那吉船闸水工建筑物病害分析及处理

覃仕华，韦朝勇

（广西西江开发投资集团有限公司，广西 南宁 530018）

0 引言

运行多年的水工混凝土建筑由于长期经受船舶碰撞、水流冲蚀、自然碳化及水质污染等原因，大多出现表面剥落、磨损严重、墙面露筋、大面积混凝土表面碳化等劣化现象，当裂缝扩展至一定宽度，会成为水、空气和腐蚀介质渗入混凝土内部的通道，使混凝土力学性能下降，加剧钢筋锈蚀程度，严重影响混凝土结构的安全与使用寿命[1]。那吉航运枢纽船闸工程是广西在软岩上建造的第一座航运枢纽工程，其基础主要为泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩夹粉砂质泥岩、泥岩的弱风化岩层，下部除了存在煤薄层、煤线层或炭质条纹层，无其他软弱层分布。泥岩等软岩为广西特有的岩类，该地层具有岩性软弱（强度主要集中在15～60 MPa）、胶结性和抗冲刷性较差、水平方向相变大等特点[2]。那吉船闸在长期运行过程中，病害与老化问题逐渐突出，例如工程运行后渗水，使基岩软化，加上基础岩石的弹性模量各异，导致基础出现不均沉降，改变了闸室受力结构，从而导致闸室底板出现开裂、漏水等病害问题。

针对水工建筑物的病害问题，前人进行了不少研究。周栋等[3]对浏河船闸闸室墙面竖直裂缝、沉降缝老化、缝距增大、错开等问题开展改性环氧裂缝灌浆、弹性密封膏嵌缝和混凝土表面丙乳砂浆等修复工作。朱岱明[4]结合苏北运河船闸进行导航和靠船建筑物的病害原因分析，提出统筹调度、统一规划、精细管理等综合防治措施。祝连娣[5]结合宫山咀水库除险加固工程实例，分析总结底板基础混凝土回填修复方法的技术要点。然而，目前仍未见针对泥岩等软岩基础水工建筑的病害分析，以及为提高其承载力而采用的修复技术和措施。

本文针对那吉船闸底板开裂、结构缝漏水、混凝土缺失、淘空等混凝土损坏问题，分析出现病害的原因及其对船闸水工结构安全的影响，并采用高压固结灌浆等措施进行修复，以期为其他类似水工建筑物的病害预防、维护修复提供参考和借鉴。

1 工程概况

那吉船闸位设计水头为15.5 m，船闸为单级船闸，闸室有效尺度为190 m×12 m×3.5 m（长×宽×门槛水深），船闸上闸首、闸室、下闸首全长234 m。上闸首项面高程为121.50 m，闸室墙和下闸首顶面高程为118.50 m。闸首、闸室均采用整体式结构；输水系统采用分散输水系统，闸墙长廊道侧向短支孔出水。船闸由上、下游引航道、上闸首、下闸首及闸室组成，全长1 829.5 m。2021 年2～3 月，那吉船闸停航大修时发现水工建筑物存在底板开裂、结构缝漏水、混凝土缺失、淘空等病害，由于停航时间有限，只处理了部分病害。2022 年2～3 月停航，对底板开裂、结构缝漏水的病害进行了全面处理。

2 船闸病害成因

2.1 水工混凝土病害表现形式

那吉船闸水工混凝土病害主要体现在船闸闸室地板出现纵向裂缝，输水廊道、闸室分段部分结构缝漏水，以及输水廊道局部混凝土缺失等。

（1）船闸闸室11#段底板纵向裂缝。船闸闸室11#段底板出现纵向裂缝，缝长约16 m，裂缝距闸室左闸墙内侧水平距离约1.5 m（如图1 所示），裂缝持续冒水，渗水量约2 L/s。

图1 那吉船闸11闸段剖面图及裂缝位置示意 （单位：cm）

（2）输水廊道、闸室分段部分结构缝漏水。输水廊道结构缝漏水部位有8处，最大漏水量为0.5～1 L/s，闸室部分结构缝也存在漏水、冒水的情况。

（3）输水廊道局部混凝土缺失。输水廊道局部混凝土受冲刷出现淘空、剥落、气蚀的情况，充泄水阀门门槽二期混凝土出现淘空、气蚀等现象。

2.2 病害及老化原因分析

那吉船闸混凝土病害主要由温度应力、基础不均匀沉降引发，具体原因分析如下。

（1）温度应力导致底板开裂。那吉船闸闸室从上而下共分11 个闸室结构段，第11 闸室结构段底板厚度达5.5 m，虽然设计要求分为4层浇筑，自下而上各层浇筑厚度分别为1.2 m、1.3 m、1.4 m 和1 .95 m，但是该结构段基础混凝土主要在2006 年4～6 月施工，气温已较高，混凝土浇筑后，由于水泥的水化热反应，内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压应力并不大，而在日后温度逐渐降低时，弹性模量较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。船闸底板仅在表面配置钢筋，含钢率低，温度应力主要由混凝土承担，导致混凝土内部产生裂缝，形成漏水通道。

（2）基础不均匀沉降引发底板开裂漏水。根据船闸施工地质资料，闸室第9#、10#、11#号结构段有小断层穿过，为粉砂岩和泥岩的分界区，局部岩面裂隙发育。虽然施工时对断层进行了挖除回填混凝土处理，但是有可能挖除不彻底，使建成后的船闸基础产生了不均匀沉降，从而引发底板开裂、漏水等问题。

根据那吉船闸沉陷观测资料分析，自2008 年船闸运行以来，左、右闸墙整体上呈逐年下沉的趋势，累计下沉变形量较大，右闸墙、左闸墙的最大极值分别为2020 年3 月“右侧沉降观测点7”（左、右侧沉降观测点简称为“左沉”或“右沉”）的15.42 mm 和“左沉21”的16.23 mm。其中，“左沉21”“右沉21”较“左沉20”“左沉20”均有3 mm 左右的沉降差，因此连接此处两侧闸墙的基底可能存在断层错动带；第11#结构段沉降量“左沉23”“左沉24”较“右沉23”“右沉24”下沉0.91～1.6 mm（如图2、图3 所示）。船闸也存在连续下沉及一定的不均匀沉降，对裂缝的产生和发展产生影响。工程运行后渗水使基岩软化，加上基础岩石的弹性模量各异，导致基础出现不均沉降，改变了闸室受力结构，从而导致闸室底板开裂漏水。

图2 第10#、第11#结构段垂直位移变化风曲线

图3 第11#、下闸首结构段垂直位移变化曲线

（3）输水廊道、闸室分段结构缝漏水。输水廊道结构缝漏水主要是结构缝止水失效所致，失效原因如下：一是施工期间止水材料没有达到质量要求或没有按设计要求埋设；二是船闸基础的不均匀沉降损坏了止水材料。

（4）水工建筑物混凝土缺失。缺失原因如下：一是输水廊道内个别部位（例如门槽位置）受到高速水流的冲刷，容易引起气蚀；二是施工时混凝土存在质量问题，例如对门槽二期混凝土施工不够重视，门槽清理不彻底、浆液灌不到底部，导致二期混凝土出现蜂窝、混杂泥土等现象。

3 病害对船闸安全的影响

（1）裂缝的产生破坏了结构的稳定性。那吉船闸闸首、闸室均采用整体式结构，11#段底板纵向裂缝的产生，改变了船闸结构整体稳定的条件，因此必须对底板裂缝进行处理。

（2）闸室及输水廊道结构缝漏水造成闸室建基面的泥岩软化，从而降低其承载力。那吉船闸建基面坐落在弱风化泥岩上，泥岩的可塑性、吸水性等特点会对船闸产生不利影响。从11#段裂缝、闸室及廊道结构缝的冒水现象，可以确定闸室底板与基础底面之间已经形成通道，水流在通道中通过，造成基础底面的泥岩软化，降低其承载力；输水廊道漏水使船闸两侧地下水位抬高，增加闸墙受力，影响闸室结构安全。

（3）混凝土缺失造成钢筋外露、锈蚀。门槽处二期混凝土缺失、空洞，会影响门轨的稳定，影响闸门的正常运行。

4 病害处理措施及效果

在那吉船闸水工建筑物病害分析的基础上，针对不同的病害采取以下相应的处理措施。

4.1 闸室基础固结灌浆处理

闸室固结灌浆的目的是堵塞底板下的水流通道，加强地基承载。在闸室2#/3#、3#/4#、7#/8#、9#/10#、10#/11#、11#与下闸首结构缝、11#结构段的左右廊道、11#结构段底板裂缝进行固结灌浆。固结灌浆孔采用地质钻机成孔，同时钻取岩芯，用以进行地基鉴定。按技术要求规定，钻孔开孔误差在混凝土上钻孔时，孔径不大于10 cm，钻孔段长为入岩5 m。固结灌浆压力为0.3 MPa，分两序孔施工，先施工一序孔后再施工二序孔。灌浆浆液水灰比为2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1，开灌水灰比采用2∶1。为防止岩石面或混凝土面抬动，固结灌浆原则上一泵灌一孔，并控制灌浆压力，防止混凝土或岩体抬动。在规定的灌浆压力下，该段吸浆量不大于1 L/min，继续灌注30 min即可结束。

4.2 闸室结构段底板裂缝修复

闸室结构煅底板修复主要包括裂缝环氧树脂灌浆、底板裂缝植入加强钢筋以及环氧砂浆回填修复等工序。

（1）裂缝环氧树脂灌浆。裂缝环氧树脂灌浆工艺流程为裂缝放样→裂缝凿槽→钻孔埋管→槽内清洗与嵌补→冲孔与洗缝→压水、压气检查→浆液配制→浆液灌注→迸浆→灌浆结束→拆除灌浆阀→施工结束。针对闸室11#结构段底板裂缝修复，沿裂缝凿0.3 m×0.3 m 和0.1 m×0.1 m 的“U”形槽（保留钢筋），凿槽用M30 环氧砂浆填平压实并埋设灌浆管，在钢筋网中间钻灌浆孔，孔距为2 m。钻孔尽量布置裂缝较宽或漏水较大处，共布设11个灌浆孔，钻孔完成后进行压水试验，对透水率大的灌浆孔均进行固结灌浆处理，固结灌浆处理完成后再进行扫孔并对裂缝和灌浆孔进行环氧树脂灌浆。

（2）底板裂缝植入加强钢筋。底板裂缝灌浆后，凿除裂缝区域表层混凝土（长16 m×宽4 m×深0.2 m），通过植入2 排ϕ28@600 mm 钢筋的方式增加受力钢筋和抗剪斜筋，底板面再布置一层ϕ25@200 mm 加强筋，增加的钢筋与原钢筋焊接。

（3）环氧砂浆回填修复。完成加强钢筋植入后，清洗环氧砂浆回填基面，吸干积水，用环氧树脂砂浆回填修复面。

4.3 闸室及输水廊道结构缝漏水修复

闸室及输水廊道结构缝漏水修复主要包括结构缝清理、冲洗，引流、排水、预埋灌浆嘴，柔性嵌缝密封材料填塞，以及结构缝灌浆。

（1）结构缝清理、冲洗。用电锤先修整不规则的结构缝隙，再使用小铁钩和铲刀把缝隙里和表面的污物清理干净，然后使用高压水把结构缝缝隙和表面冲洗干净。

（2）引流、排水、预埋灌浆嘴。找出结构缝的漏水点，在漏水点处埋设ϕ15PV 管，把水引排到结构缝外，埋设的ϕ15PV 管需固定牢固，避免脱落。根据结构缝长度，按50～100 cm 的间距埋设ϕ10 氧气管作为灌浆嘴，灌浆嘴埋设深度约45 cm，每个灌浆部位至少预埋2个灌浆嘴，一个用作灌浆，另一个用作排气。

（3）柔性嵌缝密封材料填塞。预埋好灌浆嘴后，用胶枪把柔性嵌缝密封材料挤压到结构缝内，填缝深度为30 cm，缝面用刮刀刮平。

（4）结构缝灌浆。填塞柔性嵌缝密封材料的结构缝，7 d 后低压灌注环氧树脂液，灌浆压力≤0.1 MPa。灌浆时，从最低处开始，待浆液从排气管溢出，依次将所有排气管封堵，在稳定压力下继续灌5 min 后结束灌浆。将灌浆压力稳定于设计压力值，当注入量小于或等于0.01 L/min 的设计值时，稳定灌注5 min 作为灌浆结束的标准。

4.4 混凝土缺失修补

混凝土缺失部位主要分布在左、右输水廊道结构段底板、结构段墙面和顶面、门槽底板及墙面上。采用电镐凿除混凝土，凿除混凝土时需注意避免破坏钢筋。混凝土修补范围内出现外露钢筋时，对外露钢筋进行除锈处理。表面混凝土修补处理范围在混凝土缺失范围的基础上向四周外扩100 mm。凿出修补面后，用高压风水轮流冲洗干净并吹干，然后采用M30环氧树脂砂浆修复，环氧树脂砂浆表面抹光。对于二期混凝土损坏程度比较严重的门槽，凿除破损的混凝土，清理基面，用聚合物混凝土进行浇筑修复。

4.5 处理效果

固结灌浆灌后进行孔压水试验，最大透水率为2.1 Lu，最小透水率为0.95 Lu，透水率均符合≤3 Lu的设计值，说明船闸底板与地基之间的透水通道已经隔断，质量满足设计要求。固结灌浆孔灌前压水最大透水率为270.9 Lu，最小透水率为3.1 Lu，平均透水率为45.4 Lu，比灌前的平均透水率整体下降了96.4%。

11#闸室底板裂缝经化学灌浆、植入加强钢筋、环氧砂浆等方法修复处理结构缝漏水、混凝土缺失等病害后，达到设计要求，处理效果良好。

5 结语

对易发生病害部位进行常态化检测，及时发现病害，根据使用要求和预期的使用寿命，采取经济合理的加固修复措施进行修复，对提高船闸等水工建筑物尤其是建于软弱泥岩等基础上的水工建筑物的使用寿命和确保其安全运营具有重要意义。那吉航运枢纽工程船闸由于其基础泥岩具有岩性软弱、抗冲刷性较差、水平方向相变大等特点，船闸的运行安全及维护管理尤为引人关注。本文针对那吉船闸底板开裂、结构缝漏水、混凝土缺失、淘空等问题，提出采用闸室固结灌浆、闸室底板裂缝环氧树脂灌浆、混凝土缺失环氧树脂砂浆等方法进行修复处理，修复后经孔压水等检测表明，闸室底板透水率均小于设计值，灌浆后较灌浆前平均透水率整体下降96.4%，质量达到设计要求。闸室基础固结灌浆等处理降低了基岩的孔隙率，提高其抗渗性和承载力，处理效果良好。本研究可为类似水工建筑物的病害预防、修复及维护提供参考和借鉴。