某船閘底板裂縫成因與修復(fù)加固方案研究

盧達(dá)聰,呂政宏,朱衛(wèi)國,陸遠(yuǎn)文

(廣西交通設(shè)計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

某船閘按Ⅲ級船閘建設(shè),最大通航標(biāo)準(zhǔn)為通航一列1頂2×1 000噸級頂推船隊。船閘設(shè)計最大水頭為15.5 m,閘室有效尺度為190 m×12 m×3.5 m(長度×寬度×門檻水深),輸水系統(tǒng)采用閘墻長廊道側(cè)向短支孔出水的分散輸水型式。船閘閘室段長177 m,采用整體式結(jié)構(gòu)(圖1),縱向沿船閘軸線分為11段。閘墻后回填礫卵石。

圖1 閘室11#結(jié)構(gòu)段剖面圖(m)

該船閘自建成通航以來已安全運行十余年,在近期的大修檢查中發(fā)現(xiàn)閘室11#結(jié)構(gòu)段底板有多道持續(xù)冒水的貫穿性裂縫。本文對裂縫產(chǎn)生的原因進行分析,并研究提出裂縫的修復(fù)加固方案。

1 閘室底板裂縫概況

在2021年2～3月對船閘抽水檢修期間,發(fā)現(xiàn)閘室與下閘首相鄰的11#結(jié)構(gòu)段(長22.5 m)底板出現(xiàn)多條裂縫,裂縫走向與軸線基本平行,從與閘室10#段分縫開始向下閘首方向延伸,最長約10 m,縫寬約1 mm,裂縫距閘室左閘墻前沿水平距離約1.5 m,裂縫持續(xù)冒水,總滲水量約2 L/s。根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定[1],船閘主體的閘室結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)缺陷,技術(shù)狀態(tài)等級為“三級”(較差),其運行維護要求為“控制運行,加強保養(yǎng),并列入修理計劃進行修復(fù)”,故需要在本次檢修中對閘室11#段底板裂縫進行修復(fù)加固。

2 裂縫產(chǎn)生的原因分析

水工建筑物裂縫按形成原因一般可分為:沉降裂縫、塑性收縮裂縫、溫度裂縫[2]。結(jié)合該船閘現(xiàn)場檢查情況、工程地質(zhì)勘察成果[3]和船閘施工圖設(shè)計文件[4]等資料,對閘室11#段底板裂縫的原因分析如下:

(1)工程地質(zhì)條件。船閘區(qū)域地層分布主要有:第四系河流沖積堆積、殘坡積物層,第三系始新統(tǒng)砂、泥巖,三迭系中統(tǒng)砂、泥巖及二迭系下統(tǒng)灰?guī)r。船閘區(qū)建基面地層巖性:上閘首主要為弱風(fēng)化泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,局部裂隙較發(fā)育;閘室為弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、泥巖,局部為粉砂巖,局部裂隙較發(fā)育;閘室地基巖體14.1%左右為較硬的粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,而85.9%左右為較軟的粉砂質(zhì)泥巖及泥巖。閘室近下閘首段和下閘首原設(shè)計建基面處于斷層錯動帶上,基底泥巖破碎,裂隙很發(fā)育,深挖處理后基底主要為弱風(fēng)化泥巖。船閘段發(fā)育有3條小斷層,施工時已采取開挖清除、降低建基面、回填同強度混凝土等工程措施。除上閘首外,閘室和下閘首段未進行基礎(chǔ)固結(jié)灌漿處理。從地質(zhì)條件分析,閘室特別是近下閘首段工程地質(zhì)條件較差,雖然在施工時采取了一定的工程處理措施,但斷層錯動帶構(gòu)造裂隙相對發(fā)育,左右兩側(cè)基底巖性差異引起的巖體承載力和變形模量不均一,為底板開裂留下了隱患。

(2)基礎(chǔ)不均勻沉降。與上述工程地質(zhì)條件相對應(yīng),閘室第9#、10#、11#結(jié)構(gòu)段基礎(chǔ)有一條小斷層經(jīng)過(下頁圖2),施工時已對斷層進行挖除回填混凝土處理。閘室段粉砂巖和泥巖互層及巖面裂隙發(fā)育范圍大,施工時難以對斷層徹底挖除,基礎(chǔ)固結(jié)灌漿范圍也不夠,工程運行后滲水使基巖軟化,加上基礎(chǔ)巖石的彈性模量存在差異,導(dǎo)致閘室段基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降,閘室結(jié)構(gòu)局部受力狀態(tài)發(fā)生一定程度的變化。

圖2 船閘建基面地質(zhì)平面圖(竣工圖局部)

現(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)裂縫附近有舊裂縫處理痕跡,查閱原施工資料,有閘室11#結(jié)構(gòu)段底板在施工期曾出現(xiàn)裂縫并進行處理的記錄。推斷船閘運行后受基礎(chǔ)不均勻沉降發(fā)展和閘室反復(fù)沖泄水影響,閘室底板薄弱處新裂縫產(chǎn)生、發(fā)展,從而導(dǎo)致閘室底板形成貫穿性裂縫。

(3)大體積混凝土溫度應(yīng)力作用。閘室11#結(jié)構(gòu)段底板設(shè)計厚度為5.5 m,為大體積混凝土結(jié)構(gòu),設(shè)計要求分4層澆筑。但該結(jié)構(gòu)段底板混凝土主要在2006年4～6月施工,氣溫較高,混凝土澆筑后,水泥水化熱使內(nèi)部溫度上升較快,此時混凝土彈性模量較小,徐變較大,升溫引起的壓應(yīng)力不大,但在后期溫度逐漸降低時,彈性模量較大,徐變較小,在基礎(chǔ)約束條件下會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。由于閘室底板主要在表面配置受力鋼筋,大體積混凝土含鋼率低,溫度應(yīng)力主要由混凝土來承擔(dān),導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫,與前述因素疊加后促使裂縫進一步發(fā)展。

3 修復(fù)加固方案研究

根據(jù)現(xiàn)場檢查和船閘臨河側(cè)結(jié)構(gòu)水下探摸掌握的情況,船閘主體水工建筑物外觀無明顯變形、開裂,船閘兩側(cè)填土頂面和坡面也無塌陷、隆起等現(xiàn)象,河側(cè)坡腳擋墻(外側(cè)為水電站尾水渠)等未發(fā)現(xiàn)明顯的變形、變位及損壞,也沒有基礎(chǔ)被沖刷、淘蝕現(xiàn)象。從安全監(jiān)測資料分析,船閘沉降已逐漸趨穩(wěn)。按分離式閘室結(jié)構(gòu)對閘室11#結(jié)構(gòu)段左閘墻進行穩(wěn)定性和承載力復(fù)核,閘室11#結(jié)構(gòu)段左閘墻的抗滑、抗傾承載力可滿足規(guī)范要求,但基底應(yīng)力大于地基承載力。綜合船閘現(xiàn)狀、裂縫成因分析及閘墻復(fù)核計算成果,認(rèn)為目前閘室11#結(jié)構(gòu)段底板主要依靠底板鋼筋維系結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,為確保結(jié)構(gòu)安全,需要盡快組織實施修復(fù)工程。經(jīng)研究,主要考慮采取對閘室結(jié)構(gòu)影響小、工期短、易實施、針對性強的綜合修復(fù)加固方案,具體為:

(1)對閘室11#結(jié)構(gòu)段及鄰近范圍進行基礎(chǔ)固結(jié)灌漿加固。針對建基面存在小斷層,基巖局部裂隙發(fā)育的情況,為不影響閘室整體性,擬沿閘室9#～10#、10#～11#、11#～下閘首結(jié)構(gòu)段伸縮縫貼邊布置灌漿孔,對閘室底板進行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿深度為閘室底板以下5 m,灌漿壓力為0.3～0.5 MPa,灌漿材料為42.5普通硅酸鹽水泥,采用柔性環(huán)氧樹脂材料封孔。

(2)底板裂縫灌漿修補和裂縫處基礎(chǔ)面空隙灌漿填充。通過鉆孔對裂縫進行內(nèi)部灌漿修補處理[5-6]。鑿除裂縫表層混凝土,沿裂縫在鋼筋網(wǎng)中間布置灌漿孔并盡量布置在裂縫較寬或漏水較大處,其中兩孔鉆至底板底高程以下3.5 m。利用穿透底板的灌漿孔對裂縫處底板基礎(chǔ)進行水泥固結(jié)灌漿,填充基礎(chǔ)面小空隙,然后對裂縫進行環(huán)氧樹脂灌漿,修復(fù)裂縫及保護鋼筋。

(3)增設(shè)底板裂縫騎縫鋼筋。為提高底板結(jié)構(gòu)承載能力,鑿除11#閘室底板裂縫周圍面層混凝土,沿裂縫植斜筋加固,植筋與原有底板鋼筋牢固焊接(圖3)。

圖3 11#閘室加強鋼筋布置圖(m)

4 實施情況及效果

按上述修復(fù)加固方案開展設(shè)計并組織實施。在進行閘室底板固結(jié)灌漿施工期間,10#～11#結(jié)構(gòu)段伸縮縫的灌漿孔出現(xiàn)串漿現(xiàn)象,且灌漿孔的吸漿率超出設(shè)計值較多。經(jīng)分析,閘室11#段底板混凝土與基巖接觸面之間存在較大空隙,灌漿孔間有通道連通。故新增工程處理措施為:在閘室11#段兩側(cè)輸水廊道內(nèi)和兩側(cè)閘墻外側(cè)對閘墻基礎(chǔ)增加填充水泥灌漿(圖4),填充基底空隙和提高基礎(chǔ)的整體性,灌漿范圍為11#段底板以下1～5 m。

圖4 11#閘室灌漿布置圖(m)

修復(fù)加固實施竣工后,經(jīng)檢查和觀測,處理效果較好,閘室11#段底板裂縫已不再滲水,閘室充水運行后變形監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,結(jié)構(gòu)已穩(wěn)定正常。

5 結(jié)語

該船閘主體建筑物建基面巖體為弱風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖,承載力較低,且有斷層經(jīng)過,工程地質(zhì)條件較差;疊加基礎(chǔ)不均勻沉降和大體積混凝土溫度應(yīng)力作用等因素,使整體式閘室結(jié)構(gòu)的底板局部出現(xiàn)了貫穿性裂縫。經(jīng)研究,本文提出了增加基礎(chǔ)固結(jié)灌漿、裂縫灌漿修補和基礎(chǔ)灌漿填充、增設(shè)裂縫騎縫鋼筋的針對性綜合修復(fù)加固方案,經(jīng)組織實施后效果良好,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。本文所提出的修復(fù)加固方案可為以軟巖為基礎(chǔ)受力層的船閘設(shè)計或缺陷處理提供借鑒和參考。