1、 年第 期水利规划与设计设计施工:/多源信息融合诊断技术在无资料溢流坝结构安全复核计算中应用李昊洋 姚纪华 刘亚玲 李义方(湖南弘裕洋项目管理有限公司 湖南 长沙 湖南省水利水电科学研究院 湖南 长沙 湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心 湖南 长沙 湖南九一工程设计有限公司 湖南 长沙)摘要:某水库已运行近 年 由于建设资料遗失 溢流坝段闸墩、弧门支座等无法进行结构安全复核和服役能力判定 基于多源信息融合诊断技术获取溢流坝闸墩、弧门支座现龄期材料、强度及配筋等信息 利用规范公式法验算其结构安全 结果表明:闸墩及弧门支座皆为钢筋混凝土结构 边闸墩为 其他皆为 且以 闸墩及其两侧弧门支座强度
2、最低 除箍筋规格为 外 其他钢筋皆为 仅 闸墩两侧弧门支座局部受拉区抗裂不满足规范要求 其他皆满足 研究成果可为无资料溢流坝结构安全复核提供借鉴关键词:无损检测技术 钻芯法 多源信息融合诊断技术 结构安全 强度 闸墩 弧门支座中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:长沙市自然科学基金项目()湖南省重大水利科技项目()湖南省水利科技项目()湖南省水利水电科学研究院优秀人才培养支撑项目()湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心 年度开放基金项目()作者简介:李昊洋(年)男 工程师:通讯作者:姚纪华(年)男 工程师:研究背景目前国内很多运行中有闸控制混凝土坝建于 世纪五六十年代左
3、右 已服役超过 年 由于水库建设期资料不完整或保存不当缺失 导致其溢流坝段闸墩和弧门支座结构安全无法复核 而这一时期修建的闸坝往往受当时施工技术和砌筑材料等影响 其结构强度、材料质量、配筋等标准相对偏低 结构易老化 使用寿命短 导致这些溢流坝的闸墩和弧门支座存在重大安全隐患 因此 基于溢流坝闸墩和弧门支座现状结构材料强度和配筋 复核其结构安全 借以判定其是否需要除险加固和适合继续服役是极其重要的闸坝质量检测方面目前已有诸多探索 以单一物探法、综合物探法等无损质量检测和有损检测的理论和运用研究成果较多 但这些成果多是研究闸坝渗漏隐患和质量缺陷的识别、解译技术应用 对闸坝材料组成、结构强度及内置钢
4、筋直径、间距等诊断的探索成果较少闸坝结构安全稳定性分析相关研究也较多 成果多是基于闸坝设计图纸和报告参数考虑不同工况和因素影响情况下的闸坝结构安全计算和判定 采用的分析方法主要为数学理论解析、有限元数值模拟和室内模型试验等 但这些研究成果并未考虑闸坝施工质量缺陷、结构材料强度折减和钢筋锈蚀老化等因素而往往导致结构安全计算结果失真 对于无资料且服役期长的闸坝结构安全复核的方法和理论相关研究较少本文基于无损检测技术、钻芯法和室内试验等多源信息融合诊断技术 获取溢流坝闸墩、弧门支座现龄期材料、强度及配筋等真实数据 利用数学解析规范公式法对其进行结构安全复核 以期为服役期长、无资料的闸坝结构安全计算复
5、核和稳定性判别提供实践经验设计施工水利规划与设计 年第 期 基本原理 无损检测技术方法和原理现场通过混凝土回弹仪分别对溢流坝闸墩和弧门支座选取具有代表性的测区 个 每个测区弹击 个点、获取 个回弹值 并测定每个测区上砼碳化深度值 最后根据 个测区回弹值、测定角度与碳化深度 进行混凝土结构强度推定利用混凝土钢筋检测仪对溢流坝闸墩和弧门支座内钢筋直径、钢筋类型和钢筋间距等进行探测识别 混凝土钢筋检测仪通过混凝土钻芯机对闸坝构件进行钻孔取芯 揭露构件结构组成特征、材料性质、胶结密实程度等信息 是一种有损质量检测方法 但对构件性质揭露很直观 钻芯法检测方法和原理通过混凝土钻芯机对溢流坝闸墩进行钻孔取芯
6、 揭露构件结构组成特征、材料性质、胶结密实程度等信息 是一种有损质量检测方法 但对构件性质揭露很直观 并对钻取的砼芯样进行室内抗压强度试验 获得闸墩砼强度 溢流坝稳定安全复核方法及理论根据 水工混凝土结构设计规范中 可知:()闸墩受两侧弧门支座推力作用时 弧门支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝控制应满足:()()闸墩受两侧弧门支座推力作用时 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积应满足:()()弧门支座的剪跨比/且其截面尺寸应符合:()()弧门支座的受力钢筋截面面积应符合:()式()、()、()、()中 按荷载标准值计算的闸墩一侧弧门支座推力值 弧门支座宽度 闸墩厚度 混凝土轴心抗拉强度标准值/
7、承载力安全系数取 闸墩一侧弧门支座推力设计值 闸墩一侧局部受拉范围内的第 根局部受拉钢筋的截面面积 弧门支座与闸墩连接受力钢筋的总截面面积 第 根局部受拉钢筋与弧门推力方向的夹角()局部受拉钢筋抗拉强度设计值/弧门推力作用点至闸墩与牛腿接触面的距离 工程概况某水库始建于 年 月 属沅水一级支流辰水流域二级支流毫罗溪 非溢流坝段为浆砌石重力 坝 最 大 坝 高 坝 顶 宽 坝 长 溢流坝段长 为混凝土结构 设闸门 扇 弧门尺寸为 (宽 高)闸门前最大水头高度为 是一座以灌溉为主 兼顾防洪、发电等综合效益的中型水库运行至今已近 年 但溢流坝段 扇闸门一直未更换 已严重超出折旧年限 且 扇闸门面板局
8、部点厚度已小于 必须进行报废更换设计拟更新闸门相比现有闸门自重增加 且现场检测发现 闸墩与左右弧门支座及 闸墩与左弧门支座的接触部位上游面边线皆见有细小裂缝裂缝长度分别为 、结构存在安全隐患 但由于建库期资料遗失 溢流坝段弧门支座和闸墩的截面尺寸、配筋和砼强度等信息无法获知 而导致弧门支座及闸墩结构安全无法复核为查明溢流坝段弧门支座、闸墩、启闭机支撑梁砼强度及配筋等 基于无损检测技术、钻芯法和室内试验等多源信息融合诊断技术 获取溢流坝闸墩和弧门支座现龄期材料、强度及配筋等真实数据 利用数学解析规范公式法对其进行结构安全复核 成果与分析 闸墩、弧门支座材料及强度考虑到弧门支座与闸墩连接区域 弧门
9、支座和闸墩结构不遭受破坏而导致强度折减 以混凝土回弹仪检测为主 闸墩其他部位可采用无损检测、钻芯和室内试验相结合方法 选取具有代表性测区 个 揭露闸墩、弧门支座材料及强度等信息见表 由表 可知 溢流坝段所有闸墩及弧门支座皆为 钢 筋 混 凝 土 结 构 左 右 边 墩 宽 度 皆 为 砼强度等级皆为 中墩宽度 皆为 砼强度等级多为 以闸墩强度最低所有弧门支座结构尺寸都为()()砼 年第 期水利规划与设计设计施工表 闸墩、弧门支座材料组成、强度及结构尺寸成果统计表部位材料组成/推定强度 (回弹)平均抗压强度(室内抗压试验)砼强度等级闸墩闸墩闸墩闸墩闸墩左边墩左弧门支座闸墩左弧门支座右弧门支座闸墩
10、左弧门支座右弧门支座闸墩左弧门支座右弧门支座右边墩右弧门支座钢筋混凝土/强度等级多为 闸墩左右弧门支座结构强度最低 属于溢流坝最不利结构部位 闸墩、弧门支座配筋闸墩和弧门支座钢筋直径和间距采用高精度混凝土钢筋检测仪()进行探测 其识别结果见表 如图 所示图 闸墩扇形钢筋分布图同时在闸墩与弧门支座接触区域 所有闸墩局部受拉区皆检测出闸墩内扇形局部受拉钢筋 钢筋图 中墩及两侧弧门支座钢筋分布图类别也为 直径 通过在闸墩上探测定位划线 扇形钢筋共有 根 通过标定测量扇形钢筋是以弧门推力方向为中线向两侧每隔约布设一根(零星钢筋角度稍有偏差)扇形两端边缘与弧门推力方向夹角皆约为 表 闸墩、弧门支座钢筋直
11、径及间距成果统计表部位钢筋种类和直径顺水流方向间距/顺水流方向钢筋数钢筋种类和直径垂直水流方向间距/垂直水流方向钢筋数左右边墩/(主筋)/(箍筋)/中墩/(主筋)/(箍筋)/弧门支座/(箍筋)(支座高度方向)/(主筋)(支座宽度方向)设计施工水利规划与设计 年第 期 闸墩、弧门支座结构安全复核由表 可知 闸墩及其左右侧弧门支座结构强度最低 属于溢流坝最不利结构部位 因此 本次溢流坝结构安全计算复核选取 闸墩及其左右侧弧门支座为计算对象 经计算 闸门和启闭机更换后 最不利工况时 蓄水至设计水位(即闸门前最大水头高度为 )此时半扇闸门上所受最大的静水压力为:半扇闸门所受浮力为 一侧弧门支座所受最大
12、推力(标准值)约为:()由于该水库为中型水库 溢流坝段属于主要建筑物 为 级 使用期承载力计算 安全系数 应取 弧门支座所受推力是弧门前水作用力合力 属于可控制其不超过规定限值的可变荷载 标准值转化设计值 系数取 ()闸墩受两侧弧门支座推力作用时 弧门支座附近闸墩的局部受拉区的抗裂验算:()可见 弧门支座附近闸墩的局部受拉区的裂缝控制不满足()闸墩受两侧弧门支座推力作用时 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积验算:()()可见 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积满足()弧门支座的剪跨比/()()可见 弧门支座截面尺寸满足()弧门支座的受力钢筋截面面积验算:()()可见 弧门支座受力钢
13、筋截面面积满足综上所述 闸墩局部受拉区的扇形局部受拉钢筋截面面积、弧门支座截面尺寸和弧门支座受力钢筋截面面积皆满足要求 但弧门支座附近闸墩的局部受拉区的抗裂不满足 闸墩弧门支座附近闸墩的局部受拉区会发生结构开裂和破坏 这与现场发现 闸墩左右侧弧门支座与闸墩接触部位上游面边线分别存在长度为 和 细裂缝是相符的 结论本文基于多源信息融合诊断技术和规范公式法实现了无资料溢流坝结构安全复核 计算结果如下:()结果表明:溢流坝所有闸墩及弧门支座皆为钢筋混凝土结构 闸墩及其两侧弧门支座结构强度最低()结果还表明:闸墩两侧弧门支座的闸墩局部受拉区的抗裂不满足 这与现场发现 闸墩左右侧弧门支座与闸墩接触部位上
14、游面边线分别存在长度为 和 细裂缝是相符的 应进行加固()由于回弹法精度受限和未考虑钢筋强度折减 计算结构可能存在偏差 实际运用在应结合工程实际情况进行检测手段和计算方法优化 并加强信息化监测 实现早期识别、预警和应急处置参考文献 蹇超 孙红亮.伪随机流场法在黏土心墙坝渗漏检测中的应用.工程地球物理学报():.陈贻祥 邬健强 黄奇波 等.水中自然电场法探测病态水库岩溶渗漏通道:以金鸡河水库一级水电站为例.中国岩溶():.杨刚 乐彪 张威.病险水库渗漏探测中的综合物探技术.水利规划与设计():.万玲 叶睿 汪满满 等.基于磁电阻率法的堤坝渗漏路径磁异常分布特征分析.中南大学学报(自然科学版)()
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16、心墙坝渗漏识别中的应用研究.水利水电技术(中英文)():.戴前伟 张彬 冯德山 等.水库渗漏通道的伪随机流场法与双频激电法综合探查 .地球物理学进展 ():.位敏 徐轶 陈信任.大坝渗漏多源信息融合诊断技术及其安全评估方法.水利水电技术():.谢同 黄耀英 徐耀 等.基于质量检测与安全监测数据的补强拱坝弹性模量反馈.中国水利水电科学研究院学报():.董天奥.辽宁省水利工程质量检测控制关键技术探讨.水利技术监督():.石头峡水利枢纽面板堆石坝填筑质量检测及控制重点/中国水 利 学 会 学 术 年 会 论 文 集 第 四 分 册.:.吴育学 吴建东.某水利枢纽工程溢洪洞衬砌结构的混凝土质量检测技术
17、.水利规划与设计():.刘临雄.砂质浅滩抛石丁坝结构稳定性分析及防护措施.水运工程():.():.周新杰.堆石流变作用下高面板堆石坝结构稳定性分析.青海大学.():.:.:():.石敏香 付国栋.丹寨县龙泉水库工程大坝结构稳定性计算分析.内蒙古水利():.李斌.混凝土重力坝结构稳定性分析与疲劳计算.华中科技大学.刘荚.溢流坝结构应力计算及其数值模拟分析.水利建设与管理():.程立 刘耀儒 潘元炜 等.基于模型试验与变形加固理论的高拱坝整体稳定性判据研究.岩石力学与工程学报():.():.水利工程质量检测技术规程./.钻芯法检测混凝土强度技术规程.水工混凝土结构设计规范.(上接第 页)推进调水与
18、其他产业融合发展可更好发挥工程的综合效益调水工程特别是跨流域跨区域大型调水工程大多具有供水、航运等多功能目标 在实现调水工程功能和目标的同时 应大力挖掘水资源的综合开发利用 要“跳出调水看调水”探索“调水 ”模式提前构建和布局调水工程沿线涉水产业 用好工程左右岸、上下游的风、光、能储、旅游等资源 推进调水与新型城镇化战略、乡村振兴战略、区域协调发展战略以及现代农业、生态环保、清洁能源、文旅、航运等产业的协同融合发展 构建多点发力、优势聚集的现代水产业链 发挥调水工程综合效益 实现调水工程建设的多目标共赢 小结我国南水北调后续工程属于长距离跨流域跨区域大型输水工程 可与长江、黄河、淮河、海河交叉
19、形成四横三纵的水网布局 对保障国家粮食安全、生态安全、能源安全等有显著影响 但是调水工程涉及多省、市用水 各方利益协调难度大 因此在工程后续的运行管理上需要汲取国外先进的调水经验 本文总结的国外典型大型调水工程在管理运营方面的经验和启示可为南水北调后续工程提供参考参考文献 姿广艳 周孝德 韩娜娜.调水工程的发展及趋势.水利发展研究():.杨立信.国外调水工程.北京:中国水利水电出版社.王光谦.世界调水工程.北京:科学出版社.李运辉 陈献耘.美国加利福尼亚州水道调水工程.水利发展研究():.李学森 于程一 李果峰.澳大利亚雪山调水工程管理综述.人民长江():.李运辉 陈献耘 沈艳忱.巴基斯坦西水东调工程.水利发展研究():.梁书民.中国跨流域调水与内河航道网中长期发展研究.水利规划与设计():.陆海明 邹鹰 丰华丽.国内外典型引调水工程生态环境影响分析及启示.水利规划与设计():.
