某船闸底板裂缝成因与修复加固方案研究

卢达聪,吕政宏,朱卫国,陆远文

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

某船闸按Ⅲ级船闸建设,最大通航标准为通航一列1顶2×1 000吨级顶推船队。船闸设计最大水头为15.5 m,闸室有效尺度为190 m×12 m×3.5 m(长度×宽度×门槛水深),输水系统采用闸墙长廊道侧向短支孔出水的分散输水型式。船闸闸室段长177 m,采用整体式结构(图1),纵向沿船闸轴线分为11段。闸墙后回填砾卵石。

图1 闸室11#结构段剖面图(m)

该船闸自建成通航以来已安全运行十余年,在近期的大修检查中发现闸室11#结构段底板有多道持续冒水的贯穿性裂缝。本文对裂缝产生的原因进行分析,并研究提出裂缝的修复加固方案。

1 闸室底板裂缝概况

在2021年2～3月对船闸抽水检修期间,发现闸室与下闸首相邻的11#结构段(长22.5 m)底板出现多条裂缝,裂缝走向与轴线基本平行,从与闸室10#段分缝开始向下闸首方向延伸,最长约10 m,缝宽约1 mm,裂缝距闸室左闸墙前沿水平距离约1.5 m,裂缝持续冒水,总渗水量约2 L/s。根据相关规范规定[1],船闸主体的闸室结构已出现缺陷,技术状态等级为“三级”(较差),其运行维护要求为“控制运行,加强保养,并列入修理计划进行修复”,故需要在本次检修中对闸室11#段底板裂缝进行修复加固。

2 裂缝产生的原因分析

水工建筑物裂缝按形成原因一般可分为:沉降裂缝、塑性收缩裂缝、温度裂缝[2]。结合该船闸现场检查情况、工程地质勘察成果[3]和船闸施工图设计文件[4]等资料,对闸室11#段底板裂缝的原因分析如下:

(1)工程地质条件。船闸区域地层分布主要有:第四系河流冲积堆积、残坡积物层,第三系始新统砂、泥岩,三迭系中统砂、泥岩及二迭系下统灰岩。船闸区建基面地层岩性:上闸首主要为弱风化泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩,局部裂隙较发育;闸室为弱风化粉砂质泥岩、泥岩,局部为粉砂岩,局部裂隙较发育;闸室地基岩体14.1%左右为较硬的粉砂岩、泥质粉砂岩,而85.9%左右为较软的粉砂质泥岩及泥岩。闸室近下闸首段和下闸首原设计建基面处于断层错动带上,基底泥岩破碎,裂隙很发育,深挖处理后基底主要为弱风化泥岩。船闸段发育有3条小断层,施工时已采取开挖清除、降低建基面、回填同强度混凝土等工程措施。除上闸首外,闸室和下闸首段未进行基础固结灌浆处理。从地质条件分析,闸室特别是近下闸首段工程地质条件较差,虽然在施工时采取了一定的工程处理措施,但断层错动带构造裂隙相对发育,左右两侧基底岩性差异引起的岩体承载力和变形模量不均一,为底板开裂留下了隐患。

(2)基础不均匀沉降。与上述工程地质条件相对应,闸室第9#、10#、11#结构段基础有一条小断层经过(下页图2),施工时已对断层进行挖除回填混凝土处理。闸室段粉砂岩和泥岩互层及岩面裂隙发育范围大,施工时难以对断层彻底挖除,基础固结灌浆范围也不够,工程运行后渗水使基岩软化,加上基础岩石的弹性模量存在差异,导致闸室段基础出现不均匀沉降,闸室结构局部受力状态发生一定程度的变化。

图2 船闸建基面地质平面图(竣工图局部)

现场检查时发现裂缝附近有旧裂缝处理痕迹,查阅原施工资料,有闸室11#结构段底板在施工期曾出现裂缝并进行处理的记录。推断船闸运行后受基础不均匀沉降发展和闸室反复冲泄水影响,闸室底板薄弱处新裂缝产生、发展,从而导致闸室底板形成贯穿性裂缝。

(3)大体积混凝土温度应力作用。闸室11#结构段底板设计厚度为5.5 m,为大体积混凝土结构,设计要求分4层浇筑。但该结构段底板混凝土主要在2006年4～6月施工,气温较高,混凝土浇筑后,水泥水化热使内部温度上升较快,此时混凝土弹性模量较小,徐变较大,升温引起的压应力不大,但在后期温度逐渐降低时,弹性模量较大,徐变较小,在基础约束条件下会产生较大的拉应力。由于闸室底板主要在表面配置受力钢筋,大体积混凝土含钢率低,温度应力主要由混凝土来承担,导致混凝土内部产生温度裂缝,与前述因素叠加后促使裂缝进一步发展。

3 修复加固方案研究

根据现场检查和船闸临河侧结构水下探摸掌握的情况,船闸主体水工建筑物外观无明显变形、开裂,船闸两侧填土顶面和坡面也无塌陷、隆起等现象,河侧坡脚挡墙(外侧为水电站尾水渠)等未发现明显的变形、变位及损坏,也没有基础被冲刷、淘蚀现象。从安全监测资料分析,船闸沉降已逐渐趋稳。按分离式闸室结构对闸室11#结构段左闸墙进行稳定性和承载力复核,闸室11#结构段左闸墙的抗滑、抗倾承载力可满足规范要求,但基底应力大于地基承载力。综合船闸现状、裂缝成因分析及闸墙复核计算成果,认为目前闸室11#结构段底板主要依靠底板钢筋维系结构整体稳定性,为确保结构安全,需要尽快组织实施修复工程。经研究,主要考虑采取对闸室结构影响小、工期短、易实施、针对性强的综合修复加固方案,具体为:

(1)对闸室11#结构段及邻近范围进行基础固结灌浆加固。针对建基面存在小断层,基岩局部裂隙发育的情况,为不影响闸室整体性,拟沿闸室9#～10#、10#～11#、11#～下闸首结构段伸缩缝贴边布置灌浆孔,对闸室底板进行固结灌浆。固结灌浆深度为闸室底板以下5 m,灌浆压力为0.3～0.5 MPa,灌浆材料为42.5普通硅酸盐水泥,采用柔性环氧树脂材料封孔。

(2)底板裂缝灌浆修补和裂缝处基础面空隙灌浆填充。通过钻孔对裂缝进行内部灌浆修补处理[5-6]。凿除裂缝表层混凝土,沿裂缝在钢筋网中间布置灌浆孔并尽量布置在裂缝较宽或漏水较大处,其中两孔钻至底板底高程以下3.5 m。利用穿透底板的灌浆孔对裂缝处底板基础进行水泥固结灌浆,填充基础面小空隙,然后对裂缝进行环氧树脂灌浆,修复裂缝及保护钢筋。

(3)增设底板裂缝骑缝钢筋。为提高底板结构承载能力,凿除11#闸室底板裂缝周围面层混凝土,沿裂缝植斜筋加固,植筋与原有底板钢筋牢固焊接(图3)。

图3 11#闸室加强钢筋布置图(m)

4 实施情况及效果

按上述修复加固方案开展设计并组织实施。在进行闸室底板固结灌浆施工期间,10#～11#结构段伸缩缝的灌浆孔出现串浆现象,且灌浆孔的吸浆率超出设计值较多。经分析,闸室11#段底板混凝土与基岩接触面之间存在较大空隙,灌浆孔间有通道连通。故新增工程处理措施为:在闸室11#段两侧输水廊道内和两侧闸墙外侧对闸墙基础增加填充水泥灌浆(图4),填充基底空隙和提高基础的整体性,灌浆范围为11#段底板以下1～5 m。

图4 11#闸室灌浆布置图(m)

修复加固实施竣工后,经检查和观测,处理效果较好,闸室11#段底板裂缝已不再渗水,闸室充水运行后变形监测数据显示,结构已稳定正常。

5 结语

该船闸主体建筑物建基面岩体为弱风化泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩,承载力较低,且有断层经过,工程地质条件较差;叠加基础不均匀沉降和大体积混凝土温度应力作用等因素,使整体式闸室结构的底板局部出现了贯穿性裂缝。经研究,本文提出了增加基础固结灌浆、裂缝灌浆修补和基础灌浆填充、增设裂缝骑缝钢筋的针对性综合修复加固方案,经组织实施后效果良好,达到了预期目标。本文所提出的修复加固方案可为以软岩为基础受力层的船闸设计或缺陷处理提供借鉴和参考。