山西禹门口引黄灌区渡槽建筑物缺陷修补加固处理

刘志芳　杨伟才　甄　理

(1.山西省禹门口水利工程管理局，山西 太原　030002;2.中国水利水电科学研究院结构材料所， 北京　100038)



山西禹门口引黄灌区渡槽建筑物缺陷修补加固处理

刘志芳1杨伟才2甄理2

(1.山西省禹门口水利工程管理局，山西 太原030002;2.中国水利水电科学研究院结构材料所， 北京100038)

本文以山西禹门口灌区二级干渠渡槽加固改造工程为例，针对其存在的混凝土冻融剥蚀、严重碳化、钢筋锈蚀、裂缝等老化病害问题，在检测评估的基础上提出了相应的修补加固技术方案。工程修复后经过通水运行观察，相关病害得到了有效处理，渗漏问题得到了彻底解决，渡槽运行水位明显下降、流速增大，过流能力有了明显提升，工程处理取得了良好的效果。

大型灌区； 渡槽； 修补加固； 降糙处理

1　前　言

随着国民经济的快速发展，中国工农业用水量不断增长，水资源日益紧缺。为了保证工农业用水供应，当前水利工程建设重点转向了农业灌区和引调水工程。灌区和调水工程一般均包含渡槽建筑物，且渡槽往往是工程的重要建筑物或关键工程。鉴于渡槽建筑物结构型式多样，多年运行后易发生病害，对工程运行安全形成威胁，因此对其结构进行修补加固一直是大型灌区及调水工程运行维护的难点。本文以山西禹门口灌区二级干渠渡槽加固改造工程为例，针对其存在的混凝土冻融剥蚀、严重碳化、钢筋锈蚀、裂缝等老化病害问题进行检测分析，并对其修补加固技术方案进行了技术研究及现场应用，以期能够对国内其他渡槽工程的加固改造以启迪。

2　工程概况

山西禹门口灌区属于大型水利灌区工程，其二级干渠工程建于20世纪90年代，工程为Ⅲ级建筑物，设计输水流量为14.54m3/s，加大流量为16.72m3/s。禹门口灌区二级干渠共有14座渡槽，工程经过20多年的运行，渡槽出现了不同程度的老化病害，现场检测及结构复核计算结果表明，禹门口渡槽槽身及排架结构承载能力满足规范要求，但渡槽混凝土存在比较严重的老化病害，目前渡槽建筑物的老化病害现象日趋严重，渡槽槽身内混凝土冻融剥蚀、严重碳化、钢筋锈蚀、裂缝等现象十分普遍，这些病害与缺陷已直接影响工程的安全运行。因此，必须对渡槽存在的问题进行修补加固处理。

3　渡槽修补加固技术方案

首先对14座渡槽中老化病害程度最严重的11号、13号两座渡槽进行修补加固处理。针对渡槽存在的上述几方面病害问题，有针对性的提出了修补加固处理方案。

3.1混凝土剥蚀破损修复处理

根据渡槽建筑物的运行环境和现场剥蚀状况，决定采用聚合物纤维水泥砂浆对混凝土剥蚀面进行修复。聚合物纤维水泥砂浆具有较好的性能，技术可靠，工程应用效果较好。其修复工序如下：首先凿除冻融或钢筋锈胀引起的基层混凝土及脱空的混凝土，直至出露新鲜坚硬的混凝土面，凿除深度应大于1cm，且凿除厚度宜均匀，凿除坑的周边应垂直，轮廓线宜构成凸多边形。出露的钢筋如发生锈蚀，应进行除锈处理，然后涂刷阻锈剂。对需采用聚合物水泥砂浆修补的部位，在聚合物水泥砂浆修复前，在处理好的基层表面涂刷界面剂，界面剂可选聚合物水泥净浆或水溶性环氧类黏结剂等。具体工艺程序如下：清除剥蚀混凝土→钢筋除锈→基层处理→聚合物纤维水泥砂浆施工→养护。

3.2槽身伸缩缝止水修复处理

渡槽伸缩缝原止水结构缝宽3cm，在伸缩缝处预留宽15cm、深4cm的槽，缝内填充胶泥麻丝，槽底部铺设聚氯乙烯胶泥黏贴三层玻璃丝布，槽内上部采用未膨胀水泥砂浆填平。在膨胀变形时，由于上部的水泥砂浆是刚性材料，不能适应伸缩缝的变形，导致缝内止水被挤碎或破坏，造成伸缩缝渗漏。为保证渡槽伸缩缝的功能及止水效果，必须采用能够适应伸缩缝变形的柔性表面止水结构进行修复处理，根据以往经验，结合禹门口工程的特点及要求(最大缝宽5cm，最大变形位移2cm)，决定采用SK单组份聚脲结合U形止水带的表面止水结构型式进行处理。伸缩缝止水修复方案如图下所示。

渡槽伸缩缝表面止水结构型式示意图

该止水结构的特点是：ⓐ底部止水带中心U形部分根据接缝的变形量设计，可以适应渡槽接缝位移而不至于在止水带中产生较大的应力，影响止水效果；ⓑU形止水带受到环氧砂浆的保护，可有效延缓其老化时间；ⓒ表面SK单组份聚脲在保护底部止水带的同时，自身也起到止水作用。

3.3槽身外侧及排架混凝土碳化处理

钢筋混凝土发生碳化会使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气的作用下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。为延缓混凝土碳化发展的速度，提高结构的耐久性，延长结构的使用年限，需对混凝土表面进行防碳化处理。工程实践经验表明，在采用柔性材料进行防碳化处理后，混凝土碳化深度几乎不再发展。

混凝土常用的防碳化涂料有环氧涂层、水泥砂浆、VAE柔性防碳化水泥涂料等，通过技术经济比较，禹门口渡槽改造工程决定采用柔性的VAE柔性防碳化水泥涂料对渡槽槽身外壁及排架混凝土进行表面防护。采用喷涂改性VAE防碳化涂料时，施工厚度不小于1mm为宜。其施工工艺要求如下：将混凝土构件表面的残缺、破损部分清除干净至结构密实部位。对经过剔凿、清理和露筋的构件残缺部分，进行修补、复原，全面打磨。

在已清洗、修补及打磨后的混凝土表面，用高压喷涂机喷涂防碳化涂层或辊涂防碳化涂层。防碳化涂料为改性VAE防碳化防护涂料，防碳化涂层共喷涂(或涂刷)3～4遍，应喷涂均匀。每一道涂层表面晾干后，可再喷下一层。各层防碳化材料的配比见表1。

表1　改性VAE防碳化配比

3.4渡槽内壁减糙防护处理

渡槽原设计时糙率按0.014考虑，由于长期运行及混凝土表面剥蚀老化，表面糙率较工程新建时大大增加。为了提高渡槽的过流能力，同时对渡槽表面混凝土进行防护，需要选用表面糙率较低，同时具有防渗和较好耐老化能力的材料进行减糙防护处理。通过技术比选，该工程决定选用SK单组份聚脲材料进行减糙防护处理。试验结果表明：SK单组份聚脲材料糙率的试验结果为0.089～0.010，当渡槽的综合糙率为0.010时，现有渡槽断面就可以满足扩大流量至18m3/s的要求。同时聚脲涂层还具有优良的防渗能力和耐老化性能，可在减小糙率的同时大大提高槽身混凝土的防渗性与耐久性。

SK单组份聚脲涂层宜采用刮涂、涂刷或辊涂的方法施工，涂刷聚脲施工应在基层界面允许的时段内进行，斜面或立面宜采用多遍涂刷，一次涂刷厚度不宜大于1mm，后序涂刷应在前一道涂刷晾干后进行，直至厚度达到设计要求。涂层厚度应不小于2mm。

施工工序如下：混凝土表面清理打磨→清洗→专用腻子修补孔洞→涂刷底涂→刮涂单组分聚脲→养护。

3.5渡槽槽身粘贴碳纤维加固处理

碳纤维补强加固技术是利用高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合片材，将片材用专用环氧树脂胶粘贴在结构外表面受拉或有裂缝部位，固化后与原结构形成一整体，碳纤维即可与原结构共同受力。由于碳纤维分担了部分荷载，降低了钢筋混凝土结构的应力，从而使结构得到补强加固。由于它具有耐久性好、施工简便、不增大截面、不增加重量、不改变外形等优点，目前其应用较为广泛。

根据检测结果，影响槽身结构承载能力的主要为槽身腰线部位以下内侧环向钢筋的严重锈蚀和混凝土剥蚀，结构复核计算结果表明槽身内侧下部为受拉区，因此，加固的范围为槽身横截面45°～135°范围。槽身的承载能力降低较多，局部不满足要求，因此在该区域粘贴一层碳纤维布对槽身进行加固，保证渡槽的安全运行。

碳纤维片的抗拉强度可达3500MPa，比钢材高7～10倍，由于采用了性能优良的黏结材料，不仅树脂可以渗入混凝土中，将碳纤维片材紧密地黏结在结构外表面，而且树脂具有较高的强度，能有效传递碳纤维与混凝土之间的应力，确保不产生界面剥离现象。

现场粘贴碳纤维布环境温度应大于5℃，施工工艺如下：混凝土基底清理→涂底层胶→用环氧腻子进行残缺修补→粘贴碳纤维片→养护→涂刷防护涂料。

4　材料性能简介

4.1聚合物水泥砂浆

聚合物纤维水泥砂浆是通过向水泥砂浆掺加聚合物乳胶改性及纤维材料而制成的一类有机无机复合材料，伴随着水泥水化形成水化产物刚性空间结构的同时，由于水化和水分散失使得胶乳脱水，胶粒凝聚堆积并借助毛细管力成膜，填充结晶相之间的空隙，形成聚合物相空间网状结构。聚合物相的引入提高了水泥石的密实性、黏结性，又降低了水泥石的脆性。与普通水泥砂浆相比，聚合物水泥砂浆的弹模低、抗拉强度高、极限拉伸率高、与老混凝土的黏接强度高，因此聚合物水泥砂浆适用于水工混凝土结构的薄层表面修补。聚合物水泥砂浆材料性能指标见表2所示。

表2　聚合物水泥砂浆性能指标

4.2SK单组份聚脲

SK单组份聚脲是一种新型单组份聚脲材料，由含多异氰酸酯—NCO的高分子预聚体与经封端的多元胺(包括氨基聚醚)混合，并加入其他功能性助剂所构成。在无水状态下，体系稳定，储存期在6个月以上。一旦开始施工，在空气中水分的作用下，迅速产生多元胺，多元胺迅速与异氰酸酯—NCO反应，整个过程没有二氧化碳产生，也就不会有气泡产生。

SK单组份聚脲材料具有优异的抗老化性能，在阳光照射下，SK单组份聚脲本身有30年以上的使用寿命，耐久性能优异。并且SK单组份聚脲具有-45℃的低温柔性，能适应高寒地区的低温环境，尤其是能抵抗低温时混凝土开裂引起的形变而不渗漏。SK单组份聚脲材料防渗能力强、抗冲磨效果好，且伸长率大，适用于处理混凝土伸缩缝、裂缝、抗渗及抗冲磨等方面的缺陷，该材料施工方便、不需要专门施工设备。材料的主要技术指标见表3。

表3　单组分涂刷聚脲物理力学性能

4.3VAE柔性水泥防碳化涂料

VAE防碳化乳液是醋酸乙烯-乙烯共聚乳液的简称，其具有较好耐紫外线老化性能，同时也具有较强的耐酸碱性，与水泥等无机材料进行复配形成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，该材料性能指标见表4。

表4　VAE柔性水泥防碳化涂料性能指标

4.4碳纤维布

渡槽槽身加固采用一级碳纤维布，碳纤维布的规格及性能指标见表5。

表5　碳纤维布的规格及性能指标

粘贴碳纤维板材或织物加固时应使用与混凝土及碳纤维有良好适配性的黏结剂(包括浸胶以及用它配置的底涂胶和修补胶)，如：改性环氧树脂等，碳纤维黏结剂的基本性能要求见表6。

表6　碳纤维黏结剂基本性能要求

5　结　语

2014年对禹门口灌区二级干渠的1号、13号两座渡槽进行了修补加固改造，修复剥蚀混凝土面积约8000m2，聚脲减糙防护处理面积6500m2，碳纤维布加固面积约2000m2，处理伸缩缝63条，防碳化面积13000m2。工程修复后经过一年的通水运行观察，相关病害得到了有效处理，渗漏问题得到了彻底解决，渡槽运行水位明显下降、流速增大，过流能力有了明显提高，工程处理取得了良好的效果。

中国渡槽的数量和规模均处于世界前列，很多渡槽工程都存在与禹门口灌区渡槽相类似的病害问题，禹门口灌区渡槽的成功修补加固为类似工程的修补处理提供了参考，对于全国大型灌区及调水工程的改造加固处理具有一定的借鉴意义。

[1]孙志恒，夏世法，付颖千，等.单组分聚脲在水利水电工程中的应用[J].水利水电技术，2009(1).

[2]DL/T 5317—2014水电水利工程聚脲涂层施工技术规程[S].北京：中国电力出版社，2014.

[3]DL/T 5315—2014水工混凝土建筑物修补加固技术规程[S].北京：中国电力出版社，2014.

Aqueduct building defect repair and reinforcement treatment of Shanxi Yumenkou Yellow River Diversion Irrigation Area

LIU Zhifang1, YANG Weicai2, ZHEN Li2

(1.ShanxiYumenkouAdministrationofWaterConservancyProject,Taiyuan030002,China;2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchStructureMaterialOffice,Beijing100038,China)

In the paper, Shanxi Yumenkou Irrigation Area Stage II Canal Aqueduct Reinforcement and Transformation Project is adopted as an example. Corresponding repair and reinforcement technical plan is proposed on the basis of testing evaluation aiming at aging and disease problems thereof such as concrete freeze-thaw erosion, serious carbonation, steel bar rust, crack, etc. Water penetration operation observation is implemented after project repair. Related defects are effectively handled. Seepage problem is completely solved. Aqueduct operation water level is lowered prominently, flow velocity is increased, the overflow ability is obviously improved, and project handling is fruitful.

large irrigation area; aqueduct; repair and reinforcement; roughness dropping treatment

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.10.022

TV672+.3

B

1005-4774(2016)10- 0076- 05