尾矿库排水管结构验算及加固技术探讨

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摘要：本文针对四川省某铁矿尾矿库排水管出现的裂缝，通过结构验算，分析裂缝出现的原因，提出相应的解决方案，并详细描述了对排水管进行钢筋混凝土内加固的施工过程。对于今后类似项目加固有一定的借鉴意义。

关键词：尾矿库排水管；结构验算；加固

1 前言

四川省某铁矿综合利用工程尾矿库工程，2009年完成初期工程施工。初期坝为碾压式堆石透水坝，最大坝高47.8m，初期库容占满后，采用尾矿砂筑坝，设计总坝高242.8m，依照《选矿厂尾矿设计规范》（ZBJ1-90）以及《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005）的规定，尾矿库为二等库，主要构筑物等级为二级。

2 排水管荷载计算

2.1计算断面的选择

根据设计院提供的尾矿库设计总平面图，沿排水管中心轴方向，绘制了尾矿库排水管纵剖面图，见图1。桩号0+000.00～1+209.23之间的排水管管径为2.5m，桩号1+209.23～1+708.57之间的排水管管径为2m，结构验算选取断面A、断面B、断面C。

断面A所在的桩号为1+132，该断面的特征是垂直尾矿砂厚度最大，排水管管径为2.5m，断面B所在桩号为1+209.23，该断面位于2.0m管径排水管首端，是近500m长的2.0m管径排水管上覆尾矿砂厚度最大的断面。断面C所在桩号为0+138，该断面位于初期坝最大坝高断面之下，上覆盖材料为堆石。

2.2材料参数

2.2.1铁矿尾矿砂弹性模量

2.2.3排水管基础弹性模量

根据业主提供的排水管纵剖面图及岩土工程勘察报告，确定了排水管基础的有关力学指标：

断面A（桩号1+132）排水管座落于正长岩上，压缩模量Es=为1.8×104MPa；断面B（桩号1+209）排水管座落于正长岩上，压缩模量Es=为1.8×104MPa； 断面C（桩号0+138）排水管座落于坡洪积粉质粘土（②1）上，坡洪积粉质粘土基础厚度约为7m，压缩模量为6 MPa；以下为正长岩（④2和④3）。

拟定正长岩与坡洪积粉质粘土的泊松比ν为0.3，根据式2.2，确定正长岩与坡洪积粉质粘土的弹性模量分别为1.56×107kpa和5200kpa。

2.2.4回填土弹性模量

设计要求现浇排水管后，用原土回填开挖沟槽，参照《给排水工程管道结构设计规范》（GB50332-2002）附录A及施工时原土回填的原则，确定了回填土的弹性模量。

断面A与B排水管基础为正长岩，施工时一般采用开挖土回填，回填土中砂砾、碎石含量很高，根据《给排水工程管道结构设计规范》附表A.0.2-1，确定回填土的弹性模量为15000kpa。

断面C排水管基础为坡洪积粉质粘土（②1），施工时一般采用开挖土回填，假定回填土比基础原状土弹性模量略小，确定回填土的弹性模量为5000kpa。

2.2.5材料参数汇总

计算模型中各分区材料物理力学指标参数汇总表1。

2.3荷载计算结果

为了分析不同沟埋深度及筑坝方式对土压力的影响，划分个工况，各工况说明及计算目的见表2。

注1：排水管水压力从排水管中心位置计算；

注2：垂向土压力系数指管顶垂向压力与上覆土层理论重量之比。

3内力计算

通过有限元计算，获得各单元高斯点应力，为了套用规范进行强度复核，将弹性力学有限元应力计算结果转换为结构内力。对于排水管，计算了典型截面（图2）的弯矩、剪力、轴力，结果如表4。

4.1强度复核

4.1.1确定大小偏心

根据表4内力计算结果可以看出，构件同时受弯、剪、压的作用。按照受压构件考虑，各构件受理状态可能是小偏心或大偏心受压。因此要先确定构件大小偏心受压状态。先假设为大偏心，计算受压区高度x，若x≤0.55h0，则构件为大偏心受压构件，反之为小偏心受压。

根据受力状态计算受力结果，各部位受力状况见图3。

图3 各工况受压状况判断结果示意图

4.1.2构件正截面受压承载力

按照《水工混凝土结构设计规范》，偏心受压构件正截面受压承载力应符合以下规定：

4.2偏心受压构件斜截面受剪承载力

对于设计排水管，如图4，在1/4拱圈（450）部位配置了3道箍筋，箍筋型号为HPB235，箍筋间距为横向200mm，纵向110～125mm，钢筋直径12mm，在侧壁部位设置了一道箍筋，箍筋型号为HPB235，箍筋间距纵向为300mm。其余部位未设置箍筋。通过内力计算可知，在拱圈中心截面剪力较大，为了校核斜截面受剪承载力，计算了截面Ⅰ（350部位，无箍筋）和截面Ⅱ（550，无箍筋）、截面Ⅲ（450，有箍筋）的斜截面受剪承载力（图4），结果见表6。

从上述计算结果可以看出，断面A和断面B的截面Ⅱ，均没有配置箍筋，在两种工况下剪力均比较大，斜截面抗剪承载力安全系数均小于规范允许值。

断面C的截面Ⅰ和Ⅱ，因轴力偏小且剪力较大，没有配置箍筋，在两种工况情况下斜截面抗剪承载力安全系数均非常低，远小于规范要求的安全系数。排水管在这些区域将可能产生剪切破坏。在配置了箍筋的区域，如截面Ⅲ，斜截面抗剪承载力可满足规范要求。

5加固设计方案

针对计算结果，确定在排水管内侧增加纵向HPB335钢筋，钢筋直径25mm，间距200，箍筋为HPB335，直径20mm，间距200，混凝土采用C30/P8，加固厚度200mm。加固部位为K0+63.5M～K0+244M段。

6 结束语

该管涵加固工程，加固长度180.5m，2009年12月施工， 2010年3月完成，加固质量良好，运行至今，未出现其他裂缝。

参考文献：

[1]四川省某铁矿综合开发利用工程岩土工程勘察报告.（R）四川省蜀通岩土工程公司.2007年

[2]四川省某铁矿综合开发利用工程岩土工程勘察报告（补充勘察）（R）.四川省蜀通岩土工程公司.2008年

[3]《建筑施工手册》（第三版）编写组.《建筑施工手册4》〔M〕.北京：中国建筑工业出版社，1997.

[4]《建筑施工手册》（第四版）编写组.《建筑施工手册2》〔M〕.北京：中国建筑工业出版社，2003.