基于文物保護(hù)視角的上吳渡槽修復(fù)研究

葉俊飛,邵志平,季哲丞,丁春梅

(1.義烏市水務(wù)局,浙江 義烏 322000;2.義烏市赤岸鎮(zhèn)人民政府,浙江 義烏 322000;3.浙江水利水電學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

中國(guó)擁有豐富的淡水資源,但水資源的地域分布卻存在不均衡的情況,無(wú)法很好地解決農(nóng)田灌溉問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題,在二十世紀(jì)六七十年代,我國(guó)修建了大量的渡槽工程。這些渡槽至今仍在使用,大部分已超過(guò)設(shè)計(jì)年限,存在著一定的安全隱患[1],需要對(duì)其進(jìn)行修繕。

部分老舊渡槽承載著當(dāng)?shù)厮こ痰陌l(fā)展和歷史變遷,反映了特定的歷史和文化環(huán)境。這些渡槽具有獨(dú)特的建造技術(shù)、設(shè)計(jì)風(fēng)格和歷史背景,對(duì)于研究和保護(hù)水利工程的歷史和文化遺產(chǎn)具有重要意義。因此,筆者研究老舊渡槽的病理狀況以及老化成因,并提出適宜的修復(fù)措施,以期為類似渡槽的修復(fù)提供借鑒。

1 工程概況

上吳渡槽位于浙江省義烏市赤岸鎮(zhèn),為U形薄殼渡槽,全長(zhǎng)600 m。渡槽由49榀排架及50節(jié)槽身組成,排架高度為24 m,寬度為2.8 m,槽身為薄殼渡槽,厚度為35 mm。

渡槽于1972年6月開(kāi)始動(dòng)工修建,1973年2月竣工,工程建成至今已有50余年(圖1)。由于受限于渡槽建設(shè)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件,再加上渡槽已服役多年,現(xiàn)在的渡槽各部分已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的老化以及破損情況。

圖1 上吳渡槽側(cè)視圖

2 水利工程視角下渡槽修復(fù)工作的特點(diǎn)

渡槽作為一種輸水建筑物,常用于引導(dǎo)河流、溪流或運(yùn)河水流,用于供水、灌溉、發(fā)電和排水等,長(zhǎng)期使用可能出現(xiàn)腐蝕與漏水的問(wèn)題,因此對(duì)病害渡槽進(jìn)行加固非常有必要。由于渡槽結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,在修復(fù)過(guò)程中需要綜合考慮多方面的因素,以確保渡槽的正常運(yùn)行和長(zhǎng)期穩(wěn)定。從水利工程視角出發(fā),渡槽修復(fù)的主要目的是滿足安全性和耐久性。

2.1 安 全 性

首先,確保渡槽修復(fù)過(guò)程不會(huì)影響渡槽的整體穩(wěn)定性;其次,確保渡槽在完成工程修復(fù)后能夠減輕病害程度,并滿足現(xiàn)有的規(guī)范要求,確保渡槽的安全運(yùn)行。

2.2 耐 久 性

上吳渡槽服役多年,渡槽各部分已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的老化以及破損情況,影響到渡槽的正常使用。通過(guò)對(duì)渡槽槽身和排架柱等部位進(jìn)行合理的修復(fù),可以提高渡槽結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性,延長(zhǎng)渡槽的使用壽命。

3 文物保護(hù)視角下渡槽修復(fù)的特點(diǎn)

上吳渡槽建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn),作為柏峰水庫(kù)水利工程西干渠的一部分,上吳渡槽持續(xù)存在和使用的歷史可以追溯到20世紀(jì)70年代,作為保存至今的水利工程項(xiàng)目[2],上吳渡槽的存在反映了義烏市水利發(fā)展的歷史過(guò)程,既代表了我國(guó)在20世紀(jì)的水利工程發(fā)展情況,也展示了當(dāng)時(shí)人們解決農(nóng)田灌溉工程問(wèn)題的技術(shù)和能力。渡槽的設(shè)計(jì)、建造和維護(hù),以及所應(yīng)用的材料和技術(shù),對(duì)未來(lái)研究水利工程歷史和發(fā)展具有重要參考價(jià)值。另外,作為義烏市的標(biāo)志性建筑,上吳渡槽也是當(dāng)?shù)匚幕z產(chǎn)的象征。通過(guò)修繕和保護(hù)上吳渡槽,進(jìn)一步挖掘渡槽相關(guān)的旅游資源,可以增進(jìn)公眾對(duì)渡槽歷史和文化背景的了解,提高公眾對(duì)水利工程的認(rèn)識(shí)和對(duì)渡槽的保護(hù)意識(shí)。

上吳渡槽的修復(fù)工作應(yīng)從文物保護(hù)的視角出發(fā),盡可能確保渡槽的穩(wěn)定性及完整性,修復(fù)原則可概括為:保護(hù)為主、修舊如舊和無(wú)損加固[3]。

3.1 保護(hù)為主

修復(fù)的過(guò)程中應(yīng)最大限度地尊重歷史原貌和保留歷史信息。保護(hù)修復(fù)設(shè)計(jì)并不是對(duì)文物建筑進(jìn)行重新設(shè)計(jì),也不是將其轉(zhuǎn)變成古建筑設(shè)計(jì),而是通過(guò)遵循修復(fù)原則,采取合理的修復(fù)措施和技術(shù)手段,解決文物建筑存在的問(wèn)題。修復(fù)時(shí)應(yīng)最大限度地保持建筑原始風(fēng)貌,不破壞渡槽原有外觀,盡量減少使用鉆孔工藝;同時(shí)采用外包鋼、粘碳纖維、環(huán)抱箍緊等措施,避免破壞原有的結(jié)構(gòu),確保修復(fù)后的渡槽能夠保持其原有的歷史特征和文化價(jià)值,同時(shí)提高其安全性和耐久性。通過(guò)合理的修復(fù)設(shè)計(jì)和技術(shù)手段,可以解決渡槽存在的問(wèn)題,延長(zhǎng)其使用壽命,并保留渡槽作為文化遺產(chǎn)的重要價(jià)值。

3.2 修舊如舊、無(wú)損加固

修復(fù)的主要目的是保留上吳渡槽的歷史原貌和建筑特征,以維持其獨(dú)特價(jià)值和真實(shí)性。修復(fù)過(guò)程中,應(yīng)采用恰當(dāng)?shù)牟牧虾凸に?。選擇修復(fù)材料時(shí),優(yōu)先考慮與原渡槽相同或相似的材料,以確保修復(fù)后的渡槽與原建筑保持一致,在無(wú)法使用和原有渡槽相同的材料的情況下,可尋找具有相似顏色、紋理和質(zhì)感的替代品。

此外,除了外觀上的修復(fù),恢復(fù)渡槽原有的輸水功能也是修復(fù)的目的之一,以使渡槽在修復(fù)后能夠繼續(xù)發(fā)揮使用價(jià)值。

以上修復(fù)策略旨在最大限度地保留渡槽的歷史原貌和建筑特征,使渡槽在修復(fù)后能展示其歷史背景,并具有重要的文化遺產(chǎn)和學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。

4 上吳渡槽老化病害的主要表現(xiàn)形式

上吳渡槽歷經(jīng)多年服役之后,目前的病害主要表現(xiàn)為部分槽身砂漿脫落、鋼絲網(wǎng)裸露銹蝕、橡膠止水帶破損、渡槽混凝土碳化嚴(yán)重、部分渡槽產(chǎn)生整體位移以及鋼筋銹蝕等問(wèn)題。

4.1 橡膠止水帶破損

經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)50余年的使用,上吳渡槽槽身內(nèi)部沖蝕嚴(yán)重,水流及水流所攜帶的泥沙不斷沖刷磨損止水帶,另外受到夏日太陽(yáng)暴曬與冬季嚴(yán)寒等多種因素的影響,導(dǎo)致橡膠材料逐漸老化、變硬、變脆和破損。

4.2 渡槽排架混凝土保護(hù)層破壞

上吳渡槽排架表面已出現(xiàn)明顯碳化痕跡。此外,排架還存在大面積的剝蝕和脫落現(xiàn)象,鋼筋裸露在外,出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕。

4.3 部分槽身產(chǎn)生整體側(cè)移

受建設(shè)時(shí)的技術(shù)條件限制以及多年的老化和外部環(huán)境影響,上吳渡槽的部分槽身發(fā)生了整體側(cè)移。

4.4 槽身強(qiáng)度降低

渡槽因建造年代久遠(yuǎn),且局限于建造初期的物資條件等因素,上吳渡槽槽身厚度只有35 mm,屬于薄殼渡槽,因此經(jīng)過(guò)50余年的使用,槽身已發(fā)生了不同程度的劣化。根據(jù)測(cè)算,在設(shè)計(jì)水位條件下,槽身已無(wú)法滿足安全使用的要求。

5 上吳渡槽修補(bǔ)加固技術(shù)

混凝土大面積剝落、碳化嚴(yán)重、止水帶破損、槽身側(cè)向位移是上吳渡槽的基本病害之一,因此,渡槽加固應(yīng)該從渡槽槽身加固、排架加固和基礎(chǔ)加固三個(gè)方面進(jìn)行。

5.1 渡槽槽身加固技術(shù)

上吳渡槽屬于U型薄殼渡槽,經(jīng)過(guò)50余年的使用,槽身已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的漏水現(xiàn)象,施工部位的表面裝飾層及抹灰層存在不同程度的破損,經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算,槽身在原設(shè)計(jì)水位工況下存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)。因此,為增強(qiáng)渡槽槽身強(qiáng)度,采用粘貼碳纖維布的方式對(duì)渡槽槽身混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。具體操作步驟如下。

5.1.1 槽身清理、表面修復(fù)

首先,對(duì)渡槽槽身進(jìn)行打磨,清除加固構(gòu)件表面的劣化混凝土,并使用高壓水槍對(duì)槽身表面進(jìn)行沖洗,去除表層的浮漿、油污等污垢,使新的混凝土結(jié)構(gòu)面露出來(lái),為進(jìn)行表面修復(fù)施工做好準(zhǔn)備。沖洗的目的是更好地粘貼碳纖維片材,因此,在清理槽身后,需要進(jìn)一步檢查混凝土表面是否存在孔隙、蜂窩等問(wèn)題。其次,對(duì)于有孔隙、蜂窩的混凝土表面,應(yīng)使用環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿進(jìn)行修復(fù);對(duì)于出現(xiàn)大面積混凝土缺失的情況,采用無(wú)收縮水泥進(jìn)行修復(fù)[4]。最后,對(duì)修復(fù)后的槽身表面進(jìn)行補(bǔ)平。

5.1.2 粘貼碳纖維片材

碳纖維片材作為一種碳纖維復(fù)合材料,常與浸漬樹(shù)脂結(jié)合使用。相較于其他槽身修復(fù)材料,碳纖維片材具有優(yōu)異的抗腐蝕性能,能夠有效抵抗化學(xué)物質(zhì)、水分等環(huán)境因素的侵蝕。首先,碳纖維片材具有卓越的耐腐蝕特性,使用其進(jìn)行槽身修復(fù)可以更好地延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。其次,碳纖維片材本身對(duì)槽身結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕作用。相較于傳統(tǒng)金屬材料,碳纖維不會(huì)引發(fā)二次腐蝕,從而避免了進(jìn)一步損害結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。此外,碳纖維片材的施工方便快捷。由于其輕質(zhì)且柔性的特點(diǎn),碳纖維片材可以適應(yīng)輕度不規(guī)則形狀的槽身表面,并能夠有效覆蓋槽身的各個(gè)部位[5]。粘貼碳纖維片材施工過(guò)程簡(jiǎn)單高效,可以提高修復(fù)工作的進(jìn)度和效率,其性能指標(biāo)如表1所示。

表1 修補(bǔ)材料性能指標(biāo)表

在粘貼碳纖維片材之前,應(yīng)先對(duì)渡槽槽身涂刷浸漬樹(shù)脂作為底層涂料,以增強(qiáng)碳纖維布與渡槽槽身之間的黏著力。此外,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)碳纖維片材進(jìn)行裁剪,以達(dá)到所需面積,滿足補(bǔ)強(qiáng)作用的要求。進(jìn)行材料的粘接時(shí),應(yīng)貼合緊密,以確保黏結(jié)劑充分浸潤(rùn)碳纖維片材。待碳纖維片材表面的浸漬樹(shù)脂指觸干燥后,才能進(jìn)行下一道工序。對(duì)于出現(xiàn)空鼓情況的部位,采取注膠的方式進(jìn)行修補(bǔ)。如果空鼓部位過(guò)大,應(yīng)切除該部位的碳纖維片,重新進(jìn)行覆蓋。在最后一層碳纖維片施工完成后,應(yīng)在碳纖維表層涂抹一層浸漬樹(shù)脂。在樹(shù)脂初凝之前,撒上一層粗砂,并在其表面涂抹15 mm厚的M10抗裂砂漿。

5.1.3 槽身防腐涂料施工

為了保持施工后的渡槽與最初渡槽槽身的一致性,并提高混凝土的耐久性和美觀性,需要對(duì)渡槽槽身表面進(jìn)行防護(hù)涂裝,共進(jìn)行三層涂裝:底漆層使用環(huán)氧封閉漆,中間層使用環(huán)氧樹(shù)脂漆,面漆層使用丙烯酸聚氨酯漆。使用環(huán)氧封閉漆作為底漆是因其具有良好的附著性和密封性,能夠有效地保護(hù)渡槽槽身表面;中漆層使用環(huán)氧樹(shù)脂漆,因其具有耐化學(xué)性和耐磨性等良好性能,能夠增加渡槽槽身的耐久性,并提供一定的防護(hù)效果;面漆層選用丙烯酸聚氨酯漆,因其具有優(yōu)良的耐候性和外觀性。

5.1.4 槽身粘鋼施工

根據(jù)渡槽安全鑒定報(bào)告,在正常過(guò)水工況下,槽身受拉區(qū)存在毀壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在施工中采用了粘鋼施工工藝對(duì)槽身受拉區(qū)進(jìn)行加固。這種施工工藝與排架粘鋼施工工藝大致相同。

5.2 排架加固技術(shù)

為了增強(qiáng)上吳渡槽的排架支撐力,確保渡槽的穩(wěn)定性,針對(duì)排架混凝土碳化嚴(yán)重、混凝土塊掉落的問(wèn)題,對(duì)排架柱進(jìn)行了粘鋼施工。具體方法是采用外包鋼加固排架柱的柱榫接頭,然后使用聚合物砂漿進(jìn)行包覆,以加強(qiáng)保護(hù)和支撐力。

5.2.1 鑿除排架混凝土碳化層

采用鑿除法對(duì)排架柱混凝土表面碳化層進(jìn)行拆除,鑿進(jìn)深度根據(jù)渡槽混凝土的碳化深度而定,阿列克謝耶夫[6]根據(jù)環(huán)境中CO2濃度、混凝土中CO2的擴(kuò)散速率與混凝土吸收CO2的能力提出了FICK定律。混凝土碳化深度計(jì)算式為

(1)

式(1)中:X(t)為混凝土碳化深度,mm;Dc為混凝土中CO2擴(kuò)散系數(shù);C0為所處環(huán)境CO2濃度,%;m0為單位混凝土CO2吸收量,g/dm3;t為碳化時(shí)間,年。

渡槽排架處混凝土強(qiáng)度為C18,Dc取值[7]為

(2)

式(2)中,fcuk為混凝土抗壓強(qiáng)度,MPa。

排架柱混凝土抗壓強(qiáng)度為24 kPa,因此混凝土中CO2擴(kuò)散系數(shù)為0.768 5。查閱義烏市平均二氧化碳濃度與單位混凝土CO2吸收量后,最后得出排架處混凝土理論碳化深度為14.01 mm, 與近期實(shí)際測(cè)得的渡槽排架碳化深度平均值(表2)相接近。

表2 上吳渡槽排架混凝土碳化深度表 單位:mm

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),將混凝土表面鑿除深度定為20 mm。清理完成后,采用砂磨機(jī)對(duì)排架表面進(jìn)行二次清理,并采用無(wú)油壓縮空氣清除粉粒,以便后期進(jìn)行修復(fù)操作。

5.2.2 扁鋼輟板施工

在扁鋼輟板施工之前,對(duì)排架表面進(jìn)行進(jìn)一步處理,如果鑿除的混凝土表面出現(xiàn)嚴(yán)重的凹凸不平,就需要使用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)平,然后使用砂輪機(jī)對(duì)鋼材進(jìn)行表面處理,確保表面無(wú)銹,并具有足夠的粗糙度[8]。

處理完表面后,將扁鋼定位并貼合于混凝土表面,使用螺桿將角鋼與排架柱固定。對(duì)于孔洞和螺桿,應(yīng)使用化學(xué)植筋膠錨進(jìn)行固定。隨后焊接輟板與角鋼,固定后使用封邊材料將扁鋼輟板進(jìn)行封邊,隨后進(jìn)行注膠施工。

5.2.3 注膠施工

注膠施工采用的膠水為專用粘鋼結(jié)構(gòu)膠,按規(guī)定比例進(jìn)行配制,配制完成后,將結(jié)構(gòu)膠涂抹在已處理的混凝土表面與鋼板的貼合面上,厚度要求為1～3 mm。為避免結(jié)構(gòu)膠流淌,可添加脫脂玻絲布,等待24 h至結(jié)構(gòu)膠固化后,在鋼板及扁鋼輟板表面掛鋼絲網(wǎng)片并抹聚合物砂漿保護(hù)。該操作可在保留渡槽原始外貌的基礎(chǔ)上,提升鋼材表面的防腐效果。

5.3 基礎(chǔ)加固技術(shù)

自1973年建成以來(lái),上吳渡槽主體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了多次暴雨洪水的考驗(yàn)。在自然災(zāi)害的影響下,渡槽的某些部位出現(xiàn)了側(cè)移,部分槽身出現(xiàn)了由于基底變形引起的滲漏現(xiàn)象。為避免基礎(chǔ)變形持續(xù)擴(kuò)大并最終威脅到渡槽的運(yùn)行安全,計(jì)劃在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行植筋加固。

基礎(chǔ)加固的施工工藝流程如下:首先是土方開(kāi)挖,隨后對(duì)原始結(jié)構(gòu)的混凝土進(jìn)行表面處理。在完成表面處理后,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行植筋施工,并在施工完成后進(jìn)行混凝土的澆筑。經(jīng)過(guò)以上步驟,基礎(chǔ)加固工程基本完成。

5.3.1 原結(jié)構(gòu)混凝土處理

為確保后期施工的新增混凝土構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)混凝土貼合緊密,須對(duì)原結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行表面處理,即在開(kāi)挖土方后,對(duì)原基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行表面鑿毛處理。基礎(chǔ)鑿毛深度應(yīng)大于6 mm,以確保鑿毛層與混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間有足夠的粗糙度,能提供良好的附著力。新舊混凝土結(jié)合面保持齒型毛面,以確保結(jié)合面之間有足夠的接觸面積和摩擦力,從而提高結(jié)合強(qiáng)度。鑿毛結(jié)束后,將結(jié)合面進(jìn)行沖洗,防止粉塵對(duì)結(jié)合面摩擦力產(chǎn)生影響。通過(guò)以上處理步驟,原有結(jié)構(gòu)混凝土表面將具備更好的粗糙度,能夠與新拌混凝土構(gòu)件緊密貼合,并提供可靠的結(jié)合強(qiáng)度。

5.3.2 結(jié)構(gòu)植筋施工

為確保新增構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)混凝土形成一個(gè)整體,使得新舊混凝土構(gòu)件能夠共同承擔(dān)渡槽的自重,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行植筋是有必要的。施工時(shí),鉆孔應(yīng)盡量避開(kāi)原結(jié)構(gòu)鋼筋,以確保鋼筋的連續(xù)性和結(jié)構(gòu)的完整性。鉆孔結(jié)束后,須對(duì)鉆出的孔洞進(jìn)行清理,避免灰塵與異物進(jìn)入,影響植筋質(zhì)量。清孔結(jié)束后,進(jìn)行錨固膠灌注,以提供更好的黏結(jié)性能,增強(qiáng)植筋與周圍混凝土的連接強(qiáng)度,隨后植入鋼筋,在錨固膠固化后綁扎鋼筋,并澆筑混凝土,完成基礎(chǔ)加固施工。

6 結(jié) 語(yǔ)

上吳渡槽修復(fù)工程的設(shè)計(jì)和施工的實(shí)踐表明,采用植筋加固技術(shù)對(duì)渡槽基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固、采用粘鋼施工對(duì)排架柱進(jìn)行加固、采用碳纖維片材對(duì)槽身進(jìn)行加固、采用防腐涂料對(duì)槽身進(jìn)行處理的加固措施可以最大程度地保留渡槽的原始風(fēng)貌和文物價(jià)值,并且加強(qiáng)了渡槽的整體穩(wěn)定性,解決了上吳渡槽的安全隱患,達(dá)到了除險(xiǎn)加固和修復(fù)的預(yù)期效果。上吳渡槽的修復(fù)方案可以為其他需要進(jìn)行類似修復(fù)工程的渡槽提供參考。