浅析白岩沟钢筋混凝土渡槽除险加固方法

王锦鹏

（西安市渭河生态保护管理办公室，陕西 西安 710018）

渡槽是输送水流跨越空间障碍时采用的工程措施，是非常重要且普遍的水工建筑物。世界上最早的渡槽出现建造于公元前700余年，亚美尼亚。我国古代的渡槽主要以木、石为材料进行建造，建国后，我们国家开始普及钢筋砼渡槽。但是，限于当时的科技发展及施工技术水平，其耐久性不尽如人意，大部分已出现各类病害，危及安全。本文以白杨沟渡槽为例，对其病害产生的原因及处理措施进行探分析。

1 概况

白岩沟渡槽位于秦岭北麓、蓝田县城东南，属于原蓝田县引岱工程红旗渠第一期工程的一部分。渡槽工程建于1958年8月，位于岱峪输水工程输水总干渠上，原设计流量为8.0 m3/s。渡槽全长122 m，主要由排架、槽身和浆砌石护坡等组成，排架为现浇钢筋混凝土结构，高10 m～20 m不等，边跨间距为9 m、中间跨为10 m，槽身为U形预制钢筋网片砂浆结构。经检测，槽箱存在内外壁局部网丝或钢筋锈蚀、槽顶横梁配筋锈胀破坏和槽箱接缝处严重渗漏等各类缺陷，槽身结构现存的外观缺陷归类为Ⅳ类缺陷，即特别严重的缺陷。见图1。

图1 渡槽灾害情况

2 病害分析

（1）渡槽槽身结构混凝土保护层过薄对渡槽结构产生危害。经检测，该渡槽很多部位由于受到风霜雨雪等常年侵蚀，钢筋保护层厚度不能满足规范要求，空气中的水、SO2渗入，导致钢筋生锈，从而破坏混凝土保护层，出现开裂、脱落现象。

（2）自然界风雨、冻融对渡槽产生危害[1]。白岩沟渡槽所处位置，冬夏气温变化幅度很大，昼夜温差也大，渡槽槽身一旦出现裂缝，雨水就会渗透混凝土结构，留在了钢筋混凝土结构内部，冻胀反应导致浅层破坏。

（3）表层混凝土被碳化。空气中的CO2与砼中的H2O、Ca（OH）2发生反应，降低了砼PH值，使砼对钢筋表面钝化膜的保护功能丧失，引发锈蚀，同时增加了砼结构中空隙。

3 加固前结构安全验算

3.1 计算软件及计算内容

本报告采用通用ANSYS软件对白岩沟渡槽进行结构计算。计算内容包括：按承载能力极限状态，分别取荷载基本组合与偶然组合，计算槽身沿水流（纵向）方向各典型断面的最大弯矩以及最大剪力，同时考虑最大轴力；计算了渡槽身垂直于轴向各典型断面的弯矩、剪力、轴力参数等。取单跨槽身，进行有限元内力计算[2]，有限元模型见图2，横断面内力分析见图3。

图2 渡槽单跨有限元计算模型

图3 计算断面选取及内力方向规定

3.2 计算结论

3.2.1 有限元纵向结构计算

分别计算槽身结构在各项荷载单独作用下的纵向内力分布情况，经计算发现槽身半圆下部轴力以受拉为主，承受外侧受拉弯矩，渡槽外壁剪力较小，槽身侧壁跨中存在轴向拉力，并且内侧受拉，槽身底部主要为外侧受拉，承受轴向拉力；随着位置高度增加，结构所受弯矩向内侧受拉过渡，承受轴向压力[3]。见图4。

3.2.2 有限元横向结构计算

分别计算槽身结构在各项荷载单独作用下的横向内力分布情况，经计算发现槽身跨中轴力以受拉为主，承受外侧受拉弯矩，槽身端头承受轴向压力，槽身侧壁、底板内侧承受弯矩，槽身底部的弯矩主要为外侧受拉，承受轴向拉力；随着位置高度增加，结构所受弯矩向内侧受拉过渡，承受轴向压力。结构同时承受弯矩与轴力作用，因此承载力校核可以按偏心受拉和受压构件进行考虑[4]。见图5。

图4 跨中断面纵向弯矩图

图5 跨中断面横向弯矩图

3.3 槽身内力与抗力比较

槽身各部位受力特性随位置变化差异较大，为安全起见，不适宜采用常规的渡槽单一设计承载力计算方法进行验算。针对槽身内力分布特点，验算共取用了三个典型断面进行比较，分别为槽身跨中、槽身端部以及距槽身端部1 m处。分析发现，槽身各截面的承载能力较低，存在较大的安全隐患，其中承载力极限状态下各工况跨中断面最大纵向计算内力为159.7 kN/m，但是最大纵向承载力为128.1 kN/m；承载力极限状态下各工况槽托断面最大横向计算内力为-284.4 kN/m，但是最大横向承载力为-45.4 kN/m；承载力极限状态下各工况距槽端1 m断面最大横向计算内力为36.4 kN/m，但是最大横向承载力为17.2 kN/m。针对槽身内力分布特点，验算共取用了三个典型断面进行比较，分别为槽身跨中、槽身端部以及距槽身端部1m处。分析发现，槽身各截面同样受力较大，具有拉力和弯矩共同作用的特点，特别是在槽身纵向位置，过大的反弯矩易使内侧壁上出现纵向裂缝，这一情况符合现场实测结论。

3.4 计算结果分析

（1）由计算结果可知，槽身各截面的承载能力较低，存在较大的安全隐患，槽身各截面的受力较大，具有拉力和弯矩共同作用的特点，特别是在槽身纵向位置，过大的反弯矩易使内侧壁上出现纵向裂缝，这一情况符合现场实测结论。

（2）槽身跨中侧壁纵向弯矩过大，且内侧受拉，将导致该部位出现竖直方向的受力裂缝，危害较大。

（3）槽身侧壁中部沿轴线方向的横向弯矩过大，尤其在实际流量作用下，内力出现最不利情况，且槽身横向配筋不足。

5 加固方案

结合渡槽存在的病害问题，我们将通过对现状裂缝进行灌胶、利用聚合物防水砂浆填补、在槽身伸缩缝处粘贴紫铜板、利用钢板的强度和碳纤维布的韧性对槽身进行补强、另外通过涂刷CPC防止砼进一步碳化等六方面进行处理。

5.1 裂缝灌浆处理

用毛刷、砂纸等工具对已有裂缝进行清表、清缝，清水冲洗，干燥后，用WSS密封胶进行封缝，由一端开始向另一端压胶，形成一个封闭性空腔，后用环氧树脂灌缝，压力保持在0.2 MPa左右，待裂缝灌浆饱和后进行封闭即可。

5.2 钢筋阻锈及聚合物砂浆修补

作业前要充分清除钢筋锈蚀以及周围松动的混凝土保护层，必要时可以用打磨机进行打磨，确保基面砼坚固结实，用毛刷将表面清理干净，打磨去除外露钢筋表面的铁锈，其后涂刷水泥基钢筋阻锈剂2遍，然后用聚合物砂浆进行修补，恢复原砼构件的轮廓[5]。

5.3 伸缩缝粘贴紫铜板止水

拆除原有内嵌物，在伸缩缝内打入锚固螺栓，清理打磨，露出坚硬的混凝土基面，涂抹WSJ建筑结构胶于清洁、干燥的砼面，然后将加工好的紫铜板粘贴于基面，加钢板压条并拧紧螺栓使紫铜板密实的粘贴于混凝土基面。待WSJ建筑结构胶固化后，清理钢板压条和紫铜板表面，涂刷防锈漆后用水泥基聚合物砂浆修补平整。见图6。

5.4 粘贴碳纤维布补强

对现状有表面裂缝的部位及应力集中段，用打磨机对砼表面进行打磨，露出坚实基面，注意不要损坏原有钢筋，清洗干净，清洗的时候一定要注意不要使钢筋再次锈蚀，干燥后，涂刷WSX底胶，其后将WSX浸渍胶涂抹于粘贴部位，将碳纤维布轻轻粘贴在预定位置，用刮板进行多次反复刮平，保证充分浸透无气泡。

5.5 粘贴钢板补强

凿除薄弱部位重复以上步骤，对所要粘贴的钢板表面进行充分打磨，在渡槽槽身上放线，定出钢板粘贴轮廓和植筋部位，钻孔植锚固螺栓，将WSJ建筑结构胶均匀涂抹于混凝土和钢板表面，粘紧后拧紧锚固螺栓，用夹具使钢板紧贴于混凝土表面。待WSJ建筑结构胶固化后，拆除表面加压装置，清理钢板表面，涂刷防锈漆并对渡槽内全断面进行FPSC聚合物砂浆抹面处理，使槽身内面光滑，对槽身外侧临空面进行水泥砂浆。见图7。

5.6 砼防碳化处理

前5项工作完成后，通过在结构表面涂刷CPC防碳化涂料，有效防止有害气体、水分渗入，从而阻止碳化反应链的形成，延长渡槽使用寿命。其处理的具体工艺为：用清水对整个结构表面进行冲洗，需要打磨的凹凸表面要处理平整，待干燥干净后，涂刷两遍CPC防碳化涂料，帮助恢复砼结构碱性环境。

图6 伸缩缝粘贴紫铜板止水

图7 粘贴钢板补强

6 加固后结构计算

为了确保加固设计方案不仅能够对现状渡槽存在的渗漏、冻融侵蚀等问题加以解决，而且能够对整个渡槽结构的稳定性、安全性有大幅度的提升，使白岩沟渡槽在加大设计流量后依然能够正常、安全运行，对设计加固后的白岩沟渡槽的结构稳定进行有限元计算。

6.1 槽壁纵向加固计算

通过有限元计算发现槽身在基本组合情况下计算最大纵向轴力N=160 kN（拉力），弯矩M=7.04 kN·m。

依据渡槽的受力特点可知，槽身底部2h0区域为拉应力较大区域，角度为竖向 30°。范围内的弧长，L0=2×30×L/180×2=2×30×3.14×3/180×2，L 为半圆弧长，此区域截面共可设L0/300=5条加固钢板，受力面积共 100×3×5=1500 mm2,带入上公式得到加固钢板提供承载能力，计算最大轴力Zt=215×1800/1.4=230kN＞171kN，证明加固可以满足受力要求。

6.2 槽壁横向加固计算

计算时取单位长度为1 m，作为一个计算单元，通过计算发现槽身在基本组合情况下计算最大纵向轴力N=-301kN（压力），弯矩M=10.3kN·m，属于偏心受压构件。

加固时考虑纵向受力钢板为1G-100×3@300（一米范围共4条），面积共100×3×4=1200mm2,带入上公式得到加固钢板提供承载能力，计算最大轴力N=365＞301kN，证明加固可以满足受力要求。

7 结论

通过加固后结构计算，可以看出，通过裂缝灌浆处理、聚合物砂浆修补、伸缩缝粘紫铜板止水、粘贴碳纤维布补强、粘贴钢板补强、混凝土防碳化处理等六种方法处理后，对渡槽的承载能力有大幅度的提升，加固后的渡槽可以满足结构受力要求，可以有效延长渡槽的使用寿命，节约工程投资，避免了工程拆除重建带来的环境污染。