楊建紅，楊偉才，甄 理，馬 宇

（1.山西省禹門(mén)口水利工程管理局，山西 太原 030002；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

1 工程概況

山西禹門(mén)口灌區(qū)屬于綜合性大型水利工程，其二級(jí)干渠建于20世紀(jì)90年代，工程為III級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)輸水流量為14.54 m3/s，加大流量為16.72 m3/s，作為禹門(mén)口水利工程北干線重要組成部分，計(jì)劃將過(guò)流能力提高到18 m3/s。禹門(mén)口灌區(qū)所處地區(qū)屬大陸性氣候，區(qū)域年際、日際的溫差變化較大，且渡槽內(nèi)部在冬季有供水任務(wù)。禹門(mén)口灌區(qū)渡槽建筑物的老化病害現(xiàn)象嚴(yán)重，主要有槽身內(nèi)混凝土凍融剝蝕、碳化、鋼筋銹蝕和止水失效等現(xiàn)象，直接影響工程的安全運(yùn)行和效益發(fā)揮。急需加固改造的渡槽共有14座（1#至13#及常好渡槽，總長(zhǎng)3.1 km），所有渡槽總長(zhǎng)約4 km，若拆除重建，涉及占地、拆除物清運(yùn)和供水中斷等問(wèn)題，且該方案施工周期長(zhǎng)、投資大，同時(shí)嚴(yán)重影響到區(qū)域工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)。因此采取通過(guò)對(duì)渡槽進(jìn)行科學(xué)的安全評(píng)估，采用修補(bǔ)加固技術(shù)改造方案，實(shí)現(xiàn)渡槽安全運(yùn)行并提高過(guò)流能力，對(duì)禹門(mén)口灌區(qū)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

2 存在的主要問(wèn)題

禹門(mén)口灌區(qū)二級(jí)干渠經(jīng)過(guò)20多年的運(yùn)行，渡槽建筑物出現(xiàn)了不同程度的老化病害，為了解渡槽現(xiàn)狀及制定處理方案，對(duì)14座渡槽存在的缺陷病害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與評(píng)估，主要結(jié)論如下。

（1）混凝土凍融剝蝕、碳化及鋼筋銹蝕嚴(yán)重。渡槽內(nèi)部在冬季長(zhǎng)期遭受雨雪融水凍融侵蝕，造成混凝土逐漸剝蝕。渡槽槽身和排架鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)偏小，不能滿(mǎn)足現(xiàn)行耐久性規(guī)范的要求，加之施工工藝和質(zhì)量缺陷等因素的影響，槽身內(nèi)壁混凝土剝蝕嚴(yán)重，深度約在1～3 cm左右；槽身外壁及排架混凝土碳化嚴(yán)重，碳化深度均已接近或超過(guò)鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度；槽身腰線部位及底板部位鋼筋外露銹蝕比較普遍，排架及拉桿有銹脹、順筋裂縫等缺陷的部位內(nèi)部鋼筋也已發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕后有效截面減小，部分鋼筋有效截面損失達(dá)10%～20%。鋼筋與混凝土間的黏結(jié)力降低，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力影響較大?；炷恋膬鋈趧兾g和鋼筋銹蝕等缺陷病害嚴(yán)重影響到工程的運(yùn)行安全和耐久性。

（2）伸縮縫止水失效。渡槽伸縮縫因嵌填的水泥砂漿是剛性材料，不能適應(yīng)伸縮縫的變形，在陽(yáng)光照射、溫度變化等因素的作用下，導(dǎo)致縫內(nèi)止水被擠碎或破壞，渡槽止水老化、破損嚴(yán)重，因伸縮縫冬季漏水使支座及排架混凝土凍融破壞，進(jìn)一步加速了結(jié)構(gòu)的老化。

（3）槽身局部承載能力不滿(mǎn)足要求。渡槽槽身、單雙排架承載力在荷載基本組合（設(shè)計(jì)流量、加大流量和滿(mǎn)槽）工況與地震工況下大都滿(mǎn)足承載力要求。對(duì)于13#渡槽全部槽身、3#及11#渡槽部分槽身，混凝土大范圍剝蝕，剝蝕深度大于5 cm，鋼筋外露銹蝕，內(nèi)壁環(huán)向腰線以下部位受力鋼筋銹蝕后的面積損失率超過(guò)20%，槽身的承載能力降低較多，局部不滿(mǎn)足要求。

（4）過(guò)流能力不滿(mǎn)足工程需要，需采取減糙措施。禹門(mén)口二級(jí)干渠原設(shè)計(jì)輸水流量為14.54 m3/s，加大流量為16.72 m3/s，渡槽原設(shè)計(jì)糙率按0.014考慮，由于長(zhǎng)期運(yùn)行及混凝土表面剝蝕老化，表面糙率大大增加，原設(shè)計(jì)過(guò)流能力已得不到滿(mǎn)足。計(jì)劃將過(guò)流能力提高到18 m3/s，對(duì)工程的輸水能力和運(yùn)行安全提出更高的要求。

3 渡槽修補(bǔ)加固技術(shù)方案

3.1渡槽混凝土凍融剝蝕處理根據(jù)渡槽建筑物的運(yùn)行環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)剝蝕狀況，采用聚合物纖維水泥砂漿對(duì)混凝土剝蝕面進(jìn)行修復(fù)。基本工序?yàn)椋海?）清除剝蝕混凝土；（2）對(duì)銹蝕鋼筋進(jìn)行除銹；（3）基層處理；（4）聚合物纖維水泥砂漿施工。

聚合物纖維水泥砂漿是通過(guò)向水泥砂漿摻加聚合物乳膠改性及纖維材料而制成的一類(lèi)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料，伴隨著水泥水化形成水化產(chǎn)物剛性空間結(jié)構(gòu)的同時(shí)，由于水化和水分散失使得膠乳脫水，膠粒凝聚堆積并借助毛細(xì)管力成膜，填充結(jié)晶相之間的空隙，形成聚合物相空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。聚合物相的引入提高了水泥石的密實(shí)性和黏結(jié)性，又降低了水泥石的脆性。與普通水泥砂漿相比，聚合物水泥砂漿的彈性模量低、抗拉強(qiáng)度高、極限拉伸率高、與老混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度高，因此聚合物水泥砂漿適用于水工混凝土結(jié)構(gòu)的薄層表面修補(bǔ)。聚合物水泥砂漿材料性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 聚合物水泥砂漿性能指標(biāo)

3.2渡槽伸縮縫止水修復(fù)為保證渡槽伸縮縫的功能及止水效果，必須采用能夠適應(yīng)伸縮縫變形的柔性表面止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)處理，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合禹門(mén)口工程的特點(diǎn)及要求（最大縫寬 5 cm，最大變形位移2 cm），決定采用SK手刮聚脲結(jié)合U形止水帶的表面止水結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行處理。伸縮縫止水修復(fù)方案如圖1所示。

該止水結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：（1）底部止水帶中心U形部分根據(jù)接縫的變形量設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)渡槽接縫位移而不至于在止水帶中產(chǎn)生較大的應(yīng)力， 影響止水效果。（2）U形止水帶受到環(huán)氧砂漿的保護(hù)，可有效延緩其老化時(shí)間。（3）表面SK單組份聚脲在保護(hù)底部止水帶的同時(shí)，自身也作為一道止水起到止水作用。

圖1 渡槽伸縮縫表面止水結(jié)構(gòu)型式

3.3混凝土碳化處理對(duì)于鋼筋混凝土來(lái)說(shuō)，碳化會(huì)使混凝土的堿度降低，當(dāng)碳化超過(guò)混凝土的保護(hù)層時(shí)，在水與空氣存在的條件下，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開(kāi)始生銹。為延緩混凝土碳化發(fā)展的速度，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用年限，需對(duì)混凝土表面進(jìn)行防碳化處理。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在采用柔性材料進(jìn)行防碳化處理后，混凝土碳化深度幾乎不會(huì)再發(fā)展。

混凝土常用的防碳化涂料有環(huán)氧涂層、水泥砂漿和VAE柔性防碳化水泥涂料等，通過(guò)分析比較，宜采用VAE柔性防碳化水泥涂料對(duì)渡槽槽身外壁及排架混凝土進(jìn)行表面防護(hù)?；竟ば?yàn)椋夯炷粱浊謇?；?gòu)件殘缺部分修補(bǔ)、復(fù)原，全面打磨；噴涂或輥涂防碳化涂層3-4遍，厚度不小于 1 mm。

VAE柔性防碳化水泥涂料具有較好耐紫外線老化性能，同時(shí)也具有較強(qiáng)的耐酸堿性，與水泥等無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)配形成VAE柔性水泥防碳化涂料，其防碳化能力比普通混凝土提高10倍，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 VAE柔性水泥防碳化涂料性能指標(biāo)

3.4渡槽內(nèi)壁減糙防護(hù)處理為了提高渡槽的過(guò)流能力，同時(shí)對(duì)渡槽表面混凝土進(jìn)行防護(hù)，需要選用表面糙率較低，同時(shí)具有防滲和耐老化能力好的材料，通過(guò)技術(shù)比選，本工程選用SK手刮聚脲對(duì)渡槽內(nèi)壁進(jìn)行減糙及耐久性防護(hù)處理。SK手刮聚脲是一種新型單組份聚脲材料，由含多異氰酸酯—NCO的高分子預(yù)聚體與經(jīng)封端的多元胺（包括氨基聚醚）混合，并加入其它功能性助劑所構(gòu)成，具有優(yōu)異的抗老化性能，適用于處理混凝土伸縮縫、裂縫、抗?jié)B及抗沖磨等方面的缺陷，該材料施工方便、不需要專(zhuān)門(mén)施工設(shè)備［1］。材料的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表 3［2］。試驗(yàn)結(jié)果表明［1］：SK手刮聚脲材料糙率的試驗(yàn)結(jié)果為0.089～0.010，設(shè)計(jì)成果表明當(dāng)渡槽的綜合糙率為0.010時(shí)，現(xiàn)有渡槽斷面就可以滿(mǎn)足擴(kuò)大流量至18 m3/s的要求。同時(shí)SK手刮聚脲涂層還具有優(yōu)良的防滲能力和耐老化性能，可在減小渡槽糙率的同時(shí)大大提高渡槽槽身混凝土的防滲性及耐久性。SK手刮聚脲涂層厚度為2 mm，在對(duì)基面混凝土進(jìn)行處理后刮涂施工。

表3 Ⅰ型SK手刮聚脲物理力學(xué)性能

3.5渡槽槽身加固處理根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算的結(jié)果，禹門(mén)口13#渡槽及11#渡槽槽身混凝土大范圍剝蝕，剝蝕深度大于5 cm，鋼筋外露銹蝕，內(nèi)壁環(huán)向腰線以下部位受力鋼筋銹蝕后的面積損失率超過(guò)20%，部分槽身承載力不滿(mǎn)足要求，需進(jìn)行修補(bǔ)加固。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，渡槽加固方案分別采用碳纖維布加固和增設(shè)渡槽拉桿兩種方案進(jìn)行考慮。為了驗(yàn)證增設(shè)拉桿方案的效果，對(duì)增設(shè)渡槽拉桿加固方案進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，分析過(guò)程如下。

3.5.1 計(jì)算工況及有限元模型 渡槽跨長(zhǎng)15 m，分別按原間距1.5 m和拉桿間距縮小即0.75 m兩種工況進(jìn)行計(jì)算分析。有限元模型網(wǎng)格如圖2所示。

3.5.2 計(jì)算結(jié)果 根據(jù)渡槽的受力特點(diǎn)，選取典型截面進(jìn)行對(duì)比，渡槽主應(yīng)力如圖3—圖5所示。不同間距渡槽主拉應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表4。

由圖3—圖5可以看出，增設(shè)拉桿方案渡槽各主要受力區(qū)域主拉應(yīng)力較原設(shè)計(jì)工況有輕微改變，但無(wú)明顯改善，說(shuō)明增設(shè)拉桿對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)加固作用不大。而采用粘貼碳纖維布的加固方案可直接作用于渡槽結(jié)構(gòu)受力區(qū)，改善槽身受拉區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，且其施工簡(jiǎn)單方便，與增設(shè)拉桿方案相比，在渡槽內(nèi)部適當(dāng)粘貼碳纖維進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固是比較可行的方案。根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算結(jié)果，渡槽槽身內(nèi)側(cè)下部為受拉區(qū)，確定渡槽加固范圍為槽身內(nèi)部橫截面的45°～135°范圍內(nèi)。根據(jù)復(fù)核計(jì)算結(jié)果粘貼一層碳纖維布即可滿(mǎn)足渡槽結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的要求。

3.5.3 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固 碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)是利用高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合片材，將片材用專(zhuān)用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼在結(jié)構(gòu)外表面受拉或有裂縫部位，固化后與原結(jié)構(gòu)形成一整體，碳纖維即可與原結(jié)構(gòu)共同受力。由于碳纖維分擔(dān)了部分荷載，降低了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)得到補(bǔ)強(qiáng)加固。碳纖維片的抗拉強(qiáng)度可達(dá)3 500 MPa，比鋼材高7～10倍。由于它具有耐久性好，施工簡(jiǎn)便，不增大截面，不增加重量，不改變外形等優(yōu)點(diǎn)，目的在工程界應(yīng)用較廣泛。

圖2 有限元模型網(wǎng)格

圖3 主拉應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖4 橫桿1.5m間距典型截面主應(yīng)力分布（單位：Pa）

圖5 橫桿0.75m間距典型截面主應(yīng)力分布（單位：Pa）

表4 不同間距渡槽主拉應(yīng)力對(duì)比 （單位：MPa）

現(xiàn)場(chǎng)粘貼碳纖維布環(huán)境溫度應(yīng)大于5℃，基本工序?yàn)椋夯炷粱浊謇?、涂底層膠、用環(huán)氧膩?zhàn)舆M(jìn)行殘缺修補(bǔ)、粘貼碳纖維片、養(yǎng)護(hù)、涂刷防護(hù)涂料。

碳纖維布的規(guī)格及性能指標(biāo)如表5。

表5 碳纖維布的規(guī)格及性能指標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

2014年對(duì)山西禹門(mén)口灌區(qū)二級(jí)干渠11#、13#兩座渡槽采取以上修補(bǔ)加固技術(shù)方案進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固及防護(hù)處理。工程修復(fù)后經(jīng)過(guò)通水運(yùn)行觀察，相關(guān)病害得到了有效的處理，滲漏問(wèn)題得到了徹底解決，渡槽運(yùn)行水位明顯下降、流速增大，過(guò)流能力有了明顯提高，工程處理取得了良好的效果。

［1］ 孫志恒，夏世法，付穎千，等.單組分聚脲在水利水電工程中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2009，40（1）：71-72.

［2］ DL/T 5315-2014，水工混凝土建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)程［S］.北京：國(guó)家能源局，2014.