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篇1：天津市潮白新河宁车沽防潮闸除险加固工程设计论文
天津市潮白新河宁车沽防潮闸除险加固工程设计论文
摘要：
宁车沽防潮闸位于潮白新河与永定新河交汇处，主要功能为挡潮、蓄淡、泄洪、排涝、供两岸工农业用水，对确保海河流域北系的防洪安全具有重要作用。经30多年在海水及盐雾环境下运用和受唐山地震的破坏影响，存在诸多安全隐患，急需除险加固。本文从诸多方面总结了防潮闸的加固设计经验，供其它类似工程参考
关键词：除险加固；防潮闸；宁车沽；潮白新河
宁车沽防潮闸位于天津市塘沽区宁车沽村西，潮白新河入永定新河处，1971年7月建成。该闸的主要功能为泄洪、排涝、挡潮、蓄淡、供两岸工农业用水，对确保海河流域北系的防洪安全具有重要作用。
防潮闸由于长期在海洋及盐雾环境下运行，加之1976年唐山地震的破坏，防潮闸存在诸多安全隐患。尽管1986年为了解决闸底板脱空和闸基渗透稳定问题在闸室中部进行了高压定喷和静压灌浆处理，对上部结构也进行了局部加固。汛前对原高压定喷孔和静压灌浆孔钻开复灌，对工作桥独立柱做了加固处理。但以上工程措施并未从根本上解决该闸存在的主要问题。
为确切掌握防潮闸工程质量现状和摸清存在问题，以便为加固工程设计提供基础资料和依据，19对该闸做了全面的质量检测，12月天津市水利局组织专家组对该闸进行了安全鉴定，评定为三类闸，根据《水闸安全鉴定规定》SL214――98中的有关规定，并根据天津市水利局要求，按原有规模进行除险加固。
1、工程概况及存在的主要问题。
（1）工程概况。
宁车沽防潮闸设计流量2100m3/s，相应闸上、闸下水位为2.84m（1956黄海高程系统，下同）和2.67m；校核流量3000m3/s，相应闸上、闸下水位3.88m和3.60m。全闸共22孔，其中中部20孔过流，两端边孔以混凝土墙封堵。中孔底板高程为-5.50m，内边孔和外边孔呈阶梯式抬高，底板高程分别为-4.50m和-1.70m。每孔净宽8.00m，中墩厚1.10m，闸室总宽为199.10m，闸室长16.00m。采用分离式底板，灌注桩基础，墩底板厚1.40m，跨中小底板厚0.70m。每个墩底板下布置有6根D850mm灌注桩，桩长为21m和23m不等。
①闸室上游侧设有交通桥，桥面高程5.60m，桥面宽4.80m，设计荷载为汽-10。
②工作闸门设在闸室偏下游侧，为升卧式钢闸门，靠上游侧为叠梁式检修钢闸门。
③闸室上部设有工作桥，桥面高程8.50m，桥面宽6.00m，由4根T型梁组成，并由墩墙和独立柱支撑。
④工作桥上设有12台2×25t和8台2×16t固定卷扬启闭机以及1台2×16t活动台车，前者供主闸门启闭，后者供检修门启闭。
⑤防潮闸上游设15.00m长钢筋混凝土阻滑板、10.00m长浆砌石框格海漫、15.00m长的1：10斜坡式浆砌、干砌石海漫、6.00m长干砌石水平护底，总护底长46.00m。
⑥下游设有16.00m长消力池，其尾坎高1.00m，其后为10.50m长浆砌石框格水平海漫、24.50m长1：10坡降浆砌、干砌石海漫、10m长抛石防冲槽，总计61.00m。防潮闸顺河自上而下工程总长123.00m。
（2）存在的主要问题。
①闸底板脱空严重。
由于受唐山地震震陷和区域地面沉降的影响，闸室底板、上游防渗板和下游消力池底板普遍存在脱空现象，致使防潮闸地基存在渗流不稳定的严重问题。虽经1986年高压定喷和静压灌浆及年的复灌处理，但限于在闸室中部两门槽之间及其附近的局部范围内进行，并未全部解决闸室底板的脱空问题，地基渗流不稳定依然是防潮闸安全运用的一大隐患。
②防潮闸抗滑稳定不满足要求。
原设计每根灌注桩承担水平力300kN，校核情况每根承担440kN。根据现行规范对宁车沽防潮闸灌注桩的水平允许承载力的核算表明其值不超过200kN。依次计算闸室本身抗滑稳定安全系数远未达到现行规范规定的1.0的基本要求。另外，起阻滑板作用的上游防渗板和下游消力池底板存在脱空问题，因此其阻滑作用已大大降低。
③上部结构工作桥和交通桥大梁混凝土剥落、露筋、钢筋锈蚀。
经检测，工作桥平均碳化深度33mm，大于钢筋保护层，交通桥36%的测点碳化深度接近保护层厚度。两桥大梁混凝土氯离子含量严重超标，裂缝发育，工作桥尤甚，可见裂缝多为贯穿缝，并存在隐性裂缝及芯样破碎情况。
由于泥沙淤积等因素的作用，启闭机经常超载运行，工作桥长期处于超负荷运行状态，启闭闸门时经常发生颤动。交通桥设计标准偏低，为汽-10（旧标准），桥面总宽仅4.8m，难以满足现今交通要求。
④启闭设备陈旧老化，齿轮磨损严重，运用时普遍存在掉铁沫现象，且因泥沙严重淤积问题未能解决，造成启闭机超载运行。
⑤钢闸门和闸门槽长期在海水环境下运行，锈蚀严重，闸门结构的整体腐蚀率达38~100%，超过水利水电工程金属结构的报废标准。
⑥电气二次控制设备陈旧，不能适应现代化的运行管理要求，急待更新和完善。
⑦由于闸室及上、下游河道严重淤积，行洪能力大大降低，远达不到设计标准。
2、工程加固设计。
本闸除险加固采用的主要方案是将原有闸墩上游圆弧以前部位及上部交通桥、工作桥和独立柱予以拆除，将闸底板向上游接长8m，闸墩也相应加长，在每个接长的墩底板下增加8根灌注桩，闸室重新布置。工作闸门采用升卧门型，以适应8度地震不宜做高机架桥的运用条件。
（1）基础处理。
基础处理包括：灌注桩、塑性混凝土防渗墙、底板接触灌浆、消力池底板化学灌浆。
为了解决闸室稳定问题，将闸底板向上游接长8m，墩底板下增加8根灌注桩，桩径0.85m，梅花排列，桩长15m，新老底板采用刚性连接，使新老桩形成整体共同承担水平荷载和垂直荷载。根据该闸安全鉴定结论，闸基处于渗流不稳定状态，为此，在防渗板、消力池及闸底板下采取接触灌浆，在闸底板上游设防渗墙。接触灌浆孔孔距3m，排距2m，梅花排列；塑性混凝土防渗墙厚30cm，深5m。
工程于8月开工，基坑清淤后，发现消力池底板及护坡上有裂缝，最大缝宽3~5mm，为保证闸基的渗透稳定，选用水溶性聚氨脂材料对裂缝进行化学灌浆措施。
（2）闸室加固。
新接长的`闸底板堰顶高程恢复到原设计高程－5.5m，墩厚1.1m，闸孔净宽8m。新的工作闸门槽于原闸墩头部附近设置。为便于主闸门检修，工作闸门前增设上游检修闸门槽，原闸的上游检修闸门槽作为改建后的下游检修闸门槽，并于原工作桥位置增设检修桥。闸墩上部工作桥由两根T型梁组成，桥面高程10.4m，1桥面总宽5.0m。桥上设轻型启闭机房。交通桥布置于上游侧，桥面净宽7.0m，桥面高程5.6m，按汽-20，挂-100荷载标准设计。
（3）下游消能防冲加固及闸室上游护坡翻修。
基坑清淤后，发现下游海漫及防冲槽未按原设计图纸施工，为了保护闸下河床免于水流淘刷，海漫及防冲槽均需按按原设计恢复，消力池底板除化学灌浆外，新铺30cm混凝土，并布插筋和面层钢筋。
闸室上游护坡受地震影响、河道冲刷和冻融作用，造成浆砌石勾缝脱落、块石错动、崩坍，致使护坡大面积破坏，拆除后重新修复。
（5）混凝土防碳化及防腐处理。
考虑到该闸长期受到海水、盐雾中氯离子的侵蚀，对老闸墩和老底板表面凿毛（凿深3cm）处理后，抹TK聚合物砂浆进行防腐蚀保护。对新浇混凝土包括闸墩、底板、工作桥板梁、检修桥、交通桥空心板、排架等外露表面喷涂ST-9608防腐涂料进行防碳化保护。
（5）金属结构设计。
将原工作门、检修门、台车及轨道、启闭机、抓梁等设备拆除，对上述设备全部更新，新的中孔工作门16扇8.0x9.1-5.1m，内边孔工作门2扇8.0x8.1-5.1m，外边孔工作门2扇8.0x5.3-5.0m，由于闸门要求双向挡水，采用双P型橡皮水封，启闭设备为2x400kN固定卷扬启闭机。上游叠梁检修门1套8x6.75-6.5m，下游叠梁检修门1套8x9.0-8.8m，启闭设备为2x100kN电动葫芦。
（6）电气设备改造。
①电气一次。
该闸设两回10kV供电电源，一回引自左岸靠近变配电楼东侧的284#线路，另一回引自右岸靠近闸控制楼西侧的317#线路。2回10kV架空线路下杆后，经10kV高压电缆进入对应的10kV高压开关柜内，经2台容量为250kVA的油浸式电力变压器降压至0.4kV，而后通过400V低压配电柜、动力箱、控制柜、照明箱等为闸区及管理所的各用电负荷供电。
②电气二次。
该闸的监控系统采用集中控制与现地控制相结合的方式，由计算机集中控制设备、闸门现地控制单元和计算机通信网络构成。计算机集中控制设备采用工控机，闸门的集中控制在工控机上操作。分散的现地控制柜设在每孔过流闸门启闭机的机旁，控制模块采用可编程序控制器（PLC）。
该闸设水力测量系统和闸门测量系统。水位测量分别设在闸两侧，采用水位传感器，水位显示仪设在集中控制室，可通过对水位、闸门开度的测量及水力计算，实现每孔闸门过水流量的实时显示。闸门测量系统包括每孔闸的开度测量、荷重测量和电气测量等。
（7）管护设施建设。
在闸管所院内新建800m2管理用房，为二层砖混结构。对闸区环境进行治理，包括植树、种草、整修围墙、修筑进出管护区道路、铺护地面、设置建筑小品等。。
（8）河道清淤。
为了增加防潮闸的泄流能力，对闸上1200m和闸下200m河段进行清淤，其中闸上200m和闸下采用全断面清淤，闸上200m以上采用窄深式深槽进行清淤，清淤总计80万m3。
3、新材料、新技术应用。
（1）TK锚固剂在新老混凝土连接上的应用。
新老闸墩的立面接缝正处于下游检修闸门槽位置，是闸墩结构强度比较薄弱的部位，容易产生竖向裂缝，其中插筋的锚固质量是一个关键因素。为保证插筋的锚固强度，除满足锚固长度外，在插筋孔中需填充锚固材料，以增加插筋与混凝土之间的粘接强度。锚固剂采用TK锚固剂，施工迅速，质量可靠，经现场拉拔试验检测，20钢筋拉拔力达106.9kN时仍完好，满足设计要求。
（2）钢筋直螺纹套管连接技术应用。
通常钢筋接长采用焊接或绑扎，需手工操作，高空作业更为困难，其质量不宜保证，设计推荐采用直螺纹套管连接技术，消除了人为因素的影响，施工速度快，质量有保证，经检测钢筋接头完全满足设计要求。
4、结语。
宁车沽防潮闸加固设计是在现场安全检测、复核计算、安全鉴定等大量工作的基础上进行的，既要恢复原闸规模和功能，又要满足安全运用，但由于受到资金和工期的影响，仅对原闸破坏严重已不能满足安全使用的部分结构进行了拆除，保留了原灌注桩基础等质量好且满足要求的结构，使除险加固设计既经济合理又安全可靠。
篇2：宁车沽防潮闸新老混凝土连接设计与施工论文
宁车沽防潮闸新老混凝土连接设计与施工论文
摘要:近年来,我国对许多病险水闸进行了安全鉴定和除险加固,总结积累了大量的设计和施工经验。本文对天津市宁车沽防潮闸除险加固工程中的新老混凝土结合与连接的设计方案、钢筋锚固材料和新老混凝土结合面粘接材料的选择、施工方法与工艺等进行了总结,为今后其它类似工程的设计与施工提供参考。
关键词:设计与施工 新老混凝土连接 防潮闸 宁车沽
1 工程概况及特点
1.1 工程概况
宁车沽防潮闸位于天津市塘沽区宁车沽村西潮白河与永定新河交汇处,是潮白、北运河水系的主要控制工程之一,集防洪、挡潮、排涝和蓄淡于一体,对确保海河流域北系的防洪安全具有重要作用。工程建于1971年。
宁车沽防潮闸设计流量为3060m3/s,为II等工程,主体建筑物的级别为2级。地震设防烈度为8度。
由于防潮闸长期在海水及盐雾环境下运行和受唐山地震破坏影响,该闸存在诸多安全隐患,2000年12月对宁车沽防潮闸进行了安全鉴定,评定该水闸安全类别为三类,需进行除险加固,对部分结构进行拆除重建。
除险加固后,全闸共22孔,其中中部20孔过流,两边孔用混凝土墙封堵。每孔净宽8m,中墩厚1.1m,闸室总宽199.1m,顺水流方向总长123m。工作闸门为升卧式平板钢闸门,位于闸室中部,上下游分别设有检修闸门。闸上设有工作桥、检修桥和交通桥。
1.2 工程特点
近年来,我国对许多病险水闸进行了安全鉴定和除险加固,总结积累了大量的设计和施工经验。但是,由于受到资金和工期等条件的限制,在满足水闸运用功能和结构安全的前提下,仅对水闸的部分结构进行拆除重建,宁车沽防潮闸就是一个典型的实例。
宁车沽防潮闸保留了闸底板和部分闸墩,由于闸室整体稳定的需要,闸室底板向上游加长。同时,将原闸墩部分拆除并向上游接长,原闸墩上部也有部分拆除。因此,整个闸室有以下新老混凝土的结合、连接部位:加长段新闸底板与原闸底板、原闸底板顶面与其上层新浇混凝土面、新老闸墩的立面、新老闸墩的水平面、新闸墩与老底板等,见附图。
附图:新老混凝土连接部位示意图
①新老底板连接 ②老底板顶面新浇砼 ③新闸墩与老底板连接 ④新老闸墩立面连接 ⑤新老闸墩平面连接
2 设计方案
新老混凝土的连接一是解决新老混凝土结构本身的结合,使新老混凝土结合面的强度尽可能地达到新混凝土本身的结构强度,限制或减少混凝土裂缝的发生。二是通过插入新老混凝土中的钢筋来加强新老混凝土的结合,当结构承受的拉力超过混凝土本身的抗拉强度时由钢筋来承担。一般来说,钢筋强度的设计能够容易满足,而新老混凝土结合面的处理不易。
根据新老混凝土结合面所处的不同部位,宁车沽防潮闸采取以下相应的处理措施。
加长段新闸底板与原闸底板的连接:利用原闸底板已有的与原铺盖之间的连接钢筋,并在原闸底板内沿水平方向钻孔布置两排插筋,插筋间距为200mm。为保证新老闸底板在接缝处的垂直变位一致,原混凝土闸底板留有长厚均为0.3m的平台,新闸底板位于平台之上。为扩大新老混凝土结合面的面积,将原闸底板结合面的上部凿成45°斜面。
原闸底板顶面与其上层新浇混凝土面的连接:由于地基沉降,原闸底板高程平均降低了0.43m左右。为恢复闸底板高程,需在原闸底板上新浇筑混凝土。为保证新老混凝土的结合,采取以下措施:将原混凝土闸底板沿厚度方向凿除10cm,在原混凝土底板上钻孔埋植插筋,插筋间排距为1m,梅花形布置,插筋埋入原混凝土底板中的长度为0.5m,上部露出0.35m。浇筑新混凝土之前在老混凝土底板顶面铺设一层水泥砂浆。
新老闸墩的立面连接:新老闸墩的立面接缝正处于下游检修闸门槽位置,是闸墩结构强度比较薄弱的部位,容易产生竖向裂缝。设计在原闸墩立面上布置三排插筋,其中,闸墩两侧的插筋为贯穿检修门槽的结构钢筋,中间一排插筋为加强新老混凝土连接的钢筋,其长度比两侧钢筋短些。在浇筑闸墩混凝土时,应随着混凝土仓面的上升,在老闸墩结合面上涂刷(或喷射)一层水泥净浆或无机界面胶,以保证新老混凝土结合面的粘接强度。
新老闸墩的水平面连接:两个边孔闸墩需部分拆除后浇筑混凝土进行加高,原闸墩拆除高度以满足竖向新老钢筋焊接长度要求,并应使钢筋的焊接位置间隔错开。
新闸墩与老底板连接:根据闸室结构布置的需要,将原闸墩上游部分进行了拆除,而原闸墩下的底板予以保留,拆除的闸墩部分将与上游加长的闸墩段一起浇筑,形成整体。在老闸底板上根据闸墩结构强度计算布置所需的闸墩钢筋,以钻孔的方式进行植筋,钢筋的锚固长度必须满足规范要求。在浇筑混凝土之前,需对原闸底板进行凿毛、冲洗,并应在原闸底板上铺设水泥砂浆。
3 锚固和粘接材料的.选用及现场试验
3.1 插筋锚固材料的选用及拉拔试验
在新老混凝土连接中大量使用了插筋,为保证插筋的锚固强度,除满足锚固长度外,在插筋孔中需填充锚固材料,以增加插筋与混凝土之间的粘接强度。用于灌注插筋的锚固材料选用了两种,即TK锚固剂和膨胀砂浆,分别用于水平插筋和垂直插筋。膨胀砂浆中掺入UEA型膨胀剂和早强剂,膨胀剂的掺入量为水泥重量的10%,膨胀砂浆的强度不低于C20混凝土强度等级。
采用TK锚固剂的水平插筋经现场拉拔试验检测,φ20(II级)钢筋拉拔力达106.9kN时仍完好,而II级φ20钢筋设计抗拉力为97.4kN,满足设计要求。采用膨胀砂浆的垂直插筋经现场拉拔试验检测,拉拔力也能满足设计要求。TK锚固剂为独立的筒式包装,便于注入水平钻孔中,施工迅速。膨胀砂浆相对便宜,用于竖向插筋。
3.2 水平接缝水泥砂浆的选用
对于新老闸墩、新老底板、闸墩与底板等水平结合面混凝土浇筑前,老混凝土水平缝面上应铺设一层水泥砂浆,砂浆的强度等级不低于C20混凝土强度等级,厚度为20mm左右。
3.3 垂直接缝粘接材料的选用
对于新老闸墩竖向结合面,为增加新老混凝土竖向缝间的粘接强度,在浇筑新混凝土之前需在老混凝土面上涂抹粘接材料。设计采用水泥净浆或无机界面胶,并通过现场大“8”字模试验确定。
水泥净浆的水灰比应较混凝土减少0.03~0.05。无机界面胶的抗压强度应大于80MPa,抗拉强度应大于5MPa。
经现场对水泥净浆和4种类型的无机界面胶的大“8”字模试验,在正拉或剪切力作用下,破坏面均未发生在新老混凝土界面胶结处,而是发生在老混凝土内部。由此可知,新老混凝土的结合控制于老混凝土的强度。因此,新老混凝土的立面结合设计采用水泥净浆。
4 施工工艺与质量控制
4.1 插筋的施工工艺及质量控制
放线:在水平方向或垂直方向的插筋位置应按设计图纸严格放线,做出钻孔标记。
钻孔及洗孔:用电锤钻钻孔,以确保孔壁有足够的粗糙度。孔径比插筋直径大4~8mm(根据钢筋直径确定),孔深比设计的插筋锚固长度略深。钻孔位置与设计孔位偏差不得大于15mm。灌注锚固材料前,应对钻孔用清水冲洗干净。
注浆及植筋:应从钻孔底部开始灌注锚固材料,以确保钻孔完全填充。在植入钢筋时应有一些浆液溢出,24h内不准触动插筋。同一仓面内的插筋应在混凝土开盘浇筑的前7d之前完成。
4.2 新老混凝土结合面的施工工艺及质量控制
混凝土凿毛:老混凝土按设计尺寸拆除后,应凿除老混凝土的棱角和尖角,使新老结合面平顺过渡,阳角半径不小于100mm。对老混凝土质地疏松、敲击有哑声的部位,裂缝、孔洞等局部缺陷部位,应凿除至露出新鲜完整的混凝土为止。
缝面清洗:为确保施工质量,须清除老混凝土表面的疏松层、油污、灰尘等杂物,用钢丝刷刷毛后,用高压水冲洗。划出每次粘接材料涂刷(或喷射)的范围,并在待用前保持潮湿24h,在涂刷(或喷射)前混凝土表面潮湿但不积水,保持面干饱和状态。
砂浆铺设:水平接缝的水泥砂浆铺设应随着混凝土的浇筑随铺随浇,不得一次性大面积铺完。水泥砂浆厚度为20mm左右,人工摊平,不得过薄或过厚。
净浆喷涂:水泥净浆的配合比应根据试验结果严格控制,并每天至少一次对其检查。水泥净浆可采用涂刷或高压喷射的方法进行施工。涂抹或喷射水泥净浆厚度控制在3mm以上。为保证施工质量,水泥净浆涂抹施工须由专业人员操作,施工单位应设专人负责施工质量管理和控制。
混凝土浇筑:在水泥净浆初凝后,即可浇筑新混凝土。水泥净浆和新浇混凝土一起养护。
施工记录:施工期间必须有详细的施工记录,内容包括施工地点的气温,基面处理情况,表面温度,原材料品种、质量、数量,材料配合比,喷涂日期、部位、面积,质量事故,养护温度、时间,取样检验结果及其它有关事宜。
5 结束语
目前,新老混凝土的连接技术广泛应用于水利工程和其它土木工程建筑中,随着新技术、新材料、新设备、新工艺的发展,将为设计提供更多的选择方案,也必将为施工带来方便,加快施工进度,提高工程质量。
