淺談U型薄壁渡槽除險(xiǎn)加固技術(shù)方案以碗窯灌區(qū)峽口西干渠渡槽為例

王坤雪，吳志華，張 麗，程 霆

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.開化縣水利局，浙江 開化 324300；3.開化縣音坑鄉(xiāng)人民政府，浙江 開化 324300）

1 問題的提出

20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)水利基礎(chǔ)設(shè)施的興建，U型薄壁渡槽因其重量輕、跨度大、造價(jià)低、水流條件好、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中由于運(yùn)行管護(hù)不當(dāng)、材料老化、施工或設(shè)計(jì)存在缺陷等原因造成一定的病險(xiǎn)現(xiàn)象。受限于資金、輸水、土地政策等多種原因，大多數(shù)病險(xiǎn)渡槽無(wú)條件實(shí)施拆建。而U型薄壁渡槽因自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加固改造技術(shù)難度大，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究少，若發(fā)生連鎖倒塌事故將造成極大的損失。以碗窯灌區(qū)峽口西干渠渡槽加固改造為例，針對(duì)槽身內(nèi)外壁混凝土碳化剝落、鋼筋銹蝕、裂縫局部滲水等U型薄壁渡槽常見的病險(xiǎn)情況提出可供借鑒的除險(xiǎn)加固技術(shù)方案。

2 工程概況

碗窯灌區(qū)位于江山市，是浙江省最大的自流灌區(qū)之一。灌區(qū)以碗窯水庫(kù)、峽口水庫(kù)、白水坑水庫(kù)為龍頭，江山港及其主要支流和碗窯總干渠、峽口東西干渠等灌溉渠道為骨干，形成河流水系、河庫(kù)、庫(kù)庫(kù)、渠庫(kù)連通的長(zhǎng)藤結(jié)瓜式灌溉系統(tǒng)。峽口西干渠由峽口電站尾水渠3孔進(jìn)水閘進(jìn)水，設(shè)計(jì)引水流量12.9 m3/s，全長(zhǎng)58.5 km。

峽口西干渠王村渡槽、大悲山渡槽、賀社渡槽、壩頭渡槽、新塘邊渡槽及壇石渡槽始建于1970年，渡槽級(jí)別為4級(jí)。各渡槽單節(jié)長(zhǎng)度均為12 m，為排架式U型薄殼渡槽。槽身采用預(yù)制U型鋼絲網(wǎng)水泥薄殼結(jié)構(gòu)，材料采用R28#400砂漿；槽身支座、拉桿、邊梁采用R28#200混凝土，槽身厚度3.2～3.5 cm，鋼絲網(wǎng)保護(hù)層3.0～3.2 mm，下部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，排架柱采用R28#200混凝土，基礎(chǔ)采用混凝土矩形擴(kuò)大基礎(chǔ)。經(jīng)多年運(yùn)行，峽口西干渠各渡槽工程均暴露出一定的病險(xiǎn)問題，2017年安全鑒定主要結(jié)論為：峽口西干渠6座渡槽水力要素評(píng)定為C級(jí)，結(jié)構(gòu)安全分級(jí)中槽身安全評(píng)定為A級(jí)、排架安全評(píng)定為B級(jí)、地基基礎(chǔ)安全評(píng)定為B級(jí)。渡槽安全類別為三類渡槽，應(yīng)對(duì)渡槽進(jìn)行除險(xiǎn)加固消除隱患，確保工程安全運(yùn)行。峽口西干渠各渡槽現(xiàn)狀特征見表1。

表1 峽口西干渠各渡槽現(xiàn)狀特征表

3 存在的主要問題

根據(jù)安全鑒定結(jié)論，峽口西干渠6座渡槽主要存在以下問題：大部分槽身砂漿不同程度脫落、鋼絲網(wǎng)裸露；部分槽身接頭處止水老化、滲漏；部分槽身存有細(xì)微滲透通道；部分排架柱和橫梁砂漿剝落并鋼筋裸露或存在裂縫；鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性有影響、較大影響及失效的占被檢構(gòu)件數(shù)的70%；排架柱存在一定程度的傾斜，槽身存在一定程度的橫向偏移和縱向偏移；槽身過(guò)水?dāng)嗝娉叽绮蛔?；安全監(jiān)測(cè)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求等（見圖1～3）。

圖1 槽身縱向位移圖

圖2 槽身鋼絲網(wǎng)裸露圖

圖3 槽身偏心位移圖

4 針對(duì)渡槽缺陷的除險(xiǎn)加固方案

4.1 過(guò)水?dāng)嗝娌蛔?/h3>

針對(duì)槽身過(guò)水?dāng)嗝娌粷M足安全加高的要求，對(duì)渡槽進(jìn)行降低流量運(yùn)行處理；對(duì)渡槽進(jìn)口設(shè)置流量觀測(cè)計(jì)并通過(guò)信息化建設(shè)實(shí)時(shí)傳輸流量數(shù)據(jù)，保證渡槽在安全流量下運(yùn)行。

4.2 槽身位移

針對(duì)少數(shù)縱向及橫向位移較大的渡槽單元，將脫離槽墩墩帽較大的槽身進(jìn)行重新吊裝；對(duì)所有渡槽橡膠止水進(jìn)行更換，更換全部渡槽接縫處鋼板支座，渡槽進(jìn)出口設(shè)置防護(hù)設(shè)施。

4.3 槽身外壁碳化、鋼筋銹蝕及局部滲水

外壁混凝土碳化、鋼筋銹蝕以及局部滲水為U型薄壁渡槽常見病險(xiǎn)問題，可采用“基底處理+丙乳砂漿修復(fù)（2 cm）+碳纖維加固+涂層封閉”的加固方案。

（1）基底處理：由于結(jié)構(gòu)壁薄且外敷鋼絲網(wǎng)，處理技術(shù)要求采用小型電鎬、切割片、砂輪、鋼絲刷等手持電動(dòng)工具進(jìn)行鑿除、切割、打磨；建議打磨深度2 mm。須將表面松動(dòng)部位和污物處理干凈。再采用高壓淡水進(jìn)行基面沖洗，清理表面的松動(dòng)部位及污物、粉塵等，得到清潔濕潤(rùn)的新基面。

（2）丙乳砂漿修復(fù)（2 cm）：丙乳水泥砂漿強(qiáng)度介于丁苯水泥砂漿和氯丁水泥砂漿之間，新老混凝土粘結(jié)性能良好，具有良好的抗碳化性能，可采用機(jī)械拌和，進(jìn)行大面積噴涂。丙乳砂漿與普通砂漿相比，極限拉伸率提高1～3倍，抗拉強(qiáng)度提高1.35～1.50倍，抗拉彈模降低，收縮小，抗裂性顯著提高，與混凝土面、老砂漿粘結(jié)強(qiáng)度提高2.0倍以上，2 d吸水率降低10倍，抗?jié)B性提高1.5倍，抗氯離子滲透能力提高8倍以上等優(yōu)異性能，能夠防止老混凝土進(jìn)一步碳化，起到延緩鋼筋銹蝕速度、抵抗剝蝕破壞的目的。丙乳砂漿材料性能參數(shù)見表2。

表2 丙乳砂漿材料性能參數(shù)表

（3）碳纖維加固：采用碳纖維加固技術(shù)是本次除險(xiǎn)加固措施中解決結(jié)構(gòu)安全問題的關(guān)鍵，可彌補(bǔ)鋼筋銹蝕造成的結(jié)構(gòu)承載力下降問題。采用高強(qiáng)度Ⅰ型單向織物、單層質(zhì)量300 g/m2的碳纖維布進(jìn)行加固。粘貼2層并按先縱后橫分層粘貼。縱向碳纖維布粘貼區(qū)域?yàn)閁渡槽底部U型區(qū)域；橫向采用間隔分布，鋪設(shè)寬度20 cm，間距50 cm，橫向附著力大于2.5 MPa，有效粘結(jié)面積大于95%。碳纖維布主要力學(xué)性能指標(biāo)見表3。

表3 碳纖維布主要力學(xué)性能指標(biāo)表

粘貼纖維布對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修復(fù)時(shí)宜采用配套的膠粘劑。膠粘劑分為底膠、找平膠和粘貼膠，主要力學(xué)性能指標(biāo)見表4～5。

表4 底膠、找平膠的主要力學(xué)性能指標(biāo)表

表5 粘貼膠的主要力學(xué)性能指標(biāo)表

（4）涂層保護(hù)：對(duì)碳纖維加固后進(jìn)行耐老化保護(hù)，提高耐久年限并可達(dá)到一定的外觀要求，在最后1層碳纖維布表面涂刷環(huán)氧封閉底漆1層50 um，環(huán)氧云鐵中間漆1層120 um，配套面漆1層70 um，總厚度240 um。

4.4 槽身內(nèi)壁局部腐蝕

針對(duì)渡槽內(nèi)壁出現(xiàn)局部腐蝕的問題采用“基底處理+丙乳砂漿修補(bǔ)（1 cm）+涂層保護(hù)”的加固措施。除丙乳砂漿厚度不同外，其加固方法與槽身外壁相同。槽身內(nèi)壁、外壁加固方案見圖5。

圖5 槽身內(nèi)壁、外壁加固方案圖 單位：cm

4.5 下部支撐結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固

渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固采用“鑿除破損區(qū)域混凝土1 cm+露筋區(qū)域除銹+清洗混凝土界面+丙乳砂漿修補(bǔ)+間隔布置碳纖維布+涂層封閉”的加固方案。

（1）鑿除混凝土。對(duì)于出現(xiàn)銹跡、裂縫、脫空、層裂、空鼓以及龜裂等現(xiàn)象的混凝土須全部鑿除，必要時(shí)可擴(kuò)大鑿除范圍。范圍上應(yīng)鑿除混凝土至兩端各露出5 cm以上的未銹鋼筋段。鑿除后必須徹底清除已松動(dòng)的混凝土或砂石等，并用淡水清洗處理。

（2）鋼筋補(bǔ)強(qiáng)、除銹。鋼筋銹斷或鋼筋截面損失大于20%以上時(shí)，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)補(bǔ)強(qiáng)的主筋，用同徑同質(zhì)的鋼筋搭焊，控制雙面焊接搭接長(zhǎng)度≥5 d（d為鋼筋直徑），單面焊接搭接長(zhǎng)度≥10 d。需全面換筋補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)采取交叉更換方式，即先換1#、3#、5#筋，再換2#、 4#、6#筋，同時(shí)須保證卸載作業(yè)。對(duì)已出現(xiàn)腐蝕的鋼筋，需要除銹。除銹可采用機(jī)械與人工配合的方法；機(jī)械除銹采用電動(dòng)砂輪機(jī)，用鋼絲輪代替砂輪。

（3）人工壓抹丙乳砂漿。要求砂漿密實(shí)均勻，表面平整，無(wú)任何裂縫及空鼓現(xiàn)象。

（4）碳纖維布鋪設(shè)。采用高強(qiáng)度I型單向織物、單層重量300 g/m2的碳纖維布加固，碳纖維布間隔布置，單片纖維布寬20 cm，間隔20 cm，鋪設(shè)方式見圖6。

圖6 碳纖維布鋪設(shè)加固方案圖 單位：cm

（5）涂層封閉保護(hù)同外壁加固方法。

4.6 渡槽連鎖倒塌加固

峽口西干渠渡槽除險(xiǎn)加固中針對(duì)跨越公路或存在車輛碰撞隱患的渡槽單元，設(shè)置C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)圍合防撞墩加固，墩厚0.5 m，墩高1.5 m，圍合區(qū)域采用土方回填并種植綠化；對(duì)于其余的渡槽單元每間隔5跨設(shè)置C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加強(qiáng)墩，從基礎(chǔ)底部加強(qiáng)至排架底部第一根橫梁處，加強(qiáng)墩范圍內(nèi)的渡槽基礎(chǔ)、排架表面須清洗后布置插筋與加強(qiáng)墩連接以增加排架整體剛度，防止槽身脫落發(fā)生渡槽連鎖倒塌事故。渡槽結(jié)構(gòu)加強(qiáng)墩加固方案見圖7。

圖7 渡槽結(jié)構(gòu)加強(qiáng)墩加固方案圖 單位：cm

4.7 槽身、排架、橫梁的表面裂縫處理

對(duì)于表面縫寬≤0.2 mm的裂縫進(jìn)行表面封堵處理，對(duì)于表面縫寬＞0.2 mm的裂縫需進(jìn)行灌漿處理后進(jìn)行封堵處理。

4.7.1 表面封堵處理

對(duì)表面裂縫處進(jìn)行打磨（或灌漿處理）后，高壓水槍沖洗并涂刷2道Ⅱ型柔性防水涂料；防水涂料主要成分為優(yōu)質(zhì)改性丙烯酸酯共聚乳液及高分子聚合物改性水泥基防水灰漿。封閉表層裂縫后噴涂丙乳砂漿。

4.7.2 灌漿處理

（1）清理縫面：對(duì)裂縫表面進(jìn)行打磨清理，清理寬度為裂縫兩側(cè)各10 cm；壓縮空氣進(jìn)行裂縫串通情況檢查，并吹除縫內(nèi)的污物和積水。

（2）布置灌漿盒：沿裂縫方向布置，間距宜控制在20～30 cm。

（3）封縫處理：采用環(huán)氧膠泥封閉縫口并檢查密實(shí)情況，保證灌漿時(shí)不漏漿。

（4）灌漿：灌漿材料采用環(huán)氧樹脂漿材，利用灌漿泵、灌漿管及灌漿盒進(jìn)行灌漿。灌漿壓力控制在0.5～0.6 MPa。逐縫順序進(jìn)行灌注，使?jié){液充分填充整個(gè)縫面。至標(biāo)準(zhǔn)灌漿壓力下不再有漿液灌入時(shí)，繼續(xù)灌注5 min后停止。

（5）縫面封閉：灌漿結(jié)束24 h后清除縫面臨時(shí)封縫材料，并對(duì)裂縫及裂縫兩側(cè)15 cm基面進(jìn)行清理，要求打磨平整，清除浮塵并保持干燥。

（6）質(zhì)量檢查：可用單點(diǎn)法壓水試驗(yàn)，壓水檢查壓力為灌漿壓力的80%且不小于0.4 MPa，持續(xù)壓水5 min縫面不滲水為合格。

5 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)大多數(shù)病險(xiǎn)渡槽受限于資金、輸水、土地政策等多種原因沒有條件實(shí)施拆建，大型U型薄壁渡槽加固改造技術(shù)措施尚欠缺相對(duì)成熟的技術(shù)路線。本文以碗窯灌區(qū)峽口西干渠渡槽加固改造為例，提出可供借鑒的U型薄壁渡槽除險(xiǎn)加固技術(shù)措施及技術(shù)要點(diǎn)。工程除險(xiǎn)加固后經(jīng)過(guò)通水運(yùn)行觀察，相關(guān)病險(xiǎn)得到有效的處理，取得良好效果。