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特种结构——水池加固

特种结构——水池加固

1引言

目前国内正在进行大规模的基础设施建设,各地陆续兴建了一批水处理厂,其中有些项目是在原有基础上进行的改造扩建工程。因此,如何在保证原结构可靠度的原则下再,合理利用原有资源进行改造扩建,从而降低工程投资,成为工程界必需面对的课题。由于目前国内尚无针对构筑物水池的专业结构计算软件。结构设计者大都依据现有规范。取出简单构件模型通过手算加经验进行设计;有时力学模型简化和结构内力计算常出现概念性错误,使构筑物水池在使用中出现过大的变形、裂缝和漏水等影响使用的现象。为保证污水处理系统正常运行,通常需对这些池体进行加固处理。简要介绍在兰州市供水扩建工程Φ100m辐流沉淀池加固改造中应用喜利得HIT-HY150植筋技术的工程经验和现场测试情况供同类工程参考;通过浙江宁波某污水处理厂调节池加固案例,介绍预应力钢绞线在构筑物水池加固中的应用。

2花凉亭水库砂壳坝的抗震性能分析与加固

工程概况

花凉亭水库位于长江流域皖河支流长河的上游,是一座以防洪、灌溉为主,兼有发电、养殖、供水、航运、旅游等综合利用的大型水库工程。坝址位于安徽省太湖县境内,水库控制流域面积1870 km2,总库容约24 亿m3,工程大坝、溢洪道、泄洪洞、引水洞、电站等组成。大坝为碾压式黏土心墙砂壳坝,最大坝高58 m。花凉亭水库大坝兴建于20 世纪50 年代末至60年代初,由于受当时技术条件的限制,对土石坝抗震问题认识不足,未进行抗震设计。经过对花凉亭水库大坝进行地质勘察取样试验和液化分析,由于大坝砂壳填筑相对密度较低,上游坝坡水下饱和砂土在7 度地震作用下可能产生一定范围的液化,并产生滑坡。大坝抗震安全不满足要求,需要进行抗震加固处理。由于水库承担有供水功能,大坝抗震加固必须在不放空水库的条件下进行。

大坝抗震性能分析

坝体土地震液化判别采用文献[2]的判别方法,先进行初判,对初判可能发生液化的土层进行复判。

(1) 初判

花凉亭水库坝壳砂颗粒小于5 mm 含量的质量百分率在99%以上,黏粒含量的质量百分率最大值10.1%,平均值为0.72%,皆在地震设防烈度7 度液化界线16%以下,不能判定其为不液化土,再进行复判。

(2)复判

a)按文献[2]的钻孔标准贯入锤击数进行复判。即符合N63.5<Ncr 要求的土应判为液化土,N63.5 为工程运用时,标准贯入点在当时地面以下ds(m)深度处的标准贯入锤击数,Ncr 为液化判别标准贯入锤击数临界值。花凉亭水库上游正常高水位为88.0 m 高程。结果表明7 度地震时,部分上游坝壳料的风化土可能液化。

b)按文献[2]相对密度法进行复判。即在7 度地震作用下,当饱和无黏性土的相对密度Dr 不大于0.7时,可判别为可能液化土。花凉亭水库大坝上游坝坡现场勘探钻孔取样检测结果见表2,即相当一部分坝体砂土相对密度小于0.7,故在7 度地震作用下,有部分上游坝体为可液化土。

上述两种复判方法均显示,部分上游坝壳料的风化土和砂土为可能液化土。

加固方法研究

根据已有工程经验,砂土抗地震液化加固方法基本可分为置换法、加密法和压重法等类。置换法的加固思路是,将液化区砂土挖去,重新填筑石渣料等抗液化性能较好材料;加密法的加固思路是,采用振冲加密密方法,提高砂土的密实度,使砂土密实度达到抗地震液化的能力;压重法的加固思路是,在液化区砂土上加压重,提高砂土的有效应力,从而使砂土达到抵抗地震液化的能力。如北京密云水库潮河土坝上游坝坡存在地震液化问题,其抗震加固采取水下部分抛石压坡(施工期水位以下)、水上部分置换石渣料的综合方法加固;山东岸堤水库大坝上游坝坡存在地震液化问题,其抗震加固中,水下部分采取抛石压坡(施工期水位以下)、水上部分采用振冲加密的综合方法加固。

花凉亭水库上游坝坡抗震加固方案研究中,曾比较过将大坝上游坡水下表层4~10 m 液化区的砂土全部置换成抗震性能较好的石渣料,且上部结合坝坡稳定要求和坝顶宽度要求适当帮坡放缓坝坡的方案。因该方案需要放空水库,引起水库周围城镇供水难以解决、电站发电损失较大及需要做导流围堰等问题,且投资较大,予以放弃。也研究过采用振冲加密液化区砂土的加固方案,因振冲设备在坝坡上移动存在较大难度,同时水下坝体中砂难以加密到相对密度达到0.75 以上的抗液化要求,也予以放弃。

经研究比较,最后确定采用帮坡压重方案。即上游坝坡采取帮坡压重和放缓坝坡的措施来提高坝坡水下砂土的抗液化能力及坝坡的稳定性。其中高程66.5m 以下的水下部分采取抛填块石料,高程66.5 m 以上的水上部分填筑石渣料。加固后坝坡坡比为1∶2.75,1∶3.0,1∶3.0,1∶4.0,1∶4.0,并于高程88.5 m 设置2.7 m 宽马道,高程79.0 m 设置2.0 m 宽马道,高程70 m 设置18.0 m 宽平台(该处原高程66.5 m 设置20.0 m 宽平台),高程58.5 m 设置12.75 m 宽平台(该处原高程55.0 m 设置18.0 m 宽平台)。

经过对大坝上游砂土的动强度试验及大坝地震液化动力有限元分析,上游坝坡表层施加3.5 m 厚的石渣料帮坡加重后,液化区完全消失,因此帮坡压重厚度按不小于3.5 m 控制。

压重料分水下抛填块石料和水上填筑石渣料两个部分。由于它们位于坝体砂土的上部表面,为了满足抗震加固要求,压重材料一方面要求其达到较好的密实性,即具有较高的强度,同时还要求具有较好的透水性。

(1)水下抛填块石料

水下抛填块石体的强度和透水性比较容易达到要求,但花凉亭水库坝前库底存在厚约1 m 的淤泥。为了使水下抛填块石能嵌入到淤泥层底部,并使淤泥能较好固结,从而使抛石体底部淤泥层具有较好的稳定性,根据潮河土坝水下抛块石料试验及施工经验,对抛填块石的粒径和级配提出如下要求:最大粒径不小于600 mm,中值粒径为150~240 mm,不均匀系数大于10,小于10 mm 粒径重量百分比应小于5%。

(2)水上填筑石渣料

为了使填筑石渣料的强度和透水性达到要求,对石渣料提出如下要求:具有良好级配,最大粒径应小于铺层厚的2/3(小于40 mm),粒径<0.1 mm 的颗粒(含泥量)小于5%,粒径>5 mm 的含量大于70%,干重度大于20.5 kN/m3,孔隙率不大于20%。

小结

经过对花凉亭水库黏土心墙砂壳坝进行地质勘察取样试验和液化分析,由于其上游坝坡砂土密实度不够,在度地震时,水下部分可能发生液化并产生滑坡,需要进行抗震加固处理。我国目前已进行过抗震加固的土石坝不多,工程经验较少,还没有成熟的加固设计方法和技术规范。本工程应用砂土动强度试验成果,采用动力有限元分析对大坝抗震加固方案进行技术论证,并提出了帮坡压重的抗震加固方案,即在上游坝坡的水下部分抛块石帮坡压重和水上部分填筑石渣料帮坡压重,有效解决了水库蓄水条件下的大坝上游坝坡的抗震加固问题,其经验可供类似工程借鉴使用。

3兰州某供水扩建工程加固方案

工程概况

兰州市供水扩建工程Φ100m辐流沉淀池始建于50年代末,在完成部分主体结构后停缓建。各池池壁均为C15素砼,重力式挡土墙结构,约10m设竖向伸缩缝一道,将池壁划分为30个结构单元。池壁内侧设悬挑C20钢筋砼环形集水槽,池壁顶端预埋有刮泥机钢轨锚固钢筋。由于年久失修,以上各池均存在钢筋锈蚀、砼表面碳化(风化)等现象。考虑到该池池壁为耐久性较好的素砼结构,如能加以利用,可减少拆除工程量,降低工程投资,并加快工程进度。因此,经对池体进行全面的可靠性鉴定,池壁环形集水槽和池顶预留锚固钢筋已严重锈蚀(d级),不能继续使用,而池壁砼仅表层出现病害(约20-45mm),内部强度等级符合原设计要求,经过必要的加固改造后可继续使用。 

HIT-HY150植筋技术

在确定了植筋锚固技术后,合理选择植筋胶即成为工程应用的首要问题。由于本工程的重要性及使用环境,选择了喜利得植筋1号(HIT-HY150)进行工程试验与应用。该产品系瑞士喜利得(HILTI)公司生产的1种双组份混合型粘合剂。

HY150中树脂成份的高分子聚合反应,确保了HY150具有良好的粘合性和快速固结效果,水泥质反应则提高了粘结硬度和粘合性。该产品主要特点有:钻孔孔径小、埋深浅,对基材损坏小;操作简便,易保证施工质量;快速凝固,无需养护,缩短施工周期;独特的注胶系统,使胶体充分地自动混合均匀;收缩位移微小,锚固承载力高,钢筋强度可充分利用;无毒害、抗老化,耐高温、耐高湿,长期性能好。

HY150属氨基甲酸脂类产品,它克服了环氧树脂类产品的弹性模量高、收缩大、耐久性及适应性差的弱点,得到美、法等国的技术认可。特别是在持久潮湿基材中和冻融循环条件下的长期表现测试结果(法),对处于高湿度环境下的水池类结构的工程应用,意义更为重要。该技术引入国内后,经国家建筑工程质量监督检验中心进行轴向抗拉锚固性能检验,获得了质量认证,并已应用于多项重大工程之中。

设计施工要点

(1)植筋深度与孔径,直接影响锚固效果和材料用量,深度过小不能保证有效锚固,过大则不能充分发挥材料性能。钻孔直径也应与植入钢筋直径相配套。

(2)植筋胶用量与植入钢筋直径和深度的关系为(理论公式):图片250.png  (ml)

施工操作要点

(1)严格按设计要求操作,保证钻孔直径和植筋深度符合设计标准

(2)必须采用钢丝刷和吹气泵清孔,彻底清除孔内浮渣,保证孔内清洁。

(3)由孔底逐渐向外注胶,填入量约为孔洞的2/3确保填充均匀。

(4)缓慢转动插入钢筋至孔底,在固化时间内不移动。

以上各条中&清孔至关重要,植筋前应加强验孔。注胶时不应满孔,钢筋插入后表面稍有溢出为宜。对水平钢筋应采取临时支架措施,防止钢筋下垂引起孔内胶体分布不均匀。

小结

通过本工程的现场试验和效果检验,可以看出,利用HIY-HY150植筋锚固技术在混凝土基材上植筋生根,其效果等同于在混凝土预埋钢筋.植筋胶能将后置钢筋与原混凝土基层牢固的粘结在一起,植入钢筋的材料强度可得到充分利用,在基材混凝土强度等级不高、使用环境高湿度的情况下,达到了预期的技术要求,适用于水池混凝土结构的加固改造。由于HIY-HY150属国外进口化工产品,其价格相对较高,使用时应注意充分发挥其良好的锚固性能,对大直径(Φ12以上)Ⅱ级钢筋效果较佳,而小直径(Φ10以下)Ⅰ级钢筋则可能不便于植筋胶性能的充分发挥。

4浙江宁波某污水处理厂调节池加固

工程概况

某污水处理厂地处宁波象山海边,接纳印染企业废水。该项目分布在深厚的第四纪泻湖相、溺谷相与滨海相等海相沉积软土层。地层分布由上而下为:①素填土:层厚约2.5m;②粉质粘土:层厚约O.5m;③淤泥质粉质粘土:层厚约5.0m;④粉质粘土:层厚约12.0m;⑤含粘性土砾砂:层厚约3.4In;⑥粉质粘土:层厚8.2m;⑦含粘性土角砾(未钻穿)层顶高程位于地面以下34m:该工程于2007年12月完工。

该污水处理厂内有一调节池.长45.6m,宽27.6m,高7.5m,池体为斜拉梁柱结构,柱的跨距为3m(图3)。池内水位高度呈波动分布,正常运行中池内水位高度处于2.5—7.0m之间.池体混凝土强度等级为C25,池壁厚300mm.底板厚500mm。基础采用预应力管桩,直径400mm,桩长13m.桩承载力特征值为200 kN,地基承载力特征f=60kPa.桩起弥补竖向承载力不足和空池抗浮的双重作用。

图片256.png 

调节池结构平面示意图

2008年9月,调节池水位高度达到6.5m时,池体长宽方向中间位置均发生较大的变形,长度方向中点位置尤为严重,变形达8cm以上,造成池体上降温水渠拉裂(图4),影响正常使用。以后业主把水位高度控制在6m以内,勉强可使用,但已影响污水处理系统正常运行。故于2009年年初委托一家设计单位修补。

图片257.png 

池壁上部渠道开裂情况

开裂原因分析

该调节池结构形式属斜拉粱柱扶壁结构,水池发生如此大的侧移变形,可见池体池壁、扶壁柱、斜拉梁或底板设计中至少存在一项未能满足强度或正常使用的要求。

池壁厚300mm,配筋为Φl2@150(双向双层),图片258.png=754mm2;荷载为三角形分布:图片259.png=70kN/m2;永久荷载的分项系数,对由可变荷载效应控制的组合,取图片260.png=1.27。即三边固端一边铰支的双向板。通过计算得到,控制性弯矩标准值为图片261.png=29.0kN·m,弯矩设计值My=36.8kN·m。

扶壁柱按水平间距3 m均匀设置,截面为350mm×800mm,混凝土C25。可将池壁的结构模型简化为下端固端、上端自由、中间在斜拉梁处假定为铰支座通过超静定结构计算。扶壁柱的结构控制断面为斜拉梁处,也就是弯矩Mk=214kN.m。对该断面进行强度和裂缝控制计算。

加固方案的选择

 1.提高底板结构本身抗弯能力

通过前述计算可得,3m一跨的底板承受的弯矩为l250kN·m,即单位长度底板弯矩承受416.7 kN·m。要承受这个弯矩,计算得到底板所需厚度约lm,意味着需增加截面的高度非常大。由于该系统处于运行状况。通过加厚混凝土底板来提高承载力。操作上不现实。因而被排除。

    2.减小底板所承受的弯矩荷载

要减少底板的弯矩荷载,首先要增加图片262.png值,对此可在底板上增加一个向上的力,或在池壁上增加一个向内的力,增加了值也就达到了减小底板弯矩的目的。前者要在底板上增加向上的力。通常做法是通过在底板下部增设锚杆或桩,再通过与底板连接,从而在底板上产生向上的力。该方法实施较繁琐且费用较大,因而被排除;后者可通过在池壁或扶壁柱上施加一个向内的水平拉力来达到减小底板弯矩的目的,此种方式操作较简单。

最终确定加固思路是在池体内增加一个水平拉力解决开裂问题。通常做法是在水池内增设水平拉梁处理,但考虑到调节池是整个污水处理系统中必不可少的一部分,池内水位也一直在2.5-7.0m内波动;增设钢筋混凝土拉梁需搭设脚手架,在池内不具备条件,故决定在池内增设体外预应力钢绞线,拉结两侧扶壁柱。以实现减小底板弯矩的目的。

加固方案实施

(1)钢绞线、锚具的选择

钢绞线长期处于干湿交替的污水环境中,其防腐尤为重要。采用填充型环氧涂层钢绞线能满足要求,使用寿命达20年以上。这种钢绞线的钢丝间隙由熔融粘结的环氧树脂完全填充,外层环氧树脂涂层厚度不小于500斗m,施工按《环氧涂层七丝预应力钢绞线》(GB/T-21073—2007)进行。

环氧树脂涂层对紫外线辐射极为敏感,而水池中的预应力钢绞线又处于干湿交替环境中,经常受阳光直射,需采用HDPE(高密度聚乙烯)套管。对环氧涂层钢绞线而言。锚具选择尤为重要。环氧涂层越厚,其防腐屏障越强,但为保证涂层均匀,避免出现局部缺陷,尤应注意环氧涂层在锚固区段的设计。锚具应采用宽而深的卡齿,且锚固区段的HDPE套管须剥除,以确保锚固安全。

(2)预应力索张拉的实施

1.工艺流程:壁柱边侧打孔→安装锚板→安装预应力钢绞线→清理预应力钢绞线张拉端→预应力钢绞线张拉→多余钢绞线切割及张拉端锚具密封→加固

后调节池试水→张拉端混凝土封端保护。

2.端部处理:剥去张拉端塑料护套,擦净预应力筋上的油脂,清理端部后安装锚环及夹片;钢绞线张拉后,即对无粘结预应力筋进行封端保护。

(3)钢绞线张拉

通过张拉机械将力作用于钢绞线上。再通过钢绞线作用于壁柱上,从而减小底板所受弯矩。每束预应力筋张拉的具体操作步骤如下:

1.剥去张拉端塑料护套(普通无粘结钢绞线),擦净预应力筋上油脂,清理端部后安装锚环及夹片;

2.安装千斤顶,连接油路系统;

3.张拉时以控制张拉力为主。

(4)钢绞线的切割和封端保护

钢绞线锚固区须有严格的密封防护措施,严防水汽进入锈蚀钢绞线。因此张拉完毕后应即进行封端保护:

1.用砂轮切除多余钢绞线,严禁采用电弧烧断;

2.外露钢绞线涂专用环氧防腐涂料;

3.用C30混凝土封堵张拉端,混凝土内可加固定于池壁的铁丝网,以增加整体性,达到保护锚具的目的,混凝土中不得使用含氯离子的外加剂,封堵时应注意插捣密实。

小结

(1)构筑物水池设计中,须认真做好节点弯矩平衡工作,处理地基和底板。当底板视为池壁固定支承时,要求底板厚度取为1.2~1.5倍池壁厚度。并将底板基础外挑。以保证池壁的正常使用效果。扶壁柱式结构更应注意。

(2)构筑物水池池壁变形开裂,未必是池壁抗弯承载力不够;有时是因为基础周边承载力不足或底板抗弯承载力不足而引起底板变形。进而导致的池壁变形开裂。本工程即属四周复合桩基对底板产生的抵抗弯矩不能平衡水位引起的弯矩而造成底板变形。从而引起池壁和渠道开裂。

(3)采用预应力钢绞线加固构筑物水池切实可行,具有时间快、造价低且不影响污水处理单元正常运行等优点。

(4)在构筑物池壁或扶壁柱上部增设水平拉杆,可减小池壁、扶壁柱、底板等承受的弯矩值。从而减少结构负担,确保构筑物的使用安全。

                                                                                                                                                                                                       负责人:***