黑河输水渠道高冠渡槽的现场检测及安全评价

孙宇飞，刘晓静，欧娅玲，何 勇，曹郎郎

（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710043；2.西安水务（集团）黑河输水渠道管理有限公司,陕西 西安 710061）

0 引言

高冠渡槽建成于1997年,主要用于市政输送水工程,位于西安市长安区,全长53.98 m。采用比降1/1000,过水断面宽2.7 m,高3.0 m,设计水深2.5 m。渡槽为4 跨结构（每跨槽箱长15 m）,槽箱断面尺寸3.40 m×3.55 m,箱体下部支承形式是浆砌石墩,水头损失为0.087 m。为保持渡槽与暗渠的水面平顺衔接,渡槽底板设计高程较暗渠箱涵抬高0.45 m。

高冠渡槽是黑河输水渠道的重要输水建筑物,为了防止河水冲刷对其造成损害,采用石头钢筋笼对位于河道中的支墩做加固处理。随着运行年份的增加,上述加固设施存在不同程度的位移、且槽体与墩顶交接处存在渗水情况。为保证渡槽的安全运行,需对渡槽进行现场检测以及安全评价分析。

对于已投入运营的水工隧洞,主要运用人工普查、分析监测检查资料和对隧洞结构进行应力应变分析等方法对隧洞进行安全评价[1]。范秦军等通过现状调查、现场检测、复核计算分析,对南方某渡槽开展了安全评价,具有一定的说服力[2]。传统水工建筑物的缺陷检测,首先采用人工普查法,发现缺陷并进行记录,重要缺陷在现场做出标记,为获得更准确的结果,可进行必要的无损检测和钻芯取样验证[1]。其中,超声波法作为一种新型的无损检测技术,操作简单、方便,能很好地弥补钻芯检测范围小及给结构造成二次损伤的不足[3-4]。针对水工隧洞检测的不同内容,可采取不同的检测方法。高玉鹏将超声波平测法应用到混凝土裂缝检测工作中,显著提升了检测结果的精准性[5]。朱新民综合运用高分辨率的红外热成像仪、高精度三维激光扫描、辅以测距仪和数字地质雷达,精确地检测了长距离输水隧洞的多种病害和缺陷[6]。

本文通过现场踏勘、混凝土裂缝深度检查、混凝土抗压强度检测,混凝土钢筋锈蚀检测、复核计算分析等,对高冠渡槽工程运行过程中存在的隐患风险进行辨识,综合现状调查以及现场质量检测分析手段,对高冠渡槽的运行现状进行安全评价分析。

1 现场检测方法技术

1.1 检测内容

本次检测是在不停水的情况下进行,不能进入到渠道内部进行检测。主要检测项目包括：混凝土外观质量检查、裂缝检测、回弹法检测混凝土强度、钢筋保护层厚度检测、钢筋锈蚀检测。

1.2 检测方法

检测方法为：（1）采用钢卷尺、钢直尺、100 倍读数显微镜和NM-4A 型非金属超声检测分析仪（检测混凝土裂缝深度）对渡槽的混凝土裂缝进行检测；（2）采用回弹仪对渡槽的混凝土进行强度检测,并在有代表性的区域检测混凝土碳化深度；（3）采用钢筋位置测定仪对渡槽的钢筋保护层厚度进行检测；（4）采用钢筋锈蚀测试仪对渡槽的钢筋锈蚀情况进行检测。

2 高冠渡槽现场检测结果及分析

2.1 外观及裂缝检测

采用NM-4A 型非金属超声检测分析仪对渡槽的混凝土裂缝进行检测,检测过程见图1~图2,检测结果见表1。

表1 高冠渡槽裂缝检测结果统计表

图1 1#裂缝

图2 裂缝检测

本次检查发现槽体底面多处裂缝,混凝土护栏局部破损、钢筋锈蚀严重,连接沉降缝填充物有老化脱落、开裂现象,支墩防护被河水冲刷,均有移位现象,墩顶槽体处均有渗水现象。

2.2 回弹法检测混凝土抗压强度

高冠渡槽混凝土设计标号为250#,对应现行强度等级为C23。高冠沟渡槽竣工时间为1996年,混凝土龄期大约为9000 余天,按照《民用建筑可靠性鉴定标准》（GB 50292-2015）中规定,回弹换算值龄期修正系数取0.92。

本次高冠渡槽共回弹检测50 个测区,构筑物强度换算平均值为43.0 MPa,标准差为1.88 MPa,构筑物强度推定值为39.9 MPa,达到设计强度的173.5%。混凝土碳化深度平均值为3.0 mm,碳化分类为A 类。

本次回弹法检测混凝土抗压强度检测结果见表2,检测过程见图3 ～图5。

表2 回弹法检测混凝土强度检测结表

图3 回弹法检测混凝土抗压强度

图4 混凝土碳化深度检测

图5 混凝土碳化深度检测

2.3 钢筋保护层厚度检测

根据GB 50204-2015 标准中规定,板类构件中,钢筋保护层厚度允许偏差为+8 mm、-5 mm,设计中要求底板厚度为40 mm,侧板厚度为30 mm。本次高冠渡槽钢筋保护层厚度共抽检4 个部位,每个部位检测6 根钢筋,共检测24 个测点,其中合格测点23 个,合格率为95.8%,满足规范要求。检测结果见表3,表中黑体加粗的数字为不合格点位,检测过程见图6。

表3 钢筋保护层厚度检测结果统计表

表4 高冠渡槽混凝土钢筋锈蚀汇总表

图6 钢筋保护层厚度检测

2.4 混凝土钢筋锈蚀检测

本次高冠渡槽混凝土钢筋锈蚀检测,通过观察选取了三个可能发生锈蚀的区域,每个测区检测20 个测点,检测数据分别以等值线图的形式表示,检测结果见图7~图9。通过钢筋锈蚀检测数据分析,三跨左侧锈蚀概率大于95%的测点0个,锈蚀概率50%的测点6个,锈蚀概率小于5%的测点54个。由以上检测结果结合现场查勘可知,高冠渡槽第三跨左侧所检区域钢筋锈蚀概率较小。

图7 第三跨左侧（1#测区）钢筋锈蚀检测等值线图

图8 第三跨左侧（2#测区）钢筋锈蚀检测等值线图

图9 第三跨左侧（3#测区）钢筋锈蚀检测等值线图

3 复核计算分析

3.1 槽下净空复核

结合渡槽实际情况,复核渡槽槽下净空,并按《渡槽安全评价导则》（T/CHES 22-2018）标准分级,高冠渡槽的槽下净空满足过水要求,评定为A 级。

3.2 槽身过流能力复核

槽身的净宽B 和净深H 应一起考虑,即通过考虑深宽比H/B 来拟定（对于矩形槽一般取H/B=0.6~0.8）,根据拟定的i、B 和H,运用公式计算所得的流量等于或略大于最大流量Qm时,则拟定的i、B 和H 可行。

渡槽的过水流量可按明渠均匀流公式计算：

式中：Q 为渡槽的过水流量；为渡槽过水断面面积；C 为谢才系数,常用曼宁；n 为糙率系数,钢筋混凝土槽身可取n ≥0.017,根据具体情况而定；R 为水力半径,m；i 为渡槽纵坡。

根据竣工资料,渠道底宽b=3.100 m；渠道边坡的糙率n=0.01400。

经过复核计算,过水深度为1.336 m,距离顶部净空满足《渡槽安全评价导则》（T/CHES 22-2018）要求,其等级评为A 级。

3.3 结构安全复核

3.3.1 计算模型

选取平面有限元方法进行,槽身、墩帽、槽墩及其基础均采用三维整体计算模型,见图10。

图10 高冠渡槽空间分析计算模型

3.3.2 计算工况与计算参数

计算时考虑的荷载有：（a）槽箱、墩帽、墩柱及基础自重；（b）二期荷载；（c）水重；（d）风载荷；（e）整体升温及降温；（f）人群荷载 。渡槽计算工况见表5。

表5 渡槽计算工况

3.3.3 结构稳定计算

高冠渡槽共4 跨,跨度均为15 m,由250#混凝土现浇而成的钢筋混土结构。槽体为简支渡槽,其与下部桥墩采用板式橡支座连接。现场检测中,所检构件强度均满足设计值,在模型计算时均按照设计时材料强度取值,即：250#混凝土轴心抗压强度设计值11.9 MPa,轴心抗拉强度设计值1.27 MPa；钢筋为HPB235,轴心抗拉强度设计值为210 MPa。

按照现场实际检测结果,建立有限元模型,对计算跨中附近截面、支座附近截面各工况承载能力极限状态下进行内力计算以及对正常使用极限状态下跨中弯矩进行计算；对槽身正截面抗弯承载力以及槽身斜截面受剪承载力复核计算；对槽身抗滑稳定以及槽身抗倾覆稳定复核计算。

经建模分析计算,高冠渡槽槽身构件纵向计算的正截面抗弯承载力满足现行规范要求；槽身结构斜截面抗剪承载力中截面满足现行规范要求；槽身结构斜截面抗剪承载力中截面满足现行规范要求；槽身抗滑稳定安全系数为3.1,满足规范要求；槽身抗滑稳定安全系数为50.6,满足规范要求。

4 结论与建议

（1）高冠渡槽的安全性综合评定结果为二类,工程存在一定损坏或缺陷,所检指标基本符合规范规定,能够满足使用要求。

（2）依据国家行业现行相关规范,综合现场质量检测结果,对高冠渡槽的质量等级评定为B 级。

（3）对本次检测过程中发现的主体结构混凝土缺陷、钢筋锈蚀等问题应及时进行处理。

（4）对发现的D 类裂缝应进行化学灌浆处理,建议采用环氧基灌浆材料灌缝,表层采用环氧胶泥或玻璃丝布上刷环氧树脂等方式封闭。