渡槽的病害與加固方法綜述

唐衛(wèi)國(guó),唐 楊2 ,田俊國(guó)

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司五峰縣供電公司，湖北 宜昌 443413；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

1 引 言

渡槽又稱輸水渠、水運(yùn)橋[1]，是一種輸送水流跨越洼地、山谷的架空水槽，也是區(qū)別于公路橋、鐵路橋、人行橋、管線橋中較為特殊的一種橋梁結(jié)構(gòu)。某水電站修建引水渠為了跨越山谷中的河流而修建渡槽，如圖1所示。20世紀(jì)50～70年代，為了農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電而修建了大量的渡槽，由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件差、施工技術(shù)落后、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足以及管理養(yǎng)護(hù)不到位[2]，渡槽經(jīng)過數(shù)十年的運(yùn)行，部分出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的病害，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

圖1 渡槽

本文針對(duì)目前渡槽的實(shí)際狀況，對(duì)渡槽的病害形式和主要的病害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行梳理，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)總結(jié)歸納渡槽的加固維修方法，為今后渡槽的維修加固提供參考。

2 渡槽的病害形式及產(chǎn)生機(jī)理

2.1 渡槽病害的表現(xiàn)形式

渡槽的病害主要表現(xiàn)為混凝土剝落、滲水、鋼筋銹蝕等，具體到渡槽的不同構(gòu)件上主要有以下幾種表現(xiàn)形式。

(1)槽身混凝土表面混凝土碳化嚴(yán)重，混凝土保護(hù)層厚度下降，碳化深度甚至超過混凝土保護(hù)層厚度。

(2)槽身鋼筋裸露，銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致鋼筋有效截面下降。

(3)槽身承載能力偏低，槽身出現(xiàn)多處裂紋，甚至出現(xiàn)貫穿裂縫，漏水滲水嚴(yán)重，影響渡槽的輸水能力。

(4)由于預(yù)應(yīng)力管道內(nèi)部壓漿不密實(shí)，管內(nèi)有積水，冰凍膨脹造成槽身豎墻出現(xiàn)空鼓裂紋[3]。

(5)渡槽內(nèi)部混凝土凍融剝蝕，同時(shí)水流沖刷表層混凝土磨損和剝落。處于風(fēng)日多、氣候干燥地帶的渡槽，混凝土風(fēng)蝕嚴(yán)重。

(6)混凝土排架柱出現(xiàn)裂紋，鋼筋外露，同時(shí)表面碳化嚴(yán)重。

(7)伸縮縫止水失效，水泥砂漿等剛性伸縮縫填料在溫度變化作用下已被壓碎，或者止水橡皮條年久老化，從而導(dǎo)致伸縮縫位置嚴(yán)重漏水。

(8)渡槽的墩柱出現(xiàn)不均勻沉降，可能伴有水平位移，且有進(jìn)一步沉降甚至傾覆的風(fēng)險(xiǎn)，槽身同時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏移、錯(cuò)位。墩柱基礎(chǔ)由于未落到基巖上而是建立在軟弱層地基上，基礎(chǔ)迎水面被流水沖刷嚴(yán)重。

(9)漿砌塊石的渡槽槽墩可能出現(xiàn)塊石裂縫，甚至斷裂，砌石勾縫砂漿脫落。

(10)渡槽采用拱橋結(jié)構(gòu)形式時(shí)，拱肋集中力作用下墩帽混凝土碎裂。對(duì)于混凝土斜拉渡槽，斜拉索PE開裂、局部破損、鋼絲銹蝕[4]。

2.2 病害產(chǎn)生機(jī)理

渡槽病害的產(chǎn)生通常從混凝土開裂產(chǎn)生裂縫開始，裂縫產(chǎn)生之后必然導(dǎo)致渡槽滲水、鋼筋銹蝕，而渡槽滲水、鋼筋銹蝕又能加速裂縫擴(kuò)展的速度，這種惡性循環(huán)將導(dǎo)致渡槽的輸水能力和承載能力逐漸下降，最終導(dǎo)致渡槽的破壞。渡槽混凝土裂縫的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)方面的原因，第一為結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大引起的裂縫，這可能是由于施工技術(shù)不到位和設(shè)計(jì)考慮欠缺引起；第二為混凝土材料本身的耐久性能差，主要體現(xiàn)在混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、混凝土的碳化以及堿-骨料反應(yīng)[5]。除了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫導(dǎo)致的滲水以外，伸縮縫止水材料破壞或者失效也是造成渡槽滲水的重要原因。

沈陽(yáng)市張沙布渡槽[6]在設(shè)計(jì)過程中由于沒有考慮地基凍脹力的作用而導(dǎo)致排架柱產(chǎn)生裂縫，通過計(jì)算在不考慮凍脹力作用下，結(jié)構(gòu)的受力滿足規(guī)范要求，考慮凍脹力作用后，結(jié)構(gòu)承載能力不足。山西禹門口灌區(qū)的14座渡槽經(jīng)過檢測(cè)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)渡槽槽身和排架柱的混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)不足，不能滿足現(xiàn)行耐久性規(guī)范的要求[7]。

除了設(shè)計(jì)缺陷以外，施工水平不高、檢測(cè)技術(shù)有限也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)埋下極大的安全隱患。河北放水河渡槽的槽身為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，施工中設(shè)置冷水管進(jìn)行溫控，進(jìn)入冬季后由于冷水管未排水引起凍脹，造成槽身局部開裂。這完全是由于施工組織不當(dāng)造成的，在冬季施工中應(yīng)當(dāng)注意冷水管中的水是否排干凈，或者對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件采取保溫措施防止冰凍的發(fā)生[8]。對(duì)于20世紀(jì)70年代到90年代修建的渡槽，很多均由個(gè)體施工隊(duì)完成建造，施工技術(shù)良莠不齊，導(dǎo)致部分渡槽施工質(zhì)量差，主要表現(xiàn)為施工放樣誤差大、混凝土澆筑不密實(shí)等等，這樣渡槽的耐久性很難經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)[9]?，F(xiàn)在的施工需要對(duì)建筑材料進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，而很多渡槽由于修建時(shí)間較早，當(dāng)時(shí)對(duì)建筑材料的檢測(cè)技術(shù)有限，沙子、礫石中存在的有害物質(zhì)很難檢測(cè)出來(lái)[9]，同樣為渡槽的長(zhǎng)期安全運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患。

山東聊城的四河頭渡槽[10]出現(xiàn)裂縫的主要原因是混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了一定程度的堿-骨料反應(yīng)和較為嚴(yán)重的混凝土碳化問題。堿-骨料反應(yīng)是由于當(dāng)時(shí)建設(shè)渡槽時(shí)未對(duì)集料進(jìn)行專門的試驗(yàn)，集料中含有過量的無(wú)定性二氧化硅等活性集料，由于渡槽本身為通水結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁潮濕，無(wú)定性二氧化硅與水泥中的堿性氧化物(K2O，Na2O)作用，在骨料表面生成堿-硅酸凝膠，吸水后體積膨脹導(dǎo)致混凝土渡槽產(chǎn)生裂縫[5]。

四河頭渡槽在貫穿裂縫的縫端還可以觀察到白色的CaCO3。這是由于空氣中的CO2在有水存在的條件下，與水泥石中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鈣和水。

碳化的發(fā)生造成混凝土堿度下降，減弱了對(duì)鋼筋銹蝕的保護(hù)作用，使得鋼筋更容易發(fā)生銹蝕；同時(shí)碳化顯著增加了混凝土收縮，使混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生微裂縫[5]?；炷敛牧系哪途眯圆钤斐刹凵砘炷羷兾g嚴(yán)重，鋼筋外露，極易造成槽身、排架柱的局部承載能力不足。除了渡槽本身處于有水環(huán)境以外，渡槽施工中由于振搗不密實(shí)，存在蜂窩、麻面，將為CO2快速在混凝土中擴(kuò)散提供了更加快捷的通道，加速渡槽混凝土的碳化[11]。

為了避免溫度應(yīng)力過大，在渡槽的端部必須設(shè)置伸縮縫。伸縮縫的破壞主要來(lái)自三個(gè)方面，一為伸縮縫的選材不當(dāng)，比如采用水泥砂漿等剛性材料，在溫度作用下不能適應(yīng)伸縮縫的變形幅度，極易擠碎而破壞[7]；二為溫度、振動(dòng)和腐蝕等外界作用導(dǎo)致伸縮縫擴(kuò)大導(dǎo)致止水失效[12]，同時(shí)止水橡膠使用壽命僅有2～4年，沒有做到定期檢查更換[13]；三為施工時(shí)定位不準(zhǔn)確，槽身傾斜，同時(shí)槽身混凝土較薄，導(dǎo)致橡膠止水帶難以達(dá)到止水的效果[14]。

3 渡槽的維修加固方法

3.1 槽身維修加固

3.1.1槽身修補(bǔ)處理

趙山渡引水工程[12]對(duì)渡槽表面產(chǎn)生的裂縫采取環(huán)氧樹脂加固處理，工藝流程分為基礎(chǔ)面處理、配置環(huán)氧基液和裂縫處理，裂縫處理前必須打磨裂縫面和除塵，環(huán)氧基液是在60℃時(shí)融化的環(huán)氧樹脂中加入丙酮、丁二脂和乙二胺配制而成，裂縫處理除了用到環(huán)氧基液以外還要用到玻璃絲布，涂抹一層基液粘貼一層玻璃絲布，最后一層在基液上撒3mm碎石。石堡川灌區(qū)聿津河渡槽[15]在處理渡槽裂縫時(shí)同樣用到了環(huán)氧樹脂，實(shí)踐表明環(huán)氧樹脂具有高彈性、高耐久性和耐高低溫的優(yōu)良性能，在混凝土裂縫修補(bǔ)上有著廣泛的應(yīng)用。

山西禹門口灌區(qū)渡槽針對(duì)混凝土凍融剝蝕嚴(yán)重的問題采用聚合物纖維水泥砂漿處理，聚合物纖維水泥砂漿采用水泥砂漿中加入聚合物乳膠改性和纖維材料制成。工藝主要是清除剝蝕混凝土，對(duì)銹蝕鋼筋除銹，基層處理，聚合物水泥砂漿施工[7]。本溪縣東營(yíng)坊鄉(xiāng)渡槽工程中采用了類似的聚合物防水砂漿進(jìn)行渡槽的修補(bǔ)，聚合物防水砂漿采用丙乳與42.5級(jí)硅酸鹽水泥、潔凈中砂混合配制而成，實(shí)踐表明這是一種良好的混凝土防滲修補(bǔ)材料[14]。采用丙乳砂漿對(duì)混凝土剝落的處理還運(yùn)用到淠史杭灌區(qū)將軍山渡槽[16]、焦作市引沁灌區(qū)東方紅渡槽[17-18]以及濟(jì)南錦繡川灌區(qū)渡槽[19]，由此可見丙乳砂漿在在渡槽防滲修補(bǔ)方面同樣有著廣泛的應(yīng)用[20]。除了采用以上聚合物防水砂漿進(jìn)行防滲以外，在防滲砂漿修補(bǔ)之后，還可在槽身內(nèi)部貼膜處理，即采用PVC復(fù)合防滲膜，它是一種性能優(yōu)異的高分子防水材料[21-22]。在南水北調(diào)洺河渡槽[3]加固工程中，還使用了聚脲防水材料噴涂于碳纖維布之上。

對(duì)于渡槽碳化層的處理，趙山渡引水工程[12]的工藝流程為打磨處理至新混凝土層，焊接鋼絲網(wǎng)，混凝土表面涂?jī)蓪咏缑鎰?，采用M30砂漿噴漿處理。鐵中、翠花溝渡槽[23]的碳化處理與趙山渡引水工程渡槽的處理方法類似。山西禹門口灌區(qū)渡槽在防止混凝土碳化的處理上采用VAE柔性防碳化水泥涂料，基本工序?yàn)榛炷粱浊謇恚瑯?gòu)件殘缺部分補(bǔ)全、復(fù)原、全面打磨，噴涂防碳化水泥涂料，不低于1mm厚度[24-25]。淠史杭灌區(qū)將軍山渡槽[16]采用噴涂pcs防碳化柔性涂料防護(hù)，該涂料具有一定防滲、封閉混凝土空隙防止混凝土碳化的功能。

3.1.2伸縮縫止水處理

渡槽伸縮縫的止水處理方法較多，運(yùn)用的材料也較為繁雜，應(yīng)根據(jù)伸縮縫的損壞程度采用不同程度的修補(bǔ)[26]。

在趙山渡引水工程[12]中，伸縮縫的處理方法為切除原來(lái)的橡膠止水帶更換為鋼板止水帶，同時(shí)對(duì)拆除止水帶時(shí)切斷的鋼筋重新植筋，砂漿中摻入環(huán)氧樹脂作為找平層為后期防滲做準(zhǔn)備，鋼板需要刷漆防腐防銹蝕。

桐溪渡槽的伸縮縫處理時(shí)，將止水結(jié)構(gòu)內(nèi)測(cè)采用開槽、嵌填柔性材料、蓋片封閉、聚合物砂漿抹平進(jìn)行處理，外側(cè)采用縫內(nèi)嵌填柔性材料，縫面安裝鋼板支撐，防止填料脫落的方法進(jìn)行處理[27]。

本溪縣東營(yíng)坊鄉(xiāng)渡槽也對(duì)伸縮縫位置進(jìn)行了修繕，先用聚合物水泥砂漿修補(bǔ)了伸縮縫位置的混凝土破損，然后在伸縮縫內(nèi)緊貼橡膠止水帶設(shè)置注漿通道，灌注水溶性聚氨酯堵漏劑，最后用環(huán)氧樹脂加固膠粘貼鋼邊橡膠止水帶，并用不銹鋼釘錨固[14]。

3.1.3槽身加固處理

渡槽槽身的加固方法主要有貼鋼板、貼碳纖維布、貼玻璃鋼等，還有采用化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)混凝土受力性能的方法、根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)改善渡槽受力的方法，對(duì)于石砌渡槽主要采用掛網(wǎng)噴漿的辦法加固。

雷州青年運(yùn)河塘口渡槽[28]通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和有限元計(jì)算復(fù)核，發(fā)現(xiàn)槽身側(cè)壁在兩端主梁支撐部位不滿足正截面受彎承載力的要求，采用4mm厚Q235鋼板加固。鋼板加固的工藝流程為混凝土表面打磨，鋼板放樣打磨，鋼板與混凝土表面涂結(jié)構(gòu)膠，鋼板加壓粘貼固化，鋼板表面涂WSP涂料，粘粗砂，抹防水砂漿。

山西禹門口灌區(qū)渡槽采用槽身受拉區(qū)域粘貼碳纖維布進(jìn)行加固處理，碳纖維布的抗拉強(qiáng)度為鋼材的7～10倍，粘貼后與渡槽共同承受荷載，降低了鋼筋混凝土槽身的拉應(yīng)力[7]。碳纖維布在渡槽的加固同樣應(yīng)用于桐溪渡槽[27]、湖北排子河渡槽[19-30]、湖北洛河渡槽[31]、甘肅莊浪河渡槽[32]、趙山渡引水渠工程某渡槽[33]以及山東王鋪渡槽[34]。

除了鋼板加固、碳纖維布加固，還有玻璃鋼加固。玻璃鋼又稱玻璃纖維增強(qiáng)材料，它以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，以合成樹脂為膠粘劑，加入多種輔助材料，經(jīng)過一定成型工藝制作而成的復(fù)合材料[35]。玻璃鋼具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載能力，同時(shí)兼有防滲功能，在桃花江渡槽的補(bǔ)強(qiáng)加固中已經(jīng)得到應(yīng)用。

針對(duì)渡槽運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度不高，本溪縣東營(yíng)坊鄉(xiāng)渡槽工程中采用EC400起砂地面處理劑1#料，對(duì)混凝土基層進(jìn)行增強(qiáng)增硬處理，這種材料可以滲透到混凝土材料中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成致密的結(jié)晶體，使得混凝土抗壓強(qiáng)度提高40%，同時(shí)提升混凝土的抗?jié)B性和抗沖磨能力[14]。

渡槽的加固一般都在原有的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行，也有根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變的。溫州沙門渡槽[36]為了解決槽身局部應(yīng)力過大的問題，將原設(shè)計(jì)的雙懸臂支承結(jié)構(gòu)改變?yōu)?支座的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

對(duì)于某些砌石渡槽，由于年久失修，造成槽身滲水、砌石松動(dòng)，整體強(qiáng)度下降嚴(yán)重。勝利渠渡槽段采用噴射混凝土對(duì)槽身進(jìn)行加固處理，為了提高混凝土的抗裂性能，減少噴射混凝土的回彈量，槽身內(nèi)側(cè)采用掛網(wǎng)噴射混凝土[37-38]。

3.2 排架維修加固

由于排架柱為下部結(jié)構(gòu)，拆除重建幾乎不可能。沈陽(yáng)市張沙布渡槽[6]采用鑿掉混凝土腐蝕層，立模、植筋，然后重新澆筑混凝土。甘肅省莊浪河渡槽[39]將原來(lái)渡槽的4根立柱加固為一個(gè)整體的鋼筋混凝土空心截面墩。

以上加固方法增加了排架柱的截面面積而增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的承載能力，在湖南省石洞江渡槽[40]的排架加固中將原先的鋼筋混凝土框架柱加固為外包鋼-預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)，首先對(duì)原來(lái)的立柱外包鋼，然后增加桁架腹桿，同時(shí)對(duì)桁架腹桿施加預(yù)應(yīng)力。除了這種復(fù)雜的加固方式，也有簡(jiǎn)單的外包鋼板加固的方式，為了節(jié)省鋼材，在排架四個(gè)棱角采用角鋼螺栓錨固，鋼板采用條帶式，采用螺栓加壓固化的方式錨固鋼板，鋼板圍固完成后采用環(huán)氧砂漿抹面[41]。

石砌排架由于年久失修，勾縫處砂漿剝落，砌石松動(dòng)，嚴(yán)重影響排架結(jié)構(gòu)的承載能力，采用噴射混凝土的方法可以對(duì)排架進(jìn)行有效地加固[36]，噴射混凝土之前最好將失效的勾縫砂漿剔除[16]。

綜合以上排架的加固方法來(lái)看，混凝土排架主要采用加大截面面積、外包鋼板的形式加固，砌石排架主要采用噴射混凝土的形式加固。由于混凝土排架的碳化處理與槽身類似，故此不再累述。

3.3 基礎(chǔ)維修加固

甘肅的莊浪河渡槽將明挖板式擴(kuò)大基礎(chǔ)加固為樁基礎(chǔ)，對(duì)原有基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土承臺(tái)包裹，在原有基礎(chǔ)四周設(shè)置8根灌注樁，樁長(zhǎng)18m，樁底置于土質(zhì)較好的圓礫土層[39]。甘肅的四灣溝渡槽[42]采用了類似的方法對(duì)基礎(chǔ)加固，從而降低排架基礎(chǔ)的沉降量。

當(dāng)?shù)叵滤泻辛蛩猁}時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土基礎(chǔ)造成侵蝕，硫酸鹽與水泥石中的水化鋁酸鈣作用會(huì)生成高硫型水化鋁酸鈣，由于體積增大1.5倍，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力會(huì)造成水泥石開裂。景電灌區(qū)渡槽加固工程中將已經(jīng)侵蝕的混凝土基礎(chǔ)鑿掉，腐蝕的鋼筋打磨光亮，植筋后重新澆筑混凝土，混凝土需要采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥[43]。

3.4 地基處理

地基的好壞直接影響基礎(chǔ)的受力和變形，從而影響到上部結(jié)構(gòu)以至整個(gè)渡槽結(jié)構(gòu)的受力。

地基土的凍脹力對(duì)結(jié)構(gòu)的受力存在較大的影響，可以將基礎(chǔ)周圍的粉質(zhì)黏土換填為弱凍脹力的粗砂、礫石等，注意換填深度必須超過凍深，換填范圍要超過凍深的0.8倍[6]。

由于地基土質(zhì)承載能力不夠?qū)е禄A(chǔ)發(fā)生較大變形，可以采用固結(jié)灌漿的方式對(duì)地基進(jìn)行加固，灌漿材料采用普通硅酸鹽水泥[44]。

4 結(jié) 語(yǔ)

中國(guó)經(jīng)過數(shù)十年的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括渡槽在內(nèi)的許多橋梁結(jié)構(gòu)都已經(jīng)進(jìn)入老齡化，在今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間橋梁維修加固將成為熱門的研究主題。本文梳理了現(xiàn)階段渡槽結(jié)構(gòu)的主要病害以及維修加固處理方法，可以為今后渡槽結(jié)構(gòu)的維修加固設(shè)計(jì)提供的一定參考。同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有的維修加固方法，為新技術(shù)、新方法的產(chǎn)生起到一定的促進(jìn)作用。