石頭河水庫混凝土結(jié)構(gòu)檢測與耐久性分析

汪繁榮,符玉紅

(長江工程職業(yè)技術學院,湖北 武漢 430212)

1 問題的提出

石頭河水庫位于陜西省西安市西南方130 km的眉縣斜峪關石頭河下游谷口處,是20世紀80年代陜西關中地區(qū)建成的一座以灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水利工程。水庫控制流域面積673 km2,總庫容1.47億m3,有效庫容1.20億m3,設計年調(diào)節(jié)水量2.70億m3。大壩正常蓄水位801.00 m,死水位728.00 m,壩頂高程808.00 m。大壩100 a一遇設計,設計洪水位為801.00 m;2 000 a一遇校核,校核洪水位為803.88m。

石頭河水庫設計灌溉面積8.53萬hm2(128萬畝)。隨著社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展,石頭河水庫除滿足現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)供水外,又承擔了向西安及未來咸陽、楊凌、寶雞等城市的供水任務,同時肩負著為渭河消減洪峰的防洪任務。

樞紐工程由攔河壩、輸水洞、泄洪洞、溢洪道和壩后電站組成。本工程的泄水建筑物為溢洪道和泄洪洞,輸水建筑物為輸水洞。

經(jīng)20多年運行后,輸、泄水建筑物存在混凝土結(jié)構(gòu)老化、破損,金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)銹蝕,機電設備出現(xiàn)老化、陳舊等問題,給該水庫樞紐的安全運行構(gòu)成了安全隱患。為給該水庫樞紐的安全鑒定和除險加固提供依據(jù),必須對該樞紐的輸泄水混凝土結(jié)構(gòu)進行全面的檢測和結(jié)果分析。

2 檢測內(nèi)容與依據(jù)

對于水工建筑物混凝土的健康狀況是以其強度、密實性(不透水性)、整體性、均勻性和表面狀態(tài)等來確定的。由于歷史原因,本工程原有檢測和試驗資料成果缺乏。依據(jù)JGJ/T 23—2001《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》和DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》對混凝土結(jié)構(gòu)做了4方面現(xiàn)場檢測:①裂縫、缺損滲漏等外觀缺陷;②強度、碳化深度及鋼筋保護層厚度等反映混凝土工程現(xiàn)狀質(zhì)量的指標;③伸縮縫、止水縫的損壞和錯位狀況;④鋼筋的銹蝕程度。

3 檢測結(jié)果與分析

本次檢測的混凝土結(jié)構(gòu)包括溢洪道進水渠導墻、進水渠底板、工作橋、交通橋、閘墩、溢流堰、泄槽邊墻、泄槽底板,泄洪洞進水塔啟閉機室排架、進水塔塔筒、洞身側(cè)墻、東深底板,輸水洞放水塔啟閉機室排架、洞身混凝土襯砌。

3.1 外觀質(zhì)量與混凝土裂縫

3.1.1 溢洪道

溢洪道由進水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及尾水渠5部分組成。

進水渠導墻多處出現(xiàn)跑?，F(xiàn)象,左、右導墻的內(nèi)側(cè)基本完好。左導墻外側(cè)多處出現(xiàn)鋼筋銹脹外露或混凝土脹裂現(xiàn)象,共計9處累計28.70 m。與右導墻連接的漿砌石擋墻部分砂漿脫空,右側(cè)進水口岸坡較破碎,采取噴射混凝土防護,目前噴射混凝土多處出現(xiàn)破壞,巖體外露。進水渠底板完整,分縫未見明顯異常。工作橋大梁基本完整,未見表面裂縫、破損。交通橋中孔下游側(cè)大梁2/3長度鋼筋出現(xiàn)銹脹、混凝土剝落。閘墩表面普遍風化、露砂。溢流面未見異常,分縫基本正常。堰底有較多雜物,并生長有雜樹、雜草。西孔溢流面有1條裂縫,縫中有白色鈣質(zhì)析出。泄槽邊墻普遍風化較嚴重。表面有不規(guī)則裂縫,估計是施工階段收縮形成的表面裂縫。墻根部有多處鋼筋銹脹、混凝土脫落現(xiàn)象,其中左邊墻71處約14.00 m,右邊墻56處約11.00 m。

泄槽底板沿溢洪道軸線方向劃分成25塊,其中漸變段3塊、一級陡坡7塊、二級陡坡15塊,垂直溢洪道軸線方向劃分成東、中、西3塊。泄槽底板上出現(xiàn)大量裂縫,裂縫有2類:一類是不規(guī)則的龜狀裂縫,裂縫寬度小于0.05 mm,估計是施工階段的收縮縫;另一類是與溢洪道軸線垂直的橫向裂縫,或與軸線平行的縱向裂縫,縫寬在0.05～0.20mm,有些裂縫沿橫向或縱向貫穿整塊底板,該類裂縫估計是施工階段水化熱或運行階段晝夜溫差引起的溫度裂縫。第一類裂縫分布不規(guī)則,未作統(tǒng)計;第二類裂縫統(tǒng)計結(jié)果為:除二級陡坡的15底板淹沒在水中無法檢查外,其余可檢查的72塊底板中,共計53塊出現(xiàn)裂縫,占總塊數(shù)的74%。裂縫總計125條,累計長度760.00 m。底板分縫填料老化、破損較嚴重,部分分縫內(nèi)長滿雜草。底板表面局部出現(xiàn)凍融破壞,滲水并長出青苔,底板與兩側(cè)邊墻連接的部位局部滲水并長出青苔。二級陡坡第15#塊及挑流鼻坎反弧段內(nèi)積水,并生長樹木及雜草。

3.1.2 泄洪洞

進水塔啟閉機室排架外觀正常,未見破損及裂縫。

2008年“5.12”汶川地震后,管理單位對進水塔塔筒進行了檢查,在塔筒內(nèi)壁上共發(fā)現(xiàn)16條裂縫,其中縱向裂縫8條,橫向裂縫8條,縫寬小于0.2 mm。

洞身底板反弧段末端樁號0+345.09～0+349.95 m混凝土底板出現(xiàn)沖刷破壞,面積18 m2,最大深度12 cm。據(jù)有關資料該處在1992年汛末檢查時曾發(fā)現(xiàn)沖刷破壞,1996年4—5月采取澆筑細石環(huán)氧混凝土,環(huán)氧砂漿抹面等辦法修復,但在1998年8月21日9時泄洪流量為639 m3/s時再次沖刷所致。

洞身側(cè)墻:1998年8月21日泄洪流量達639 m3/s(設計能力的75%)時,樁號0+280.00 m處的右側(cè)墻被沖壞。水毀面積約15 m2,最大深度0.30 m,墻內(nèi)原布設的鋼筋外露、變形,其中5根鋼筋斷裂翻起,8根鋼筋被扭曲,下游側(cè)止水帶翻起,沿豎向施工縫向外流水,在墻高4.00 m處有一集中滲流孔向外射流。2002年5月對水毀處采用預埋錨桿,加布鋼筋并用C30混凝土進行了修補。

3.1.3 輸水洞

放水塔啟閉機室排架外觀正常,未見破損及裂縫。

本次未能檢測消力池,但據(jù)管理單位介紹,消力池曾出現(xiàn)過沖蝕破壞。1990年8月檢查發(fā)現(xiàn)消力池樁號0+105.50～0+134.50 m段,長29.00 m的底板和側(cè)墻產(chǎn)生不同程度的沖刷破壞。0+117.50～0+122.50 m段,長5.00 m的表面鋼筋沖壞,出現(xiàn)5個大小不等的深坑,最大深度80 cm;0+122.50～0+130.50 m段,長8.00 m底板混凝土保護層破壞,面層鋼筋彎曲變形。側(cè)墻在樁號0+114.00～0+132.50 m段1.00 m高度以下均被沖蝕,最大深度11.5 cm,局部鋼筋外露。

1994年3月,按原設計對破壞部位重新布設了鋼筋,用高標號混凝土做了修補處理后運行至今。

3.2 混凝土強度

對輸水、泄水建筑物主要構(gòu)件采用回彈法檢測抗壓強度。檢測結(jié)果見表1。由表1可見,溢洪道進水渠導墻、進水渠底板、閘墩、溢流堰、泄槽邊墻、泄槽底板,泄洪洞進水塔啟閉機室排架、進水塔塔筒,輸水洞放水塔啟閉機室排架,大壩防浪墻的混凝土強度推定值分別為17.6,18.7,23.3,39.1,25.6,37.1,36.1,20.7,38.2 MPa,均達到原設計強度值。

表1 混凝土抗壓強度回彈法檢測結(jié)果表

3.3 碳化深度及鋼筋保護層厚度檢測

溢洪道主要構(gòu)件碳化深度及鋼筋保護層厚度統(tǒng)計結(jié)果見表2。由表2可見,進水渠導墻、閘墩、泄槽邊墻、泄洪洞進水塔啟閉機室排架、進水塔塔筒、大壩防浪墻碳化深度較大,平均值分別為23.9,22.1,48.0,25.3,21.6,26.7 mm,最大值分別達到36.0,60.0,75.0,37.0,46.0,33.0 mm。其余構(gòu)件碳化深度平均值均較小,均在10.0 mm以內(nèi)。

表2中的鋼筋保護層厚度設計值為原設計采用值,某些構(gòu)件的設計未能查到。表中的實測平均值系根據(jù)多個測點的測值平均得到。

表2 混凝土碳化深度及鋼筋保護層厚度檢測結(jié)果表 mm

3.4 鋼筋的銹蝕

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕會導致鋼筋的受力面積減小,鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力下降,因此有必要對鋼筋的銹蝕進行檢測。實際檢測過程中,采用鋼筋銹蝕檢測儀進行檢測(半電池電位法),其原理是通過測量鋼筋的自然腐蝕電位判斷鋼筋的銹蝕程度。

溢洪道進水渠底板、閘墩、溢流堰、泄槽底板、泄洪洞進水塔啟閉機室排架、泄洪洞進水塔塔筒、輸水洞放水塔啟閉機室排架鋼筋保護層完好,內(nèi)部鋼筋沒有銹蝕。

溢洪道進水渠導墻少量保護層較小處鋼筋銹蝕、混凝土脹裂,最大銹蝕率12%;泄槽邊墻多處鋼筋銹蝕,混凝土脹裂,最大銹蝕率21%;大壩防浪墻少量保護層較小處鋼筋銹蝕。

3.5 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評價

將本次混凝土碳化深度、鋼筋保護層厚度、鋼筋銹蝕檢測結(jié)果列于表3,分析、判斷結(jié)構(gòu)混凝土鋼筋銹蝕現(xiàn)狀,評價其耐久性。由表3可見,溢洪道進水渠底板、閘墩、溢流堰、泄槽底板、泄洪洞進水塔啟閉機室排架、泄洪洞進水塔塔筒、輸水洞放水塔啟閉機室排架屬未銹蝕階段;大壩防浪墻少量保護層較小處鋼筋銹蝕,屬銹蝕初期;進水渠導墻、泄槽邊墻多處鋼筋銹蝕,混凝土脹裂,部分測點碳化深度接近鋼筋保護層厚度,屬銹蝕中期。

表3 主要鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性評價表

4 結(jié) 語

檢測結(jié)果表明,本工程輸、泄水建筑物混凝土實測強度均達到原設計強度值,滿足現(xiàn)行設計規(guī)范的要求。溢洪道引水渠左、右導墻的內(nèi)側(cè)基本完好,泄槽邊墻普遍風化嚴重,底板上有大量裂縫。溢洪道進水渠底板、閘墩、溢流堰、泄槽底板、泄洪洞進水塔啟閉機室排架、泄洪洞進水塔塔筒、輸水洞放水塔啟閉機室排架屬未銹蝕階段;進水渠導墻、泄槽邊墻多處鋼筋銹蝕,混凝土脹裂,部分測點碳化深度接近鋼筋保護層厚度,屬銹蝕中期。由此可以確定該部分建筑物還能正常使用。但鑒于目前輸泄水建筑物部分結(jié)構(gòu)達到銹蝕中期、大量開裂,所以該部分結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

建議混凝土開裂、鋼筋銹蝕達到中期的部位要進行加固處理:對縫寬0.2 mm以上的裂縫進行封閉或者灌漿;盡可能敲掉已經(jīng)碳化的混凝土,再對混凝土表面及鋼筋表面做噴砂處理;用環(huán)氧樹脂砂漿進行斷面修復及表面覆蓋處理,再用聚氨酯類材料做表面覆蓋。

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[2]李紅彥,王立華.陜西省西安市石頭河水庫大壩結(jié)構(gòu)安全分析評價報告 [R].南京:南京水利科學研究院,2010.

[3]洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

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