黑河輸水渠道高冠渡槽的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及安全評(píng)價(jià)

孫宇飛，劉曉靜，歐婭玲，何 勇，曹郎郎

（1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710043；2.西安水務(wù)（集團(tuán)）黑河輸水渠道管理有限公司,陜西 西安 710061）

0 引言

高冠渡槽建成于1997年,主要用于市政輸送水工程,位于西安市長(zhǎng)安區(qū),全長(zhǎng)53.98 m。采用比降1/1000,過(guò)水?dāng)嗝鎸?.7 m,高3.0 m,設(shè)計(jì)水深2.5 m。渡槽為4 跨結(jié)構(gòu)（每跨槽箱長(zhǎng)15 m）,槽箱斷面尺寸3.40 m×3.55 m,箱體下部支承形式是漿砌石墩,水頭損失為0.087 m。為保持渡槽與暗渠的水面平順銜接,渡槽底板設(shè)計(jì)高程較暗渠箱涵抬高0.45 m。

高冠渡槽是黑河輸水渠道的重要輸水建筑物,為了防止河水沖刷對(duì)其造成損害,采用石頭鋼筋籠對(duì)位于河道中的支墩做加固處理。隨著運(yùn)行年份的增加,上述加固設(shè)施存在不同程度的位移、且槽體與墩頂交接處存在滲水情況。為保證渡槽的安全運(yùn)行,需對(duì)渡槽進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及安全評(píng)價(jià)分析。

對(duì)于已投入運(yùn)營(yíng)的水工隧洞,主要運(yùn)用人工普查、分析監(jiān)測(cè)檢查資料和對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析等方法對(duì)隧洞進(jìn)行安全評(píng)價(jià)[1]。范秦軍等通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、復(fù)核計(jì)算分析,對(duì)南方某渡槽開(kāi)展了安全評(píng)價(jià),具有一定的說(shuō)服力[2]。傳統(tǒng)水工建筑物的缺陷檢測(cè),首先采用人工普查法,發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行記錄,重要缺陷在現(xiàn)場(chǎng)做出標(biāo)記,為獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果,可進(jìn)行必要的無(wú)損檢測(cè)和鉆芯取樣驗(yàn)證[1]。其中,超聲波法作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),操作簡(jiǎn)單、方便,能很好地彌補(bǔ)鉆芯檢測(cè)范圍小及給結(jié)構(gòu)造成二次損傷的不足[3-4]。針對(duì)水工隧洞檢測(cè)的不同內(nèi)容,可采取不同的檢測(cè)方法。高玉鵬將超聲波平測(cè)法應(yīng)用到混凝土裂縫檢測(cè)工作中,顯著提升了檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性[5]。朱新民綜合運(yùn)用高分辨率的紅外熱成像儀、高精度三維激光掃描、輔以測(cè)距儀和數(shù)字地質(zhì)雷達(dá),精確地檢測(cè)了長(zhǎng)距離輸水隧洞的多種病害和缺陷[6]。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、混凝土裂縫深度檢查、混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè),混凝土鋼筋銹蝕檢測(cè)、復(fù)核計(jì)算分析等,對(duì)高冠渡槽工程運(yùn)行過(guò)程中存在的隱患風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí),綜合現(xiàn)狀調(diào)查以及現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)分析手段,對(duì)高冠渡槽的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法技術(shù)

1.1 檢測(cè)內(nèi)容

本次檢測(cè)是在不停水的情況下進(jìn)行,不能進(jìn)入到渠道內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)。主要檢測(cè)項(xiàng)目包括：混凝土外觀質(zhì)量檢查、裂縫檢測(cè)、回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)、鋼筋銹蝕檢測(cè)。

1.2 檢測(cè)方法

檢測(cè)方法為：（1）采用鋼卷尺、鋼直尺、100 倍讀數(shù)顯微鏡和NM-4A 型非金屬超聲檢測(cè)分析儀（檢測(cè)混凝土裂縫深度）對(duì)渡槽的混凝土裂縫進(jìn)行檢測(cè)；（2）采用回彈儀對(duì)渡槽的混凝土進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè),并在有代表性的區(qū)域檢測(cè)混凝土碳化深度；（3）采用鋼筋位置測(cè)定儀對(duì)渡槽的鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測(cè)；（4）采用鋼筋銹蝕測(cè)試儀對(duì)渡槽的鋼筋銹蝕情況進(jìn)行檢測(cè)。

2 高冠渡槽現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果及分析

2.1 外觀及裂縫檢測(cè)

采用NM-4A 型非金屬超聲檢測(cè)分析儀對(duì)渡槽的混凝土裂縫進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)過(guò)程見(jiàn)圖1~圖2,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高冠渡槽裂縫檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖1 1#裂縫

圖2 裂縫檢測(cè)

本次檢查發(fā)現(xiàn)槽體底面多處裂縫,混凝土護(hù)欄局部破損、鋼筋銹蝕嚴(yán)重,連接沉降縫填充物有老化脫落、開(kāi)裂現(xiàn)象,支墩防護(hù)被河水沖刷,均有移位現(xiàn)象,墩頂槽體處均有滲水現(xiàn)象。

2.2 回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度

高冠渡槽混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為250#,對(duì)應(yīng)現(xiàn)行強(qiáng)度等級(jí)為C23。高冠溝渡槽竣工時(shí)間為1996年,混凝土齡期大約為9000 余天,按照《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50292-2015）中規(guī)定,回彈換算值齡期修正系數(shù)取0.92。

本次高冠渡槽共回彈檢測(cè)50 個(gè)測(cè)區(qū),構(gòu)筑物強(qiáng)度換算平均值為43.0 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為1.88 MPa,構(gòu)筑物強(qiáng)度推定值為39.9 MPa,達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的173.5%?；炷撂蓟疃绕骄禐?.0 mm,碳化分類為A 類。

本次回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2,檢測(cè)過(guò)程見(jiàn)圖3 ～圖5。

表2 回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)表

圖3 回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4 混凝土碳化深度檢測(cè)

圖5 混凝土碳化深度檢測(cè)

2.3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

根據(jù)GB 50204-2015 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,板類構(gòu)件中,鋼筋保護(hù)層厚度允許偏差為+8 mm、-5 mm,設(shè)計(jì)中要求底板厚度為40 mm,側(cè)板厚度為30 mm。本次高冠渡槽鋼筋保護(hù)層厚度共抽檢4 個(gè)部位,每個(gè)部位檢測(cè)6 根鋼筋,共檢測(cè)24 個(gè)測(cè)點(diǎn),其中合格測(cè)點(diǎn)23 個(gè),合格率為95.8%,滿足規(guī)范要求。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3,表中黑體加粗的數(shù)字為不合格點(diǎn)位,檢測(cè)過(guò)程見(jiàn)圖6。

表3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表4 高冠渡槽混凝土鋼筋銹蝕匯總表

圖6 鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)

2.4 混凝土鋼筋銹蝕檢測(cè)

本次高冠渡槽混凝土鋼筋銹蝕檢測(cè),通過(guò)觀察選取了三個(gè)可能發(fā)生銹蝕的區(qū)域,每個(gè)測(cè)區(qū)檢測(cè)20 個(gè)測(cè)點(diǎn),檢測(cè)數(shù)據(jù)分別以等值線圖的形式表示,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖7~圖9。通過(guò)鋼筋銹蝕檢測(cè)數(shù)據(jù)分析,三跨左側(cè)銹蝕概率大于95%的測(cè)點(diǎn)0個(gè),銹蝕概率50%的測(cè)點(diǎn)6個(gè),銹蝕概率小于5%的測(cè)點(diǎn)54個(gè)。由以上檢測(cè)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘可知,高冠渡槽第三跨左側(cè)所檢區(qū)域鋼筋銹蝕概率較小。

圖7 第三跨左側(cè)（1#測(cè)區(qū)）鋼筋銹蝕檢測(cè)等值線圖

圖8 第三跨左側(cè)（2#測(cè)區(qū)）鋼筋銹蝕檢測(cè)等值線圖

圖9 第三跨左側(cè)（3#測(cè)區(qū)）鋼筋銹蝕檢測(cè)等值線圖

3 復(fù)核計(jì)算分析

3.1 槽下凈空復(fù)核

結(jié)合渡槽實(shí)際情況,復(fù)核渡槽槽下凈空,并按《渡槽安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（T/CHES 22-2018）標(biāo)準(zhǔn)分級(jí),高冠渡槽的槽下凈空滿足過(guò)水要求,評(píng)定為A 級(jí)。

3.2 槽身過(guò)流能力復(fù)核

槽身的凈寬B 和凈深H 應(yīng)一起考慮,即通過(guò)考慮深寬比H/B 來(lái)擬定（對(duì)于矩形槽一般取H/B=0.6~0.8）,根據(jù)擬定的i、B 和H,運(yùn)用公式計(jì)算所得的流量等于或略大于最大流量Qm時(shí),則擬定的i、B 和H 可行。

渡槽的過(guò)水流量可按明渠均勻流公式計(jì)算：

式中：Q 為渡槽的過(guò)水流量；為渡槽過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；C 為謝才系數(shù),常用曼寧；n 為糙率系數(shù),鋼筋混凝土槽身可取n ≥0.017,根據(jù)具體情況而定；R 為水力半徑,m；i 為渡槽縱坡。

根據(jù)竣工資料,渠道底寬b=3.100 m；渠道邊坡的糙率n=0.01400。

經(jīng)過(guò)復(fù)核計(jì)算,過(guò)水深度為1.336 m,距離頂部?jī)艨諠M足《渡槽安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（T/CHES 22-2018）要求,其等級(jí)評(píng)為A 級(jí)。

3.3 結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

3.3.1 計(jì)算模型

選取平面有限元方法進(jìn)行,槽身、墩帽、槽墩及其基礎(chǔ)均采用三維整體計(jì)算模型,見(jiàn)圖10。

圖10 高冠渡槽空間分析計(jì)算模型

3.3.2 計(jì)算工況與計(jì)算參數(shù)

計(jì)算時(shí)考慮的荷載有：（a）槽箱、墩帽、墩柱及基礎(chǔ)自重；（b）二期荷載；（c）水重；（d）風(fēng)載荷；（e）整體升溫及降溫；（f）人群荷載 。渡槽計(jì)算工況見(jiàn)表5。

表5 渡槽計(jì)算工況

3.3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

高冠渡槽共4 跨,跨度均為15 m,由250#混凝土現(xiàn)澆而成的鋼筋混土結(jié)構(gòu)。槽體為簡(jiǎn)支渡槽,其與下部橋墩采用板式橡支座連接?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中,所檢構(gòu)件強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)值,在模型計(jì)算時(shí)均按照設(shè)計(jì)時(shí)材料強(qiáng)度取值,即：250#混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9 MPa,軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa；鋼筋為HPB235,軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為210 MPa。

按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果,建立有限元模型,對(duì)計(jì)算跨中附近截面、支座附近截面各工況承載能力極限狀態(tài)下進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算以及對(duì)正常使用極限狀態(tài)下跨中彎矩進(jìn)行計(jì)算；對(duì)槽身正截面抗彎承載力以及槽身斜截面受剪承載力復(fù)核計(jì)算；對(duì)槽身抗滑穩(wěn)定以及槽身抗傾覆穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

經(jīng)建模分析計(jì)算,高冠渡槽槽身構(gòu)件縱向計(jì)算的正截面抗彎承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力中截面滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力中截面滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.1,滿足規(guī)范要求；槽身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為50.6,滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論與建議

（1）高冠渡槽的安全性綜合評(píng)定結(jié)果為二類,工程存在一定損壞或缺陷,所檢指標(biāo)基本符合規(guī)范規(guī)定,能夠滿足使用要求。

（2）依據(jù)國(guó)家行業(yè)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范,綜合現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果,對(duì)高冠渡槽的質(zhì)量等級(jí)評(píng)定為B 級(jí)。

（3）對(duì)本次檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的主體結(jié)構(gòu)混凝土缺陷、鋼筋銹蝕等問(wèn)題應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。

（4）對(duì)發(fā)現(xiàn)的D 類裂縫應(yīng)進(jìn)行化學(xué)灌漿處理,建議采用環(huán)氧基灌漿材料灌縫,表層采用環(huán)氧膠泥或玻璃絲布上刷環(huán)氧樹(shù)脂等方式封閉。