新型防护结构在倒虹吸工程中的应用研究

张 欣，张永先

(辽宁省水利水电科学研究院建材岩土试验研究所，辽宁 沈阳 110003)

新型防护结构在倒虹吸工程中的应用研究

张 欣，张永先

(辽宁省水利水电科学研究院建材岩土试验研究所，辽宁 沈阳 110003)

文章介绍了辽西地区海滨灌区倒虹吸工程现状,并分析了倒虹吸混凝土结构破损的主要类型和产生的原因。详细说明了一种适用于倒虹吸及箱涵式输水建筑物的新型防冲刷保温防渗结构,介绍了该结构的组成部分及主要优势,并在海滨灌区得到了推广与应用,通过观测,效果显著。

倒虹吸;防冲刷;保温;防渗

1 海滨灌区概况

海滨灌区位于兴城市西南方向，烟台河两侧，是兴城市重要商品粮基地之一。灌区地处北温带，属于温带大陆性季风气候区，其特点是冬季以西北季风为主，严寒干燥;夏季以东南季风为主炎热多雨，四季冷暖干湿分明。多年平均降水量为586.8m m;多年平均蒸发量为1519.9m m(E 601);多年平均气温在 9.1℃，极端气温在 -27.5～40.8℃之间。气温由北向南递增;多年平均风速为2.8m/s，最大风速可达23.7m/s，为西南风。受季风和地形影响，夏季盛行南风，冬季盛行北风。主导风向为北风和西南风。标准冻土深度为1.02m。

2 倒虹吸工程现状

灌区内建有多种渠系建筑物，其中包括十余座倒虹吸工程，运行以来每年都为农灌输水发挥了重要作用。倒虹吸是当渠道与道路、河流发生交叉或渠道穿越山谷时经常采用的一种水工建筑物，海滨灌区内倒虹吸形式多数为厢式混凝土结构，大部分运行时间已达到20余年，尤其是2000年后烟台河采砂造成河床下降，导致有6座倒虹吸已经完全裸露于地表。曾经对灌区2座倒虹吸进行了修复，但大部分倒虹吸由于受到灌区气候的影响，厢体漏水、混凝土破损等问题仍十分严重。

3 混凝土结构破坏类型及原因分析

倒虹吸工程混凝土出现的破坏类型主要为渗漏破坏、水流冲刷侵蚀破坏、冻胀破坏，这3种破坏形式既单独产生影响，同时又相互加重混凝土的内外损伤。夏季主要体现为渗漏缺陷;冬季主要表现为冻胀破坏，含有水分的裂缝部位和冲刷剥蚀区冻胀破坏尤其严重;汛期，过流泥沙对倒虹吸顶部主要产生冲刷侵蚀破坏，在顶部和倒虹吸下游均出现了较为严重的淘刷坑和冲刷剥蚀区。

3.1 渗漏破坏

夏季工况下，多数倒虹吸尤其是裸露于地表的6座倒虹吸，不仅经受反复内外压差交替、突变，而且受河流冲刷、磨蚀的影响，厢体顶部与立面的连接部位多处出现混凝土漏水;裂缝、施工缝、伸缩缝部位也多处渗水。

裂缝、施工缝、伸缩缝长期渗水对结构内部钢筋不利，将引起钢筋锈蚀等问题;长期渗水，裂缝、施工缝、伸缩缝处的内部混凝土将会少量发生钙质析出现象，大量发生缝口附近混凝土局部冻融破坏;裸露于地表的混凝土缺乏任何保护，碳化速度加快，导致混凝土钙质流失、析出，混凝土变得疏松，失去强度。渗水的部位常常是内水外渗和外水内渗交替发生，倒虹吸内外压差处于不稳定状态。

3.2 水流冲刷侵蚀破坏

冲刷、磨蚀引起的混凝土结构体厚度减小，剥蚀深度加大、面积扩大。倒虹吸顶部和下游侧立面混凝土剥蚀深度逐年增加。汛期，过流泥沙对倒虹吸顶部和下游侧产生严重的淘刷，在顶部混凝土表面产生严重的剥蚀区域，混凝土表面局部出现钢筋外露、冲蚀坑洞、表层混凝土剥落等问题，下游侧出现较大的淘刷坑，甚至将倒虹吸底部基础淘刷出坑洞。如果不及时阻断，采取有效措施防止进一步破坏，混凝土结构体很快就大面积露出钢筋，普遍发生锈胀破坏，虽然这些破坏目前不太严重，曾对少量部位进行过一定程度的修补，但是历次修补仅仅是使用普通砂浆进行简单的外保护，钢筋锈蚀依然会在未来持续发生并扩大范围，而且如果没有修补、阻断、防护措施，剥蚀深度和面积会不断加深、扩大，新的锈胀和鼓胀破坏将严重影响钢筋混凝土寿命。另外地表径流冲刷和淘刷引起的基础变动，常常导致倒虹吸整体受力不均，冬季内外结冰体更是加重了这种不均衡受力。按照钢筋混凝土建设、维护保养5倍定律，即如果现在不采取有效措施进行表层保护、除锈、阻锈，那么未来3～5年每年将付出5倍于建设期费用的维护费来进行修补防护保养。

3.3 冻胀破坏

冬季工况下，降水和气候共同影响导致厢体部位混凝土在受到冻胀影响的同时还经受反复冻融破坏。尤其是有渗流的裂缝、施工缝、伸缩缝更是从内部侵蚀冻伤混凝土，内外渗流结冰以及厢体整体处于冻土层以上环境，导致冻融剥蚀带来的损害十分严重，有的表层混凝土基本疏松，个别严重的部位出现了钢筋混凝土结构体局部塌陷、孔洞等严重冻害破损。

由于灌区内倒虹吸数量较多，破损率较高，因此对倒虹吸的混凝土结构进行了修补处理。但因缺乏新的材料和先进的技术手段，修补措施仅仅是使用了普通的水泥砂浆进行了简单维修处理，在经受较长时间的运行后依然损坏严重。

4 修补防护措施

鉴于倒虹吸工程出现了较多的内外损伤，因此在修补防护设计中需要考虑一种新型耐用的修补加固与防护技术。

新加固修补后的倒虹吸箱体应当避免出现类似的问题，并且能够在原有结构的基础上进行改造，尽量节约建设基金。

首先对裂缝、渗漏、剥蚀破坏的区域进行预处理，然后使用一种新型的结构进行修补防护加固。

基于兴城市海滨灌区倒虹吸的现状及现有修补技术存在的问题，研究了一种新型的防冲刷保温防渗结构。主要由工程原有混凝土结构、防锈钢筋网、自流平修补加固砂浆层、锚固钢筋、聚氨酯防水涂层、挤塑板保温层组成，如图1所示。

其施工工艺为:将倒虹吸混凝土结构的两侧立面和底面内侧，经凿毛露出新鲜混凝土表面后涂刷一薄层均匀的界面剂，在界面剂上铺设防锈钢筋网。混凝土结构的两侧立面和底面均匀布设有钻孔，钻孔内置锚固剂(植筋胶)，锚固钢筋置入钻孔将防锈钢筋网锚固。于防锈钢筋网内侧放置模板，模板以校紧肋板及连接锚固钢筋的调位螺丝固定，通过模板在铺设防锈钢筋网的新鲜混凝土表面浇筑自流平修补加固砂浆。混凝土结构的顶面内侧依次涂刷第一层界面剂、第二层聚氨酯防水涂层。顶面和立面外侧冻层以上向外依次抹布第一层砂浆修补找平层、第二层保温粘接砂浆，粘贴挤塑板保温层，并浇筑 C 20混凝土层。在挤塑板保温层和C 20混凝土层的端部设置有聚氨酯防水涂层。具体如图1所示。

图1 新型防护结构示意图

5 结构适应性分析

该结构不仅适用于倒虹吸结构，同样适用于箱涵式输水建筑物，其特点在于:针对箱涵及倒虹吸工程出现的破坏缺陷，该结构具有防冲刷保温防渗的综合作用。

满足箱涵及倒虹吸混凝土结构的防冲刷需求，不使河床抬高过多，就能达到抗冲防护效果，避免使用铅丝石笼覆盖顶部结构增加结构体厚度;结构体冻层以上部位粘贴挤塑板，有效解决冬季工况下，河床裸露于地表，箱涵及倒虹吸内部混凝土经受冻害的问题;挤塑板具有较低的吸水率，可以长期有效地起到保温作用，使受保护混凝土免遭冻胀、冻融破坏;聚氨酯防水涂层减少了外水内渗，使保温层较为干燥，有利于提高保温效果;抗冲磨砂浆保护层提高了内部混凝土表面的抗冲刷性能，使结构体不受冲刷破坏;将倒虹吸结构内部涂刷适宜厚度的聚氨酯防水材料，降低了糙率，提高了过流能力。

6 应用效果观测

通过在兴城市海滨灌区应用该种结构防护倒虹吸工程，6处倒虹吸工程均得到较好的防冲刷保护，保护长度累计达到150m，防护效果显著，大大提升了灌区倒虹吸的使用寿命。通过现场观测，发现保温效果显著，通过对结构体地面以下40c m深度的混凝土温度进行测试发现，采用10c m厚度的挤塑板保温层以后，能够提高结构体温度3～5℃，可以有效降低结构体发生冻害的几率;通过运行观测，发现内部防水和修补砂浆结构层完好，结构体顶部的混凝土有少量的冲刷痕迹，没有明显的破坏。

图2 倒虹吸1

图3 倒虹吸2

图4 倒虹吸3

图5 倒虹吸4

图6 倒虹吸5

图7 倒虹吸6

7 结语

通过持续观测6座倒虹吸工程发现，为了达到预定的防冲刷保温防渗效果，需要在材料的选择、施工工艺、结构设计等方面因地制宜地予以充分考虑。采用挤塑板保温效果就比苯板效果好，挤塑板具有极低的吸水率，既可以保温又具有防水效果;素混凝土位于挤塑板上层，既对隔热层予以保护，又可以代替铅丝石笼，降低覆盖厚度;在该结构施工开展之前应该先对裂缝、渗漏、剥蚀等缺陷进行预处理，处理完毕后再开展该结构的施工。

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图4 铜绿微囊藻叶绿素a浓度与藻密度的关系

铜绿微囊藻密度与叶绿素a的具有较好的线性关系，其回归方程为:y=0.3618x，相关系数R2= 0.9945，其中:y为铜绿微囊藻的密度(107个/L)，x为样品中叶绿素a的浓度(μ g/L)。

4 讨论

浮游生物细胞计数方式有:光学显微镜镜检、藻类叶绿素a的转换、分光光度计的光吸收、荧光分光光度计的多波段检测等，其中藻类的光学显微镜检是最直接的检测方式，但通常浮游植物在地表水体中浮游生物的密度较低，需要浓缩才能进行测定，固定时间为24～36h，还需要浓缩镜检的时间，镜检耗时但准确性较好。

分光光度计和叶绿素a的藻类换算计数则仅限于单种(纯种)藻类的计数换算，且已知单种藻的换算关系下进行。除少数种类(如铜绿微囊藻)绝大部分的藻类都未探讨过其中的换算关系，因自然界中藻类的物种多样性较大，每一水体都是由几门的几百种的浮游植物构成，故探讨某一种类的关系有一定的局限性，但在水华期间，单种藻占据水体浮游植物细胞数的95%以上，其线性关系较明显，简单的测量能较快地反映水体的细胞数及生物量，节省很多人力物力。此方式也适用于人工培养的藻类水体(如螺旋藻)和实验室纯培养实验。

荧光分光光度计的多波段检测能较快反映藻类4门的藻类密度状况，但也缺乏严格校正的换算关系，如蓝藻(Bluegreen algae)在德国B B E藻类分类检测仪的换算关系为1μg的叶绿素a等于1×106个的藻细胞，而通过本次实验则获得的铜绿微囊藻的数据为1 μ g的叶绿素a换算成3.62×107个的藻细胞，差别较大。笔者曾用密度为 2.2767×108个/L的微囊藻藻液进行测量，仪器显示为2.37× 108个/L，误差为3.93%，在细胞计数方面B B E藻类分类检测仪的误差相对较小。

不同的浮游植物中含有种类众多的色素，其中叶绿素a存在于所有的浮游植物当中。虽然不同种类含有的叶绿素a的量不同，但在反映藻类的总生物量中叶绿素a有一定的优势。无论是自然的地表水体还是水华期的湖库，都能比较直观反映浮游植物的生长状况，因此在水体富营养化评价当中，叶绿素a是不可缺少的评价工具。

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T V 672+.5

B

1008-1305(2016)05-0129-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.044

2016-08-10

水利部科技推广计划项目(T G 1507)作者简介:张 欣(1984年—)，女，工程师。