.溢洪道加固处理方案
 
(1)排水改造
   库水位 980.00m 以上时渗水较明显,冬季槽内有水,已造成冻胀破坏。
   排水孔改造:2000 年加固时曾在 0+149.04 桩号设有 7 个明排水孔,这些排水孔冬季不断向槽内渗水。处理方案为:将明排水孔封死,设置暗排水管从泄槽下用钢管引至坝后公路侧高程较低处。
(2)溢洪道挑坎溢洪道出口挑流坎施工质量差,剥蚀严重,在溢洪道0+500处,即挑坎段,底板混凝土被顶起、断裂。挑坎段有明显缺陷4处,裂缝20 余条。本次设计将溢洪道挑坎段拆除重新浇筑挑坎段。新浇筑的挑坎,设计为 U 型槽结构,即边墙与底板整浇一体,底板厚度0.7m,边墙厚度顶部0.4m,底部厚度0.7m。
在溢洪道挑坎段,出露岩性为泥岩,褐紫色,泥质结构,层状构造,产状 82°NW∠60°,节理密集发育,抗风化能力弱,岩石强风化层多呈豆渣状、粉末状。该层泥岩受风化剥蚀、水流等作用影响下,在挑坎底部混凝土与泥岩接触部位有淘空现象,根据现场地质勘察及分析以往地质资料,底板底部出现的空鼓和空洞连续长度约 26m,且在溢洪道挑坎右侧边坡与泥岩接触部位也形成 15~20cm 的宽缝。做为溢洪道挑流坎基础,必须密实,同时注意混凝土的防腐处理。
    对挑坎底部混凝土与河床接触处淘空部位,计算冲刷深度为 2.2m,并考虑一定的安全余度,确定底部高程为 936m。充填加固混凝土,槽基础开挖 4m 深,底宽 2m,边坡 1:2。老挡墙混凝土表面破损严重,为防止泄流时发生破坏,在外表面新浇一块混凝土,顶部厚 0.3m,外坡 1:0.2 坡至 939m 高程。加固图见 TTHSK-BG-YHD-01。
 新疆某水库溢洪道除险格宾加固分析
(3)下游护岸
    下游护岸年久失修,部分铅丝笼护坡护底已冲蚀不在,现存在的铅丝笼锈蚀,严重威胁右岸八钢暗渠。本次设计拆除原铅丝笼护坡护底部分,重新修建格宾护岸结构,格宾护岸具有美观,柔韧性、透水性、耐久性好、施工方便等特点,在工程中应用广泛。护岸长度约 150m,仅护单侧。边坡采用 1m×1m 钢丝笼石,护坡高度 3m;河床底部采用 0.5m×1m 钢丝网护垫,宽度 3m。
 
(4)溢洪道上坝引桥和交通桥溢洪道上双曲拱桥设计载重量为汽-10 级,已不满足现
    状要求,本次除险设计对其加固改建比较了两种方案:一是加固,二是拆除重建。目前拱桥运行较好,未发现缺陷,从保护原拱桥风貌上来看,应优先选用加固方案;由于拱桥一侧与大坝防渗体连接,现状防渗效果较好,且运行多年,土体与挡墙间沉陷变形已稳定,从避免对大坝与溢洪道接触部位产生不利影响的角度上来看,亦需优先考虑加固方案;从投资上来看加固方案较省。所以最终推荐加固方案。
 
1)加固方案
    复核原桥承载力。采用 MIDAS/CIVIL 软件对交通桥进行了计算,取大桥其中一个拱圈及其上部对应结构形式进行建模,考虑了横向分布系数的影响,并考虑了自重、上部铺装荷载以及车辆移动荷载等最不利的荷载组合形式,荷载按公路二级考虑,对大桥拱圈设计进行了复核。
    经计算得拱圈拱顶截面最大弯矩 MY=10.50KN·m,轴力 N=117.45KN,按对称配筋,需要钢筋 AS=AS’= 401mm2;拱圈拱脚截面最大弯矩 MY=11.41KN·m,轴力N=327.18KN,需要钢筋 AS=AS’=810mm2。实际拱圈配筋为 AS=606mm2,AS’=515mm2,拱脚附近需要加强。
    根据武汉华中科技大学土木工程与力学学院王国鼎、唐碧海教授课题组研究的拱桥加固新方法,即从拱背以上加固,仅加固控制截面。具体方法是有效地加强拱脚截面,采用钢筋混凝土加强拱背。加强拱背的现浇钢筋混凝土,在拱脚截面处厚度根据计算需 30cm,在加厚段终点处厚度为 10cm,其间逐渐变化。为了消除新老混凝土的收缩差影响,加厚拱圈的混凝土宜采用微膨胀混凝土,混凝土标号不低于 C30。
   优化桥面:拆除原桥面铺装,全部予以更新,采用 C40 防水混凝土加强,以提高桥梁的使用寿命并增大桥梁的承载能力。地基承载力复核:现状情况地基土为压实的砾质粘土,承载力 300kPa。桥台为重力式挡墙兼做溢洪道边墙,挡墙基础宽 6.22m,荷载为汽-10 级。
   考虑加固后重车荷载为 550kN,经计算挡墙墙踵基底应力增加 55kPa。从安全角度考虑,在墙踵外侧采用高压旋喷灌浆加固,将钻机放在路基上,用直径 5cm 的钻杆,孔深12m,孔距 2m,旋喷灌浆控制成桩直径 0.8m,使桥台基础下有 0.4m 的桩将桥台支撑住。同时旋喷桩的挤紧作用使桩间土的承载力也相应提高。
   2)拆除新建方案
   溢洪道上交通桥在原拱桥位置上修建。桥型采用简支梁结构型式,因受溢洪道宽度限制,桥跨径为 22m,桥面宽8.6m,共一跨。汽车荷载等级为公路—Ⅱ级。该桥上部结构采用装配式预应力钢筋混凝土简支 T 形梁,共 4 片梁,各片中心距 2.15m,T 梁中梁宽 1.6m,边梁宽 1.9m,梁高 1.5m。桥下部结构采用钢筋混凝土桥台,兼做溢洪道边墙。每端墙下布置 4 根混凝土灌注桩,桩径1.2m,桩长约 10m,桩端深入至基岩面,桩长约 11m,共2 排,顺桥向桩距 3.3m,排距 5.0m。
 
四、结论
   该水库溢洪道运行年限成,泄槽段两侧边墙局部混凝土剥蚀、裂缝;出口挑流坎施工质量差,剥蚀严重,下游护岸年久失修,铅丝笼护坡护底部分已冲蚀不在,铅丝笼锈蚀,严重威胁右岸八钢暗渠。上坝引桥弯道半径太小,冬季路滑时易发生事故,常有车辆掉入溢洪道内或撞坏桥栏杆。溢洪道上双曲拱桥设计载重量低为汽-10 级。 针对以上问题,本文对该水库溢洪道进行除险加固分析,计算泄槽边墙稳定,复核溢洪道的泄流能力和边墙高度,最后提出了溢洪道除险加固的处理方案,以保证溢洪道的安全运行。
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