水闸除险加固方案比选及设计

根据本工程具体情况,闸墩加固改造拟定了补墩扩孔方案、凿墩方案、结构措施方案、拆除机架桥墩及其以上重建液压启闭方案、闸墩及其以上重建卷扬启闭方案、拆除闸中墩重建液压启闭方案等六个方案进行比较。

(一)补墩扩孔方案

本方案仍采用弧门卷扬启闭机,在原有结构基础上,对闸墩及机架桥墩表面凿毛处理后,增补钢筋混凝土厚0.25m,并增补闸墩辐射筋。因闸墩加厚原弧门支座悬臂长度需加长,结合支座加固,需凿除原牛腿,补植钢筋,加长支座。该方案使每孔过水净宽由现状12.0m 减为11.5m,中墩厚由现状1.5m 改为2.0m,闸门吊点距减小,原机架桥及机房不满足启闭机安装要求,机架桥及机房需拆除重建。按SL265—2001 《水闸设计规范》附录A 宽顶堰高淹没流计算式 (A.0.2-1)、式 (A.0.2-2)复核泄洪能力,当过闸流量为6000m3/s时,闸孔总净宽须增加4.9m;当过闸流量为7000m3/s时,闸孔总净宽须增加3.7m。

优点:施工工艺简单,可同时解决闸门槽埋件、机架桥墩根部、闸墩、辐射筋、裂缝、混凝土表面炭化等问题。

缺点:加厚闸墩及扩孔后,改变了现有闸总体布置和闸孔尺寸,对处于两省边界敏感地区的大型水闸来讲,该方案不可行。

(二)凿墩方案

该方案仍采用弧门卷扬启闭机,结合机架桥墩根部加固、闸墩辐射筋加固和弧门支座加固,将闸墩及机架桥墩表面凿除厚0.25m,按抗震设计要求重新设置闸墩竖向受力钢筋和辐射筋,机架桥及机房拆除重建。为便于闸墩和底板结合牢固,闸墩竖向受力钢筋锚入闸底板顶高程以下长度不小于1.2m,为使闸墩新老混凝土能够更好的结合在一起,新老混凝土结合面增设水平锚固钢筋,纵横间距0.5m,梅花形布置,锚入旧混凝土内0.3m,新浇混凝土内0.2m。辐射筋加固闸墩每侧需要Ⅱ级钢筋1828。为使闸门推力直接传递给辐射筋,使辐射筋充分发挥作用,辐射筋支座端锚固在闸门支座钢梁上。布设钢筋后,再用混凝土按设计要求浇注,恢复现状尺寸。为了使改建后的弧门支座与闸墩结合的牢固可靠,原支座牛腿及其以上连带闸墩全部拆除重新浇筑,两侧弧门支座采用整体箱型钢梁式,为防止钢梁锈蚀,箱型钢梁内部充填混凝土,支座牛腿外部用混凝土包裹,厚0.2m。详见图3-4。

优点:可同时解决闸门槽埋件、机架桥墩根部、闸墩辐射筋、裂缝、混凝土表面碳化等问题。

图3-4　闸墩加固(凿墩方案)

缺点:混凝土凿除量大,施工工艺复杂,施工工期长,度汛压力大,施工质量控制难度大。

(三)结构措施方案

本方案仍采用弧门卷扬启闭机,充分利用既有结构,结合检修桥和闸后交通桥更新改造,使新设桥板隔孔简支、隔孔固结在闸墩上,隔孔固结桥板与闸墩形成框架结构。按结构刚度要求,将原闸上检修桥和闸后交通桥全部拆除,改为板式结构,板厚0.7m。

为使检修桥及交通桥满足框架结构的刚度要求,除桥板厚度采用0.7m 外,交通桥板下面增设四根支撑梁,在机架桥墩根部(高程57.0m)处增设一根支撑梁(支撑梁尺寸宽1.0m,高1.5m),设置的位置以不影响行洪和闸门启闭为原则。通过以上结构措施解决强度闸墩不足问题。机架桥墩、闸墩辐射筋、弧门支座、混凝土表面碳化等加固另行处理。结构布置见图3-5。

1.机架桥墩抗震加固

机架桥墩现状顺水流向长3.0m,墩厚1.5m,自闸墩顶(高程57.0m)到桥墩顶高度为5.3m,机架桥墩现配置8根Ⅰ级钢筋16,截面面积1608mm2。墩顶上游侧设有检修闸门启闭机悬臂牛腿,长0.8m,宽同桥墩1.5m,顶层配有Ⅰ级钢筋4根,直径19。根据金属结构要求,检修闸门及其启闭机改造后,原悬臂牛腿长度0.8m 不满足设计要求,需增长至1.13m。因此,悬臂牛腿需加固改造。

结合原机架桥拆除、闸墩机架桥墩根部增设支撑梁和悬臂牛腿加固设计,机架桥墩抗震加固拟采用凿墩方案,即将机架桥墩表面(包括上下游侧)凿除0.2m。按新设计的上部结构荷载和增设支撑梁补植钢筋后,浇筑C25混凝土,恢复原断面尺寸。为提高新老混凝土的结合能力,在混凝土结合面设锚固插筋,间距0.5m,梅花形布置,插入墩内0.2m。

图3-5　闸墩加固(结构措施方案)

2.闸门支座加固措施

根据安全复核,闸门支座在正常运行和地震情况下,其结构抗力均不满足要求,故需要加固处理。处理措施为:将支座牛腿打掉,增补钢梁,外包钢筋混凝土厚200mm,梁内充填混凝土。

3.闸墩辐射筋增补措施

闸墩每侧原配有辐射筋为低合金 (44Mn2Si),两排14根22。由安全复核知,现有钢筋抗力为1480kN,而正常挡水时荷载效应为3060kN,需增设辐射筋。本方案采用砂浆锚杆方案布筋。具体措施是:在闸墩两侧支座前辐射扇形范围内,在原设钢筋的基础上增设锚杆,每侧增设一排锚杆,每排设9 根,砂浆标号采用M30,锚杆采用Ⅱ级钢筋28,平均长度10.0m,一端锚固在支座钢梁上。锚杆距墩边缘0.6m。

4.混凝土表面碳化处理

泄洪闸经过20多年的运行,根据检测报告,建筑物混凝土表面均有不同程度碳化现象。为此,应对闸室所有混凝土表面进行处理,设计中采用喷涂水泥基结晶防水材料进行处理。将水泥基结晶防水材料按比例加水配制成涂料,喷涂前,必须对混凝土表面凿毛,要求做到毛、潮、净。

优点:混凝土凿除量较小,投资最省。

缺点:闸墩抗震结构分析计算模型不清晰,机架桥墩、辐射筋、闸门支座等不足问题需要单独加固处理,施工质量控制难度大。

(四)拆除机架桥墩及其以上结构液压启闭方案

为减少闸墩上部荷载,增加结构抗震性能,将机架桥墩及其以上结构全部拆除,保留机架桥墩以下闸墩,在闸门和交通桥之间的闸墩上设供油泵房,采用液压启闭方案。具体措施为:每两孔闸门设一个泵房,供油泵房顺水流向长3.5m,垂直水流向宽2.0m,现闸墩两侧需各外悬臂0.25m。为减轻闸墩荷载,供油泵房的围墙及屋面采用轻型结构。闸底板保持现状。闸后交通桥和检修桥拆除重建,采用钢筋混凝土T 形梁结构,检修门采用门式启闭机。

按以上方案,用结构分析软件ALGORFEAS (SuperSAP96),建立有限元动力分析模型,对其进行静力分析、模态分析以及地震动力分析计算。经计算,闸墩根部最大拉应力1476kPa,对应于该点闸墩另一侧压应力为768kPa,中间点拉应力为189kPa。

经按SL/T191—96 《水工混凝土结构设计规范》附录H 非杆件体系验算其承载能力。计算公式详见本章式(3-19),计算结果见表3-26。(www.xing528.com)

表3-26　中墩强度复核成果表

计算表明,荷载效应为548kN,大于结构抗力410kN,原闸墩结构强度不满足抗震承载能力要求。该方案不可取。

(五)重建闸中墩卷扬启闭方案

闸底板以上结构全部拆除重建,采用卷扬启闭。闸中墩长22.0m,厚1.5m,闸墩混凝土标号采用C25。按抗震设计要求重新设置闸墩竖向受力钢筋及辐射筋,竖向受力钢筋锚固于闸底板顶高程以下长度不小于1.0m。为减少闸墩上部荷载,增加结构抗震性能,钢筋混凝土机架桥墩改用钢筋混凝土排架结构,排架柱尺寸初步拟定1.0m×1.0m,排架高度4.8m。新建机架桥仍采用∏形结构,由两片钢筋混凝土T 形梁组成,桥面宽4.8m,面板厚0.15m,梁肋宽0.35m,梁肋净距2.1m,梁肋外侧翼缘(悬臂)板净宽1.0m,厚度由0.15m 渐变至0.10m,梁端设封头板,在启闭机位置各设两个次梁,以承担启闭机地脚螺栓传来的荷载。机架桥上设启闭机房,因工程位于强地震区,为减少地震荷载对结构的影响,启闭机房采用钢筋混凝土框架,墙和屋面采用轻型夹心彩钢板结构。室内净高3.2m。闸后交通桥和检修桥采用钢筋混凝土T 形梁结构,检修门采用电动葫芦启闭机。其结构布置见图3-6。该方案闸室稳定结果见表3-27。

图3-6　重建闸中墩卷扬启闭方案

表3-27　方案(五)闸室稳定复核成果表

该方案闸室稳定及地基应力满足规范要求。

该方案边墩长24.0m,顶部厚1.0m。边墩辐射筋和边墩支座强度不满足要求。拟采用凿墩方案进行加固,具体做法是:将支座凿除,闸墩临水侧凿除厚度0.25m,植闸墩辐射筋加固和新设弧门支座,采用C25钢筋混凝土结构。为使新老混凝土结合的完好,新老混凝土间设插筋,间距0.5m,梅花形布置。

优点:该方案能同时解决闸墩及其以上结构各种受力不足问题,施工工艺简单,施工质量易控制,施工工期易保证,防汛压力较小,维护、运行管理均方便。

缺点:投资较大,抗震性能比液压启闭方案差。

(六)重建闸墩液压启闭方案

闸底板以上结构全部拆除重建,采用液压启闭机。该方案闸中墩长22.0m,厚1.5m,闸墩混凝土采用C25。按抗震设计要求重新设置闸墩竖向受力钢筋及辐射筋,竖向受力钢筋锚固于闸底板顶高程以下长度不小于1.2m。在闸门和交通桥之间的闸墩上设供油泵房,每两孔闸孔设一个泵房,供油泵房顺水流向长3.5m,垂直水流向宽2.0m,供油泵房闸墩两侧各外悬臂0.25m。为减轻闸墩荷载,供油泵房的围墙及屋面采用轻型夹心钢板结构,为满足液压启闭机在闸墩上的布置,供油泵房段的闸墩加高到59.3m。闸底板保持现状。闸后交通桥采用公路桥涵标准图钢筋混凝土T 形梁结构。检修门采用单台门式启闭机,为使门式启闭机轨道基础有较好的受力条件,检修桥采用两片钢筋混凝土∏形梁结构,桥面宽分别为2.5m 和1.5m。其布置见图3-7。该方案闸室稳定结果见表3-28。

图3-7　重建闸墩液压启闭方案

该方案闸室稳定及地基应力满足规范要求。

该方案边墩长24.0m,顶部厚1.0m。边墩辐射筋和边墩支座强度不满足要求。拟采用凿墩方案进行加固,具体做法是:将支座凿除,闸墩临水侧凿除0.25m,植闸墩辐射筋加固和新设弧门支座,采用C25钢筋混凝土结构。为使新老混凝土结合的完好,新老混凝土间设插筋,间距0.5m,梅花形布置。

表3-28　方案(六)闸室稳定复核成果表

优点:该方案能同时解决闸墩及其以上结构各种不足问题,施工工艺简单,施工质量易控制,施工工期易保证,防汛压力较小。

缺点:对维护、管理人员的技术水平要求较高,维修养护不方便。

(七)方案比选

在以上各方案中,补墩扩孔方案因受边界工程的制约不能实施、拆除机架桥墩液压启闭方案不满足抗震承载能力要求不能采纳。所以本设计对凿墩方案、结构措施方案、更新闸中墩卷扬启闭方案和更新闸中墩液压启闭方案四个方案可比项直接投资比较详见表3-29。

表3-29　闸室抗震加固工程量、投资比较表

续表

由以上比较知,结构措施方案虽然投资最小,但结构分析计算模型不清晰,不宜采用。凿墩方案投资较小,但混凝土凿除量大,施工工艺复杂,施工工期长,度汛压力大,施工质量控制难度大。更新闸中墩液压启闭方案与更新闸中墩卷扬启闭方案相比投资稍大,且运行管理、维修养护不方便。更新闸墩卷扬启闭方案投资稍小,与以上两个方案相比,具有施工工艺简单、施工质量宜控制,管理维修运行方便的优点。经以上综合比较,并征求管理单位意见后,确定采用拆除重建闸中墩卷扬启闭方案。