富陽市巖石嶺水庫壩頂拱橋拆除方案剖析

湯愛珍,鐘群鋒,劉祥來,周松鳴

(1.富陽市巖石嶺水庫管理處,浙江 富陽 311404;2.浙江省圍海建設(shè)集團股份有限公司,浙江 寧波 315040;3.浙江臻泰建設(shè)有限公司,浙江 磐安 322300)

1 工程概況

巖石嶺水庫位于浙江省富陽市胥口鎮(zhèn)上練村,庫區(qū)集雨面積329km2、設(shè)計庫容4 460萬m3,是一座以灌溉為主,結(jié)合防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚、旅游等綜合利用的中型水庫。該水庫大壩長175 m、壩底寬36 m,為挑流式溢流壩,壩體為150#細骨料混凝土砌石壩,表面為0.5～1.0 m厚的鋼筋混凝土溢流防滲面板,內(nèi)有鋼筋網(wǎng)Ф 16@500×1 500上下各一片。大壩左側(cè)有上壩公路,右側(cè)與山體相連。壩體內(nèi)設(shè)一2 m×3 m城門洞型長為120 m的廊道。拱橋位于大壩溢流面頂部(橋頂有單層啟閉設(shè)備總控室),寬7.0 m,長102 m,共分為3跨,單跨34 m(凈跨徑32 m),矢高4.0 m,矢跨比為1/8。拱橋橋墩為C15鋼筋混凝土澆筑,長×寬×高為:7 m×2 m×4.8 m。拱圈為C20鋼筋混凝土現(xiàn)澆,拱腳厚2.0 m,拱頂厚1.2 m,原施工時每跨分2次澆筑,留縱向施工縫一條。每跨中間有鋼筋混凝土閘墩2只,閘墩尺寸為長×寬×高為:7 m×1 m×2 m,經(jīng)實測閘墩面至跨中拱圈底部凈高8.8 m。該橋于1985年開工到1988年建成,至今已投入運行21 a。

2 問題的提出

根據(jù)要求,拱橋拆除時壩體及電站 (電站為壩后式電站)的發(fā)電機組要正常工作,且要滿足壩體溢流面隨時準備過水的要求,施工時不能對壩體造成損傷,拆除的廢渣不能掉入水庫內(nèi),根據(jù)這些要求,必須對拱圈自身重量、豎向力進行計算。

經(jīng)計算,拱圈自重及拱圈上部建筑廢料、雜物等,總重約1 300 t。根據(jù)拱圈的自重,再按單跨計算橋臺、橋墩承受力,豎向力為1 300×1/2=650(t)。

可見,這樣的重量對壩體的沖擊力非常之大,對拆除工程帶來了很大的難度。

3 方案的設(shè)計

為了確保壩體不受損傷,只要做好消除拱圈墜落時的巨大沖擊力,壩體才會是安全的。為此,根據(jù)工程力學(xué)的合成與分解原理對拱橋結(jié)構(gòu)豎向力、水平力進行分析計算。

3.1 拱橋結(jié)構(gòu)分析

按一頭拱腳切斷出現(xiàn)最不利工況的結(jié)點受力進行分析、計算,如圖1。

圖1 一頭拱腳切斷時結(jié)點受力分析圖

根據(jù)力的合成與分解原理計算豎向力與水平力:

豎向力a↑=650× sinθ=157.62(t)

水平力 b→=650× cos θ=630.60(t)

橋墩斷面為2 m×7 m,高4.8m,且主筋僅按Φ 10@500的構(gòu)造布筋,并只插入溢流面的混凝土中。從計算結(jié)果來看,拱端水平力巨大,獨立的橋墩根本無法抗拒拱圈630.6 t的水平推力。如果1跨突然間完全斷裂,因該橋為3跨連續(xù)拱拱橋,則完全可能導(dǎo)致3個拱圈相繼倒塌。

按照從右→中→左拆除次序的設(shè)想,右跨右拱腳用鎬頭機破解切斷慢慢滑落,左拱腳一般情況不會斷裂,即使斷開也有原拱橋Φ 16主筋相連,并形成斜撐,抵消由起拱出現(xiàn)的水平擠力,平衡中、左跨拱圈。從而達到拱圈拆除從右→中→左的目的。

3.2 工況分析

拆除拱圈時可能出現(xiàn)的情況,從結(jié)構(gòu)力學(xué)理論上分析可能出現(xiàn)4種工況:

3.2.1 工況1

右跨橋臺拱腳斷開處因拱圈水平推力導(dǎo)致拱腳上翹,跨中拱頂薄弱處斷裂一分為二倒塌在中間消能墩上 (見圖2)。

圖2 工況1示意圖

①當拱腳切斷,拱頂出現(xiàn)突然斷裂,自由墜落倒塌在消能墩上的瞬間沖擊力為(重力加速度g=9.8 m/s2):

Nmax=1 300×1/2×9.8×1.8=11 466 t=11 466 000 kg

②消能墩 (中間)受力面積:700×1 200=840 000 cm2

按分散均布受力于壩面的強度:11 466 000/840 000=

13.65 kg/cm2

③壩面原200#鋼筋混凝土承載力為:200×0.7=140 kg/cm2

安全系數(shù):140/13.65=10.2564＞1.4故該工況安全。

3.2.2 工況2

拱腳一頭斷開,整跨下沉,觸碰右消能支墩,導(dǎo)致跨中拱頂斷裂而整體倒塌,平臥消能墩上(見圖3)。

圖3 工況2示意圖

(1)該工況出現(xiàn),右消能支墩受力最大,因此對右消能支墩壩面進行復(fù)核計算,拱圈倒塌右墩瞬間力為:

Nmax=650×9.8×1.5=9 555 t=9 555 000 kg(高度取最大值)

(2)右消能墩受力面積:500×700=350 000 cm2

按均布受力于壩面的強度為:9 555 000/350 000=27.3 kg/cm2

(3)壩面原200#鋼筋混凝土承載力:200×0.7=140 kg/cm2

壩面安全系數(shù)為:140/27.3=5.128＞1.4 故該工況安全。

3.2.3 工況3

拱腳一頭斷開突然墜落,而導(dǎo)致拱圈倒塌,同時擱在中間和右邊消能墩上,拱圈中間斷開一分為二(見圖4)。

(1)中間消能墩與右邊消能墩同時受力,則最不利右消能墩的瞬間力為:

圖4 工況3示意圖

自重G=650×10/16=406.25 t

受力Nmax=406.25×9.8×3.8=15 128 t=15 128 000 kg

(2)右消能墩受力面積:S=300×700=210 000 cm2

按均布受力與壩面的強度為:15 128 000/210 000=72.038 kg/cm2

(3)原壩面200#鋼筋混凝土承受力:200×0.7=140 kg/cm2

安全系數(shù):140/72.038=1.943＞1.4 故該工況安全。

3.2.4 工況4

復(fù)核壩面混凝土受力情況,拱腳一頭切斷,另一頭拱腳上部剖開0.5m深-1.0 m寬并切斷上部鋼筋,導(dǎo)致整個拱圈倒塌,擱在中間消能墩上的情況(見圖5)。

圖5 工況4示意圖

(1)拱橋整體倒塌在中間閘墩上的瞬間力:

Nmax=1 300×9.8×4.8=61 152 t=61 152 000 kg

(2)中間消能墩受力面積為:700×1 200=840 000 cm2

按均布受力于壩面的強度:61 152 000/840 000=72.8 kg/cm2

(3)壩面原200#鋼筋混凝土承載力:200×0.7=140 kg/cm2

安全系數(shù):140/72.8=1.923＞1.4 故該工況安全。

4 實踐與應(yīng)用

根據(jù)現(xiàn)場的具體情況(上下游及拱圈上無法停放設(shè)備)及以上相關(guān)數(shù)據(jù)、拆除成本、工期及安全要求,對上述4種工況進行多次的分析、比較,最終確定工況2為最佳方案。

為了達到最佳方案的預(yù)期效果,確保拱橋拆除安全,而且使壩體不受損害,拆除前采用人工風(fēng)鎬在跨中拱頂預(yù)開口寬0.3 m,深0.2 m,切斷面層鋼筋。再在每跨的左拱腳預(yù)開寬0.5 m,深0.3 m的溝槽,同時切斷面層鋼筋,施工時,充分利用壩頂2 m高的閘墩,在每跨壩面中間和橋墩邊利用編織袋裝土堆砌成擋墻,中間回填統(tǒng)砂料做消能墩以抵抗拱圈墜落的巨大沖擊能量,確保大壩安全。

采用鎬頭機站在非溢流壩橋臺上,實施對拱腳破解開口 (上寬1.5 m,下寬0.5 m)。拱腳切斷后拱圈慢慢滑落,觸碰在消能支墩上,導(dǎo)致跨中拱頂斷裂而整體倒塌,平臥在消能墩上,待拱圈平穩(wěn)落在溢流壩面頂部后再進行分解。

5 應(yīng)用成果

本工程為浙江省水庫除險加固重點工程,壩頂拱橋跨度之大(單跨34 m),高度之高(10 m),拆除難度之大及施工環(huán)境的特殊性屬省內(nèi)罕見,并且單跨有C20鋼筋混凝土近400m3,運用工況2方案,對壩頂拱橋進行拆除,對壩體沒有造成影響,也沒有大塊的混凝土掉入水庫中,達到了預(yù)期的效果。

由于拆除方案的合理、科學(xué),在節(jié)省工程費用的同時,工期也提前了45 d,取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。