禹门口渡槽缺陷检测评估与修补加固技术

2017-02-26杨建红杨伟才

中国水利水电科学研究院学报 2017年5期

杨建红，杨伟才，甄理，马宇

（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研究所，北京 100038）

1 工程概况

山西禹门口灌区属于综合性大型水利工程，其二级干渠建于20世纪90年代，工程为III级建筑物，设计输水流量为14.54 m3/s，加大流量为16.72 m3/s，作为禹门口水利工程北干线重要组成部分，计划将过流能力提高到18 m3/s。禹门口灌区所处地区属大陆性气候，区域年际、日际的温差变化较大，且渡槽内部在冬季有供水任务。禹门口灌区渡槽建筑物的老化病害现象严重，主要有槽身内混凝土冻融剥蚀、碳化、钢筋锈蚀和止水失效等现象，直接影响工程的安全运行和效益发挥。急需加固改造的渡槽共有14座（1#至13#及常好渡槽，总长3.1 km），所有渡槽总长约4 km，若拆除重建，涉及占地、拆除物清运和供水中断等问题，且该方案施工周期长、投资大，同时严重影响到区域工农业经济。因此采取通过对渡槽进行科学的安全评估，采用修补加固技术改造方案，实现渡槽安全运行并提高过流能力，对禹门口灌区具有重要的现实意义和显著的经济社会效益。

2 存在的主要问题

禹门口灌区二级干渠经过20多年的运行，渡槽建筑物出现了不同程度的老化病害，为了解渡槽现状及制定处理方案，对14座渡槽存在的缺陷病害进行了现场检测与评估，主要结论如下。

（1）混凝土冻融剥蚀、碳化及钢筋锈蚀严重。渡槽内部在冬季长期遭受雨雪融水冻融侵蚀，造成混凝土逐渐剥蚀。渡槽槽身和排架钢筋的混凝土保护层厚度设计偏小，不能满足现行耐久性规范的要求，加之施工工艺和质量缺陷等因素的影响，槽身内壁混凝土剥蚀严重，深度约在1～3 cm左右；槽身外壁及排架混凝土碳化严重，碳化深度均已接近或超过钢筋的混凝土保护层厚度；槽身腰线部位及底板部位钢筋外露锈蚀比较普遍，排架及拉杆有锈胀、顺筋裂缝等缺陷的部位内部钢筋也已发生锈蚀。钢筋锈蚀后有效截面减小，部分钢筋有效截面损失达10%～20%。钢筋与混凝土间的黏结力降低，对结构的承载能力影响较大。混凝土的冻融剥蚀和钢筋锈蚀等缺陷病害严重影响到工程的运行安全和耐久性。

（2）伸缩缝止水失效。渡槽伸缩缝因嵌填的水泥砂浆是刚性材料，不能适应伸缩缝的变形，在阳光照射、温度变化等因素的作用下，导致缝内止水被挤碎或破坏，渡槽止水老化、破损严重，因伸缩缝冬季漏水使支座及排架混凝土冻融破坏，进一步加速了结构的老化。

（3）槽身局部承载能力不满足要求。渡槽槽身、单双排架承载力在荷载基本组合（设计流量、加大流量和满槽）工况与地震工况下大都满足承载力要求。对于13#渡槽全部槽身、3#及11#渡槽部分槽身，混凝土大范围剥蚀，剥蚀深度大于5 cm，钢筋外露锈蚀，内壁环向腰线以下部位受力钢筋锈蚀后的面积损失率超过20%，槽身的承载能力降低较多，局部不满足要求。

（4）过流能力不满足工程需要，需采取减糙措施。禹门口二级干渠原设计输水流量为14.54 m3/s，加大流量为16.72 m3/s，渡槽原设计糙率按0.014考虑，由于长期运行及混凝土表面剥蚀老化，表面糙率大大增加，原设计过流能力已得不到满足。计划将过流能力提高到18 m3/s，对工程的输水能力和运行安全提出更高的要求。

3 渡槽修补加固技术方案

3.1渡槽混凝土冻融剥蚀处理根据渡槽建筑物的运行环境和现场剥蚀状况，采用聚合物纤维水泥砂浆对混凝土剥蚀面进行修复。基本工序为：（1）清除剥蚀混凝土；（2）对锈蚀钢筋进行除锈；（3）基层处理；（4）聚合物纤维水泥砂浆施工。

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和黏结性，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性模量低、抗拉强度高、极限拉伸率高、与老混凝土的黏结强度高，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1。

表1 聚合物水泥砂浆性能指标

3.2渡槽伸缩缝止水修复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，根据以往工程经验，结合禹门口工程的特点及要求（最大缝宽 5 cm，最大变形位移2 cm），决定采用SK手刮聚脲结合U形止水带的表面止水结构形式进行处理。伸缩缝止水修复方案如图1所示。

该止水结构的特点是：（1）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。（2）U形止水带受到环氧砂浆的保护，可有效延缓其老化时间。（3）表面SK单组份聚脲在保护底部止水带的同时，自身也作为一道止水起到止水作用。

图1 渡槽伸缩缝表面止水结构型式

3.3混凝土碳化处理对于钢筋混凝土来说，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，在水与空气存在的条件下，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会再发展。

混凝土常用的防碳化涂料有环氧涂层、水泥砂浆和VAE柔性防碳化水泥涂料等，通过分析比较，宜采用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。基本工序为：混凝土基底清理；构件残缺部分修补、复原，全面打磨；喷涂或辊涂防碳化涂层3-4遍，厚度不小于 1 mm。

VAE柔性防碳化水泥涂料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，其性能指标见表2。

表2 VAE柔性水泥防碳化涂料性能指标

3.4渡槽内壁减糙防护处理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，同时具有防渗和耐老化能力好的材料，通过技术比选，本工程选用SK手刮聚脲对渡槽内壁进行减糙及耐久性防护处理。SK手刮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，并加入其它功能性助剂所构成，具有优异的抗老化性能，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［1］。材料的主要技术指标见表 3［2］。试验结果表明［1］：SK手刮聚脲材料糙率的试验结果为0.089～0.010，设计成果表明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18 m3/s的要求。同时SK手刮聚脲涂层还具有优良的防渗能力和耐老化性能，可在减小渡槽糙率的同时大大提高渡槽槽身混凝土的防渗性及耐久性。SK手刮聚脲涂层厚度为2 mm，在对基面混凝土进行处理后刮涂施工。

表3 Ⅰ型SK手刮聚脲物理力学性能

3.5渡槽槽身加固处理根据现场检测及复核计算的结果，禹门口13#渡槽及11#渡槽槽身混凝土大范围剥蚀，剥蚀深度大于5 cm，钢筋外露锈蚀，内壁环向腰线以下部位受力钢筋锈蚀后的面积损失率超过20%，部分槽身承载力不满足要求，需进行修补加固。根据以往工程经验，渡槽加固方案分别采用碳纤维布加固和增设渡槽拉杆两种方案进行考虑。为了验证增设拉杆方案的效果，对增设渡槽拉杆加固方案进行了有限元计算分析，分析过程如下。

3.5.1 计算工况及有限元模型渡槽跨长15 m，分别按原间距1.5 m和拉杆间距缩小即0.75 m两种工况进行计算分析。有限元模型网格如图2所示。

3.5.2 计算结果根据渡槽的受力特点，选取典型截面进行对比，渡槽主应力如图3—图5所示。不同间距渡槽主拉应力对比见表4。

由图3—图5可以看出，增设拉杆方案渡槽各主要受力区域主拉应力较原设计工况有轻微改变，但无明显改善，说明增设拉杆对渡槽结构加固作用不大。而采用粘贴碳纤维布的加固方案可直接作用于渡槽结构受力区，改善槽身受拉区域的结构应力，且其施工简单方便，与增设拉杆方案相比，在渡槽内部适当粘贴碳纤维进行补强加固是比较可行的方案。根据结构复核计算结果，渡槽槽身内侧下部为受拉区，确定渡槽加固范围为槽身内部横截面的45°～135°范围内。根据复核计算结果粘贴一层碳纤维布即可满足渡槽结构补强加固的要求。

3.5.3 碳纤维补强加固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。碳纤维片的抗拉强度可达3 500 MPa，比钢材高7～10倍。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，目的在工程界应用较广泛。