头屯河水库工业供水暗渠工程病害成因分析及处理措施

2012-11-15张金铸

黑龙江水利科技 2012年12期

张金铸

(新疆水利厅头屯河流域管理处，新疆昌吉831100)

1 工程概况

头屯河水库工业供水暗渠工程主要承担八钢集团的工业供水任务，位于水库西侧，于1994年9月基本完工并投入运行，供水暗渠全长4 565 m，矩形断面1.2 m×1.2 m，其中混凝土渠道483 m，厚度40 cm，设计引水流量:1.2 m3/s，校核流量为:1.6 m3/s。工程运行已＞10 a，部分渠段出现蜂窝麻面、表面松散脱落，并有不同程度的磨损，伸缩缝变形漏水严重，个别缝隙已形成管涌通道。在头屯河水库除险加固为期2 a的施工过程中，工业供水暗渠作为库外供水系统的骨干工程，其运行的安全性，可靠性，将直接影响水库除险加固工程进度和八钢工业生产安全，解决暗渠的渗漏也迫在眉睫。

2 存在问题及原因分析

2.1 暗渠断面磨损原因分析

1)含沙量大。由于头屯河流域上游植被破坏，造成水土流失严重，2011年河道全年来水悬移质输沙总量为139.31万t，占全年的47%.入库最大含沙量67.5 kg/m3.含沙量大的水流进入暗渠后对暗渠底板以及侧壁进行磨损，造成暗渠大部分断面磨损严重。

2)进入暗渠水流速度快，由于工业供水暗渠进水底坎高程1 007.5 m以下渠道断面是矩形，大坝连接压力钢管暗渠尾部高程为995 m，所以暗渠水流速度快，也加快了暗渠底板及侧壁的磨损。

2.2 暗渠渗漏原因

1)伸缩缝的渗漏。头屯河工业供水暗渠始建于1995年，暗渠全长4 565 m，由于地形地貌原因修建了5处输水渡槽，渡槽是输送水流跨越河渠、山沟等架空输水建筑物，暗渠由于运行多年，渠板之间的伸缩缝及构件间的接头、接缝之间都有渗漏现象。

2)暗渠自重的原因。渡槽采用多箱薄壁结构型式，作为肋板形式的宽梁或开口的箱形梁，其宽跨比较大，会在复杂的薄壁槽身截面上产生剪力滞现象。剪力滞效应会导致结构局部应力过分集中，造成结构破坏或局部开裂，影响结构的安全性或适用性。

2.3 暗渠淤积的原因

头屯河属于多泥沙性河流，主要有3种侵蚀类型:①坡面侵蚀;②沟谷侵蚀;③沟谷坡面侵蚀。头屯河流域中游地带，地质条件差，坡体上残破积物广布，并且地形较陡，在主流两侧的支沟中，一般都具有较丰富的松散固定物质，它们也是河道来沙的重要物质来源。在季节性积雪消融和降雨时，容易形成高含沙水流和山洪。坡体上残留坡积物松散固体物在这些高含沙水流和山洪的作用下，被带入河道。含沙量大的水流进入暗渠后，粒径大的砂石就停留在暗渠内，日积月累从而使暗渠造成淤积。

2.4 暗渠沉陷的原因

1)地质情况复杂。供水暗渠沿线地质情况复杂，有多种土壤组成，岩石戈壁地基长2 259 m，沉陷性黄土地基长度2 306 m。供水渠道沿线地形起伏不平，沟坡纵横交错，冲沟较多，由于周边人员的采砂破坏了岩体内部原有的力学平衡状态，引起地表下沉和变形，影响到位于开采范围内的建筑物、河流、管道的地表沉陷以及地形地貌的变化，从而造成暗渠的沉陷。

2)冻胀原因。供水暗渠运行期一般在4—10月，暗渠混凝土是由砂、石、水、水泥等材料组成的，这些材料具有一定的吸水性，又长期处在水的环境中，这些水分在负温度条件下，体积会发生膨胀，经过多个冻融循环和应压力的反复作用，最终导致混凝土的冻融破坏。混凝土属于刚性材料，具有较高抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形或不均匀变形的能力较差，在冻胀力或热应力的作用下，容易破坏，其破坏形式归纳如下:①鼓胀及裂缝。在冬季混凝土板与渠床基土冻结成一个整体，承受着冻结力、冻胀力，以及混凝土板本身收缩产生的拉应力等，当这些应力值大于混凝土板在低温下的极限应力时，板体就发生破坏;②架空隆起。在地下水位较高的渠段，渠床基土距地下水近，冻胀量大，而渠顶冻胀小，造成混凝土衬砌板大幅度隆起、架空;③滑塌。渠道衬砌的冻融滑塌有2种形式:其一由于冻胀引起混凝土板隆起架空，使得坡脚承受到破坏，混凝土板垫层失去稳定平衡，因而基土结冻时混凝土板遭冻胀挤压而破坏，上部混凝土板块顺坡向下滑移推开下部混凝土板塌落下滑。部分暗渠段由于冻胀原因发生沉陷变形。

3 水库工业供水暗渠处理措施

3.1 渠道及伸缩缝防渗漏处理

3.1.1 渠道断面防渗及蜂窝麻面的处理

头屯河水库根据供水渠道出现的问题采用混凝土衬砌的防渗措施。对部分渠段出现蜂窝麻面、表面松散脱落等现象采用聚合物砂浆抹面修补，聚合物砂浆适用于水工、工业建筑物混凝土的孔洞、蜂窝、麻面等缺陷修补加固。聚合物砂浆是由改性有机高分子乳液、化学助剂、硬质干混料经工厂化加工而成的聚合物修补加固砂浆，具有优异的抗裂性、抗渗性、强度高、黏结力好，可保护其修补的混凝土中钢筋免遭侵蚀，提高了抗碳化、抗氯离子渗透的能力。

3.1.2 基层处理

对混凝土预制件表面的缺陷进行清理，剔除剥落、疏松、蜂窝和腐蚀等劣化混凝土并用清水冲洗干净。用抹刀将砂浆用力压抹至修补面上，一般修补层厚度≤30 mm，每次压抹≤10 mm为宜，待表干后再进行上面一层的施工。施工完成后，对外露的砂浆表面实施阴湿养护。

3.1.3 暗渠伸缩缝渗漏采用BW—90型止水条处理

BW—90型止水条是有一定内聚力的柔性材料，能适应伸缩缝的移位，且与新、老混凝土面均能良好黏接，无污染，又不需要复杂的施工设备，能适应此次工程修补工期短，施工完成后又要马上过水的特点，更重要的是可避免用止水带止水时对材质要求高、施工难度大的弱点。BW—90型止水条主要性能指标见表1。

伸缩缝的施工方案见图1(未加预留缝)，具体施工工艺如下:

1)用电锤沿伸缩缝开凿梯形槽，槽深约40 mm×50 mm。

2)对渗水及大量漏水处，用快速堵漏剂进行堵漏处理，保证槽内表面干燥无水

3)在槽内开挖面涂刷聚合物水泥净浆，用拌好的聚合物水泥砂浆做出新的品种来，槽的断面尺寸要＜BW—90胶条的断面尺寸。

4)将槽内两侧涂界面剂，随后抹聚合物砂浆，再将BW—90胶条嵌入梯形槽内，使BW—90止水胶条与聚合物水泥砂浆紧密结合，在BW—90止水胶条表面上抹聚合物水泥砂浆封闭。即待表面聚合物水泥砂浆初凝后，沿BW—90胶条顶部的聚合物水泥砂浆中心位置切一条预留缝。

3.2 处理方案的试验结果及分析

暗渠通水运行期结束后停水检查，对用聚合物砂浆修补的部位进行检查发现:修补面光滑，新老混凝土黏结平整，没有脱落现象。

结果表明聚合物砂浆对修补暗渠蜂窝麻面施工效果明显，在工期紧的情况下施工能够达到一定的强度和硬度。使用BW—90材料处理的个别裂缝发现漏水现象，凿开后，发现有的漏水部位裂缝是沿着BW—90材料一侧拉开漏水，有的漏水部位裂缝是沿着新老混凝土面漏水。分析其原因:①施工未严格按照施工工艺执行、槽的尺寸等于BW—90止水条的尺寸，槽内两端未涂界面剂和聚合物砂浆导致BW—90止水条与槽之间结合不紧密;②为了堵漏，将槽的底部和两侧都抹上堵漏材料，而堵漏材料与老混凝土之间的黏接强度较低，导致两侧的堵漏材料与老混凝土之间出现了薄弱环节;③BW—90止水条表面聚合物砂浆太厚，强度高。由于这3种原因，当伸缩缝张开时，在处理部位的伸缩缝首先是沿着强度薄弱部位拉开，而不是沿着BW—90止水条中部开裂，导致漏水。

图1 伸缩缝的施工方案

在分析上述原因的基础上，加强了技术人员现场质量控制，施工人员严格按施工工艺操作，并且改进了施工工艺，将BW—90止水材料处理的伸缩缝增加一道工艺，即沿封盖胶条的表层聚合物砂浆中部人为的切出一条预留缝，当伸缩缝张开时，可以保证表层聚合物砂浆不受力，只能沿着BW—90止水条伸缩变形，从而可以发挥BW—90止水条止水的作用，修改后的施工工艺，为下一步处理类似的伸缩缝提供了宝贵的经验。

水工混凝土缺陷处理的关键是要有合适的施工方案、优质的施工材料和严格的施工工艺，三者缺一不可，头屯河工业供水暗渠缺陷处理通过约1 a的通水运行和停水后检查，发现这次对渠道混凝土蜂窝麻面及伸缩缝渗漏的处理是成功的，关键是施工工艺及施工质量。这次供水暗渠试验工作为今后头屯河流域类似工程提供了宝贵经验。