那吉船閘水工建筑物病害分析及處理

覃仕華，韋朝勇

（廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530018）

0 引言

運(yùn)行多年的水工混凝土建筑由于長期經(jīng)受船舶碰撞、水流沖蝕、自然碳化及水質(zhì)污染等原因，大多出現(xiàn)表面剝落、磨損嚴(yán)重、墻面露筋、大面積混凝土表面碳化等劣化現(xiàn)象，當(dāng)裂縫擴(kuò)展至一定寬度，會(huì)成為水、空氣和腐蝕介質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部的通道，使混凝土力學(xué)性能下降，加劇鋼筋銹蝕程度，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全與使用壽命[1]。那吉航運(yùn)樞紐船閘工程是廣西在軟巖上建造的第一座航運(yùn)樞紐工程，其基礎(chǔ)主要為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、泥巖的弱風(fēng)化巖層，下部除了存在煤薄層、煤線層或炭質(zhì)條紋層，無其他軟弱層分布。泥巖等軟巖為廣西特有的巖類，該地層具有巖性軟弱（強(qiáng)度主要集中在15～60 MPa）、膠結(jié)性和抗沖刷性較差、水平方向相變大等特點(diǎn)[2]。那吉船閘在長期運(yùn)行過程中，病害與老化問題逐漸突出，例如工程運(yùn)行后滲水，使基巖軟化，加上基礎(chǔ)巖石的彈性模量各異，導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均沉降，改變了閘室受力結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致閘室底板出現(xiàn)開裂、漏水等病害問題。

針對(duì)水工建筑物的病害問題，前人進(jìn)行了不少研究。周棟等[3]對(duì)瀏河船閘閘室墻面豎直裂縫、沉降縫老化、縫距增大、錯(cuò)開等問題開展改性環(huán)氧裂縫灌漿、彈性密封膏嵌縫和混凝土表面丙乳砂漿等修復(fù)工作。朱岱明[4]結(jié)合蘇北運(yùn)河船閘進(jìn)行導(dǎo)航和靠船建筑物的病害原因分析，提出統(tǒng)籌調(diào)度、統(tǒng)一規(guī)劃、精細(xì)管理等綜合防治措施。祝連娣[5]結(jié)合宮山咀水庫除險(xiǎn)加固工程實(shí)例，分析總結(jié)底板基礎(chǔ)混凝土回填修復(fù)方法的技術(shù)要點(diǎn)。然而，目前仍未見針對(duì)泥巖等軟巖基礎(chǔ)水工建筑的病害分析，以及為提高其承載力而采用的修復(fù)技術(shù)和措施。

本文針對(duì)那吉船閘底板開裂、結(jié)構(gòu)縫漏水、混凝土缺失、淘空等混凝土損壞問題，分析出現(xiàn)病害的原因及其對(duì)船閘水工結(jié)構(gòu)安全的影響，并采用高壓固結(jié)灌漿等措施進(jìn)行修復(fù)，以期為其他類似水工建筑物的病害預(yù)防、維護(hù)修復(fù)提供參考和借鑒。

1 工程概況

那吉船閘位設(shè)計(jì)水頭為15.5 m，船閘為單級(jí)船閘，閘室有效尺度為190 m×12 m×3.5 m（長×寬×門檻水深），船閘上閘首、閘室、下閘首全長234 m。上閘首項(xiàng)面高程為121.50 m，閘室墻和下閘首頂面高程為118.50 m。閘首、閘室均采用整體式結(jié)構(gòu)；輸水系統(tǒng)采用分散輸水系統(tǒng)，閘墻長廊道側(cè)向短支孔出水。船閘由上、下游引航道、上閘首、下閘首及閘室組成，全長1 829.5 m。2021 年2～3 月，那吉船閘停航大修時(shí)發(fā)現(xiàn)水工建筑物存在底板開裂、結(jié)構(gòu)縫漏水、混凝土缺失、淘空等病害，由于停航時(shí)間有限，只處理了部分病害。2022 年2～3 月停航，對(duì)底板開裂、結(jié)構(gòu)縫漏水的病害進(jìn)行了全面處理。

2 船閘病害成因

2.1 水工混凝土病害表現(xiàn)形式

那吉船閘水工混凝土病害主要體現(xiàn)在船閘閘室地板出現(xiàn)縱向裂縫，輸水廊道、閘室分段部分結(jié)構(gòu)縫漏水，以及輸水廊道局部混凝土缺失等。

（1）船閘閘室11#段底板縱向裂縫。船閘閘室11#段底板出現(xiàn)縱向裂縫，縫長約16 m，裂縫距閘室左閘墻內(nèi)側(cè)水平距離約1.5 m（如圖1 所示），裂縫持續(xù)冒水，滲水量約2 L/s。

圖1 那吉船閘11閘段剖面圖及裂縫位置示意 （單位：cm）

（2）輸水廊道、閘室分段部分結(jié)構(gòu)縫漏水。輸水廊道結(jié)構(gòu)縫漏水部位有8處，最大漏水量為0.5～1 L/s，閘室部分結(jié)構(gòu)縫也存在漏水、冒水的情況。

（3）輸水廊道局部混凝土缺失。輸水廊道局部混凝土受沖刷出現(xiàn)淘空、剝落、氣蝕的情況，充泄水閥門門槽二期混凝土出現(xiàn)淘空、氣蝕等現(xiàn)象。

2.2 病害及老化原因分析

那吉船閘混凝土病害主要由溫度應(yīng)力、基礎(chǔ)不均勻沉降引發(fā)，具體原因分析如下。

（1）溫度應(yīng)力導(dǎo)致底板開裂。那吉船閘閘室從上而下共分11 個(gè)閘室結(jié)構(gòu)段，第11 閘室結(jié)構(gòu)段底板厚度達(dá)5.5 m，雖然設(shè)計(jì)要求分為4層澆筑，自下而上各層澆筑厚度分別為1.2 m、1.3 m、1.4 m 和1 .95 m，但是該結(jié)構(gòu)段基礎(chǔ)混凝土主要在2006 年4～6 月施工，氣溫已較高，混凝土澆筑后，由于水泥的水化熱反應(yīng)，內(nèi)部溫度急劇上升，此時(shí)混凝土彈性模量很小，徐變較大，升溫引起的壓應(yīng)力并不大，而在日后溫度逐漸降低時(shí)，彈性模量較大，徐變較小，在一定的約束條件下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力。船閘底板僅在表面配置鋼筋，含鋼率低，溫度應(yīng)力主要由混凝土承擔(dān)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，形成漏水通道。

（2）基礎(chǔ)不均勻沉降引發(fā)底板開裂漏水。根據(jù)船閘施工地質(zhì)資料，閘室第9#、10#、11#號(hào)結(jié)構(gòu)段有小斷層穿過，為粉砂巖和泥巖的分界區(qū)，局部巖面裂隙發(fā)育。雖然施工時(shí)對(duì)斷層進(jìn)行了挖除回填混凝土處理，但是有可能挖除不徹底，使建成后的船閘基礎(chǔ)產(chǎn)生了不均勻沉降，從而引發(fā)底板開裂、漏水等問題。

根據(jù)那吉船閘沉陷觀測(cè)資料分析，自2008 年船閘運(yùn)行以來，左、右閘墻整體上呈逐年下沉的趨勢(shì)，累計(jì)下沉變形量較大，右閘墻、左閘墻的最大極值分別為2020 年3 月“右側(cè)沉降觀測(cè)點(diǎn)7”（左、右側(cè)沉降觀測(cè)點(diǎn)簡稱為“左沉”或“右沉”）的15.42 mm 和“左沉21”的16.23 mm。其中，“左沉21”“右沉21”較“左沉20”“左沉20”均有3 mm 左右的沉降差，因此連接此處兩側(cè)閘墻的基底可能存在斷層錯(cuò)動(dòng)帶；第11#結(jié)構(gòu)段沉降量“左沉23”“左沉24”較“右沉23”“右沉24”下沉0.91～1.6 mm（如圖2、圖3 所示）。船閘也存在連續(xù)下沉及一定的不均勻沉降，對(duì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展產(chǎn)生影響。工程運(yùn)行后滲水使基巖軟化，加上基礎(chǔ)巖石的彈性模量各異，導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均沉降，改變了閘室受力結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致閘室底板開裂漏水。

圖2 第10#、第11#結(jié)構(gòu)段垂直位移變化風(fēng)曲線

圖3 第11#、下閘首結(jié)構(gòu)段垂直位移變化曲線

（3）輸水廊道、閘室分段結(jié)構(gòu)縫漏水。輸水廊道結(jié)構(gòu)縫漏水主要是結(jié)構(gòu)縫止水失效所致，失效原因如下：一是施工期間止水材料沒有達(dá)到質(zhì)量要求或沒有按設(shè)計(jì)要求埋設(shè)；二是船閘基礎(chǔ)的不均勻沉降損壞了止水材料。

（4）水工建筑物混凝土缺失。缺失原因如下：一是輸水廊道內(nèi)個(gè)別部位（例如門槽位置）受到高速水流的沖刷，容易引起氣蝕；二是施工時(shí)混凝土存在質(zhì)量問題，例如對(duì)門槽二期混凝土施工不夠重視，門槽清理不徹底、漿液灌不到底部，導(dǎo)致二期混凝土出現(xiàn)蜂窩、混雜泥土等現(xiàn)象。

3 病害對(duì)船閘安全的影響

（1）裂縫的產(chǎn)生破壞了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。那吉船閘閘首、閘室均采用整體式結(jié)構(gòu)，11#段底板縱向裂縫的產(chǎn)生，改變了船閘結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的條件，因此必須對(duì)底板裂縫進(jìn)行處理。

（2）閘室及輸水廊道結(jié)構(gòu)縫漏水造成閘室建基面的泥巖軟化，從而降低其承載力。那吉船閘建基面坐落在弱風(fēng)化泥巖上，泥巖的可塑性、吸水性等特點(diǎn)會(huì)對(duì)船閘產(chǎn)生不利影響。從11#段裂縫、閘室及廊道結(jié)構(gòu)縫的冒水現(xiàn)象，可以確定閘室底板與基礎(chǔ)底面之間已經(jīng)形成通道，水流在通道中通過，造成基礎(chǔ)底面的泥巖軟化，降低其承載力；輸水廊道漏水使船閘兩側(cè)地下水位抬高，增加閘墻受力，影響閘室結(jié)構(gòu)安全。

（3）混凝土缺失造成鋼筋外露、銹蝕。門槽處二期混凝土缺失、空洞，會(huì)影響門軌的穩(wěn)定，影響閘門的正常運(yùn)行。

4 病害處理措施及效果

在那吉船閘水工建筑物病害分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的病害采取以下相應(yīng)的處理措施。

4.1 閘室基礎(chǔ)固結(jié)灌漿處理

閘室固結(jié)灌漿的目的是堵塞底板下的水流通道，加強(qiáng)地基承載。在閘室2#/3#、3#/4#、7#/8#、9#/10#、10#/11#、11#與下閘首結(jié)構(gòu)縫、11#結(jié)構(gòu)段的左右廊道、11#結(jié)構(gòu)段底板裂縫進(jìn)行固結(jié)灌漿。固結(jié)灌漿孔采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，同時(shí)鉆取巖芯，用以進(jìn)行地基鑒定。按技術(shù)要求規(guī)定，鉆孔開孔誤差在混凝土上鉆孔時(shí)，孔徑不大于10 cm，鉆孔段長為入巖5 m。固結(jié)灌漿壓力為0.3 MPa，分兩序孔施工，先施工一序孔后再施工二序孔。灌漿漿液水灰比為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1，開灌水灰比采用2∶1。為防止巖石面或混凝土面抬動(dòng)，固結(jié)灌漿原則上一泵灌一孔，并控制灌漿壓力，防止混凝土或巖體抬動(dòng)。在規(guī)定的灌漿壓力下，該段吸漿量不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min即可結(jié)束。

4.2 閘室結(jié)構(gòu)段底板裂縫修復(fù)

閘室結(jié)構(gòu)煅底板修復(fù)主要包括裂縫環(huán)氧樹脂灌漿、底板裂縫植入加強(qiáng)鋼筋以及環(huán)氧砂漿回填修復(fù)等工序。

（1）裂縫環(huán)氧樹脂灌漿。裂縫環(huán)氧樹脂灌漿工藝流程為裂縫放樣→裂縫鑿槽→鉆孔埋管→槽內(nèi)清洗與嵌補(bǔ)→沖孔與洗縫→壓水、壓氣檢查→漿液配制→漿液灌注→迸漿→灌漿結(jié)束→拆除灌漿閥→施工結(jié)束。針對(duì)閘室11#結(jié)構(gòu)段底板裂縫修復(fù)，沿裂縫鑿0.3 m×0.3 m 和0.1 m×0.1 m 的“U”形槽（保留鋼筋），鑿槽用M30 環(huán)氧砂漿填平壓實(shí)并埋設(shè)灌漿管，在鋼筋網(wǎng)中間鉆灌漿孔，孔距為2 m。鉆孔盡量布置裂縫較寬或漏水較大處，共布設(shè)11個(gè)灌漿孔，鉆孔完成后進(jìn)行壓水試驗(yàn)，對(duì)透水率大的灌漿孔均進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿處理完成后再進(jìn)行掃孔并對(duì)裂縫和灌漿孔進(jìn)行環(huán)氧樹脂灌漿。

（2）底板裂縫植入加強(qiáng)鋼筋。底板裂縫灌漿后，鑿除裂縫區(qū)域表層混凝土（長16 m×寬4 m×深0.2 m），通過植入2 排?28@600 mm 鋼筋的方式增加受力鋼筋和抗剪斜筋，底板面再布置一層?25@200 mm 加強(qiáng)筋，增加的鋼筋與原鋼筋焊接。

（3）環(huán)氧砂漿回填修復(fù)。完成加強(qiáng)鋼筋植入后，清洗環(huán)氧砂漿回填基面，吸干積水，用環(huán)氧樹脂砂漿回填修復(fù)面。

4.3 閘室及輸水廊道結(jié)構(gòu)縫漏水修復(fù)

閘室及輸水廊道結(jié)構(gòu)縫漏水修復(fù)主要包括結(jié)構(gòu)縫清理、沖洗，引流、排水、預(yù)埋灌漿嘴，柔性嵌縫密封材料填塞，以及結(jié)構(gòu)縫灌漿。

（1）結(jié)構(gòu)縫清理、沖洗。用電錘先修整不規(guī)則的結(jié)構(gòu)縫隙，再使用小鐵鉤和鏟刀把縫隙里和表面的污物清理干凈，然后使用高壓水把結(jié)構(gòu)縫縫隙和表面沖洗干凈。

（2）引流、排水、預(yù)埋灌漿嘴。找出結(jié)構(gòu)縫的漏水點(diǎn)，在漏水點(diǎn)處埋設(shè)?15PV 管，把水引排到結(jié)構(gòu)縫外，埋設(shè)的?15PV 管需固定牢固，避免脫落。根據(jù)結(jié)構(gòu)縫長度，按50～100 cm 的間距埋設(shè)?10 氧氣管作為灌漿嘴，灌漿嘴埋設(shè)深度約45 cm，每個(gè)灌漿部位至少預(yù)埋2個(gè)灌漿嘴，一個(gè)用作灌漿，另一個(gè)用作排氣。

（3）柔性嵌縫密封材料填塞。預(yù)埋好灌漿嘴后，用膠槍把柔性嵌縫密封材料擠壓到結(jié)構(gòu)縫內(nèi)，填縫深度為30 cm，縫面用刮刀刮平。

（4）結(jié)構(gòu)縫灌漿。填塞柔性嵌縫密封材料的結(jié)構(gòu)縫，7 d 后低壓灌注環(huán)氧樹脂液，灌漿壓力≤0.1 MPa。灌漿時(shí)，從最低處開始，待漿液從排氣管溢出，依次將所有排氣管封堵，在穩(wěn)定壓力下繼續(xù)灌5 min 后結(jié)束灌漿。將灌漿壓力穩(wěn)定于設(shè)計(jì)壓力值，當(dāng)注入量小于或等于0.01 L/min 的設(shè)計(jì)值時(shí)，穩(wěn)定灌注5 min 作為灌漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 混凝土缺失修補(bǔ)

混凝土缺失部位主要分布在左、右輸水廊道結(jié)構(gòu)段底板、結(jié)構(gòu)段墻面和頂面、門槽底板及墻面上。采用電鎬鑿除混凝土，鑿除混凝土?xí)r需注意避免破壞鋼筋?；炷列扪a(bǔ)范圍內(nèi)出現(xiàn)外露鋼筋時(shí)，對(duì)外露鋼筋進(jìn)行除銹處理。表面混凝土修補(bǔ)處理范圍在混凝土缺失范圍的基礎(chǔ)上向四周外擴(kuò)100 mm。鑿出修補(bǔ)面后，用高壓風(fēng)水輪流沖洗干凈并吹干，然后采用M30環(huán)氧樹脂砂漿修復(fù)，環(huán)氧樹脂砂漿表面抹光。對(duì)于二期混凝土損壞程度比較嚴(yán)重的門槽，鑿除破損的混凝土，清理基面，用聚合物混凝土進(jìn)行澆筑修復(fù)。

4.5 處理效果

固結(jié)灌漿灌后進(jìn)行孔壓水試驗(yàn)，最大透水率為2.1 Lu，最小透水率為0.95 Lu，透水率均符合≤3 Lu的設(shè)計(jì)值，說明船閘底板與地基之間的透水通道已經(jīng)隔斷，質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。固結(jié)灌漿孔灌前壓水最大透水率為270.9 Lu，最小透水率為3.1 Lu，平均透水率為45.4 Lu，比灌前的平均透水率整體下降了96.4%。

11#閘室底板裂縫經(jīng)化學(xué)灌漿、植入加強(qiáng)鋼筋、環(huán)氧砂漿等方法修復(fù)處理結(jié)構(gòu)縫漏水、混凝土缺失等病害后，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，處理效果良好。

5 結(jié)語

對(duì)易發(fā)生病害部位進(jìn)行常態(tài)化檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害，根據(jù)使用要求和預(yù)期的使用壽命，采取經(jīng)濟(jì)合理的加固修復(fù)措施進(jìn)行修復(fù)，對(duì)提高船閘等水工建筑物尤其是建于軟弱泥巖等基礎(chǔ)上的水工建筑物的使用壽命和確保其安全運(yùn)營具有重要意義。那吉航運(yùn)樞紐工程船閘由于其基礎(chǔ)泥巖具有巖性軟弱、抗沖刷性較差、水平方向相變大等特點(diǎn)，船閘的運(yùn)行安全及維護(hù)管理尤為引人關(guān)注。本文針對(duì)那吉船閘底板開裂、結(jié)構(gòu)縫漏水、混凝土缺失、淘空等問題，提出采用閘室固結(jié)灌漿、閘室底板裂縫環(huán)氧樹脂灌漿、混凝土缺失環(huán)氧樹脂砂漿等方法進(jìn)行修復(fù)處理，修復(fù)后經(jīng)孔壓水等檢測(cè)表明，閘室底板透水率均小于設(shè)計(jì)值，灌漿后較灌漿前平均透水率整體下降96.4%，質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。閘室基礎(chǔ)固結(jié)灌漿等處理降低了基巖的孔隙率，提高其抗?jié)B性和承載力，處理效果良好。本研究可為類似水工建筑物的病害預(yù)防、修復(fù)及維護(hù)提供參考和借鑒。