基于文物保护视角的上吴渡槽修复研究

叶俊飞,邵志平,季哲丞,丁春梅

(1.义乌市水务局,浙江 义乌 322000;2.义乌市赤岸镇人民政府,浙江 义乌 322000;3.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 310018)

中国拥有丰富的淡水资源,但水资源的地域分布却存在不均衡的情况,无法很好地解决农田灌溉问题。为了解决这个问题,在二十世纪六七十年代,我国修建了大量的渡槽工程。这些渡槽至今仍在使用,大部分已超过设计年限,存在着一定的安全隐患[1],需要对其进行修缮。

部分老旧渡槽承载着当地水利工程的发展和历史变迁,反映了特定的历史和文化环境。这些渡槽具有独特的建造技术、设计风格和历史背景,对于研究和保护水利工程的历史和文化遗产具有重要意义。因此,笔者研究老旧渡槽的病理状况以及老化成因,并提出适宜的修复措施,以期为类似渡槽的修复提供借鉴。

1 工程概况

上吴渡槽位于浙江省义乌市赤岸镇,为U形薄壳渡槽,全长600 m。渡槽由49榀排架及50节槽身组成,排架高度为24 m,宽度为2.8 m,槽身为薄壳渡槽,厚度为35 mm。

渡槽于1972年6月开始动工修建,1973年2月竣工,工程建成至今已有50余年(图1)。由于受限于渡槽建设时的经济条件,再加上渡槽已服役多年,现在的渡槽各部分已经出现了不同程度的老化以及破损情况。

图1 上吴渡槽侧视图

2 水利工程视角下渡槽修复工作的特点

渡槽作为一种输水建筑物,常用于引导河流、溪流或运河水流,用于供水、灌溉、发电和排水等,长期使用可能出现腐蚀与漏水的问题,因此对病害渡槽进行加固非常有必要。由于渡槽结构的复杂性,在修复过程中需要综合考虑多方面的因素,以确保渡槽的正常运行和长期稳定。从水利工程视角出发,渡槽修复的主要目的是满足安全性和耐久性。

2.1 安 全 性

首先,确保渡槽修复过程不会影响渡槽的整体稳定性;其次,确保渡槽在完成工程修复后能够减轻病害程度,并满足现有的规范要求,确保渡槽的安全运行。

2.2 耐 久 性

上吴渡槽服役多年,渡槽各部分已经出现了不同程度的老化以及破损情况,影响到渡槽的正常使用。通过对渡槽槽身和排架柱等部位进行合理的修复,可以提高渡槽结构的强度和耐久性,延长渡槽的使用寿命。

3 文物保护视角下渡槽修复的特点

上吴渡槽建设时间久远,作为柏峰水库水利工程西干渠的一部分,上吴渡槽持续存在和使用的历史可以追溯到20世纪70年代,作为保存至今的水利工程项目[2],上吴渡槽的存在反映了义乌市水利发展的历史过程,既代表了我国在20世纪的水利工程发展情况,也展示了当时人们解决农田灌溉工程问题的技术和能力。渡槽的设计、建造和维护,以及所应用的材料和技术,对未来研究水利工程历史和发展具有重要参考价值。另外,作为义乌市的标志性建筑,上吴渡槽也是当地文化遗产的象征。通过修缮和保护上吴渡槽,进一步挖掘渡槽相关的旅游资源,可以增进公众对渡槽历史和文化背景的了解,提高公众对水利工程的认识和对渡槽的保护意识。

上吴渡槽的修复工作应从文物保护的视角出发,尽可能确保渡槽的稳定性及完整性,修复原则可概括为:保护为主、修旧如旧和无损加固[3]。

3.1 保护为主

修复的过程中应最大限度地尊重历史原貌和保留历史信息。保护修复设计并不是对文物建筑进行重新设计,也不是将其转变成古建筑设计,而是通过遵循修复原则,采取合理的修复措施和技术手段,解决文物建筑存在的问题。修复时应最大限度地保持建筑原始风貌,不破坏渡槽原有外观,尽量减少使用钻孔工艺;同时采用外包钢、粘碳纤维、环抱箍紧等措施,避免破坏原有的结构,确保修复后的渡槽能够保持其原有的历史特征和文化价值,同时提高其安全性和耐久性。通过合理的修复设计和技术手段,可以解决渡槽存在的问题,延长其使用寿命,并保留渡槽作为文化遗产的重要价值。

3.2 修旧如旧、无损加固

修复的主要目的是保留上吴渡槽的历史原貌和建筑特征,以维持其独特价值和真实性。修复过程中,应采用恰当的材料和工艺。选择修复材料时,优先考虑与原渡槽相同或相似的材料,以确保修复后的渡槽与原建筑保持一致,在无法使用和原有渡槽相同的材料的情况下,可寻找具有相似颜色、纹理和质感的替代品。

此外,除了外观上的修复,恢复渡槽原有的输水功能也是修复的目的之一,以使渡槽在修复后能够继续发挥使用价值。

以上修复策略旨在最大限度地保留渡槽的历史原貌和建筑特征,使渡槽在修复后能展示其历史背景,并具有重要的文化遗产和学术研究价值。

4 上吴渡槽老化病害的主要表现形式

上吴渡槽历经多年服役之后,目前的病害主要表现为部分槽身砂浆脱落、钢丝网裸露锈蚀、橡胶止水带破损、渡槽混凝土碳化严重、部分渡槽产生整体位移以及钢筋锈蚀等问题。

4.1 橡胶止水带破损

经历了长达50余年的使用,上吴渡槽槽身内部冲蚀严重,水流及水流所携带的泥沙不断冲刷磨损止水带,另外受到夏日太阳暴晒与冬季严寒等多种因素的影响,导致橡胶材料逐渐老化、变硬、变脆和破损。

4.2 渡槽排架混凝土保护层破坏

上吴渡槽排架表面已出现明显碳化痕迹。此外,排架还存在大面积的剥蚀和脱落现象,钢筋裸露在外,出现了严重的锈蚀。

4.3 部分槽身产生整体侧移

受建设时的技术条件限制以及多年的老化和外部环境影响,上吴渡槽的部分槽身发生了整体侧移。

4.4 槽身强度降低

渡槽因建造年代久远,且局限于建造初期的物资条件等因素,上吴渡槽槽身厚度只有35 mm,属于薄壳渡槽,因此经过50余年的使用,槽身已发生了不同程度的劣化。根据测算,在设计水位条件下,槽身已无法满足安全使用的要求。

5 上吴渡槽修补加固技术

混凝土大面积剥落、碳化严重、止水带破损、槽身侧向位移是上吴渡槽的基本病害之一,因此,渡槽加固应该从渡槽槽身加固、排架加固和基础加固三个方面进行。

5.1 渡槽槽身加固技术

上吴渡槽属于U型薄壳渡槽,经过50余年的使用,槽身已经出现了不同程度的漏水现象,施工部位的表面装饰层及抹灰层存在不同程度的破损,经过有限元计算,槽身在原设计水位工况下存在倾覆风险。因此,为增强渡槽槽身强度,采用粘贴碳纤维布的方式对渡槽槽身混凝土进行补强。具体操作步骤如下。

5.1.1 槽身清理、表面修复

首先,对渡槽槽身进行打磨,清除加固构件表面的劣化混凝土,并使用高压水枪对槽身表面进行冲洗,去除表层的浮浆、油污等污垢,使新的混凝土结构面露出来,为进行表面修复施工做好准备。冲洗的目的是更好地粘贴碳纤维片材,因此,在清理槽身后,需要进一步检查混凝土表面是否存在孔隙、蜂窝等问题。其次,对于有孔隙、蜂窝的混凝土表面,应使用环氧树脂水泥砂浆进行修复;对于出现大面积混凝土缺失的情况,采用无收缩水泥进行修复[4]。最后,对修复后的槽身表面进行补平。

5.1.2 粘贴碳纤维片材

碳纤维片材作为一种碳纤维复合材料,常与浸渍树脂结合使用。相较于其他槽身修复材料,碳纤维片材具有优异的抗腐蚀性能,能够有效抵抗化学物质、水分等环境因素的侵蚀。首先,碳纤维片材具有卓越的耐腐蚀特性,使用其进行槽身修复可以更好地延长结构的使用寿命。其次,碳纤维片材本身对槽身结构无腐蚀作用。相较于传统金属材料,碳纤维不会引发二次腐蚀,从而避免了进一步损害结构的风险。此外,碳纤维片材的施工方便快捷。由于其轻质且柔性的特点,碳纤维片材可以适应轻度不规则形状的槽身表面,并能够有效覆盖槽身的各个部位[5]。粘贴碳纤维片材施工过程简单高效,可以提高修复工作的进度和效率,其性能指标如表1所示。

表1 修补材料性能指标表

在粘贴碳纤维片材之前,应先对渡槽槽身涂刷浸渍树脂作为底层涂料,以增强碳纤维布与渡槽槽身之间的黏着力。此外,应根据设计要求对碳纤维片材进行裁剪,以达到所需面积,满足补强作用的要求。进行材料的粘接时,应贴合紧密,以确保黏结剂充分浸润碳纤维片材。待碳纤维片材表面的浸渍树脂指触干燥后,才能进行下一道工序。对于出现空鼓情况的部位,采取注胶的方式进行修补。如果空鼓部位过大,应切除该部位的碳纤维片,重新进行覆盖。在最后一层碳纤维片施工完成后,应在碳纤维表层涂抹一层浸渍树脂。在树脂初凝之前,撒上一层粗砂,并在其表面涂抹15 mm厚的M10抗裂砂浆。

5.1.3 槽身防腐涂料施工

为了保持施工后的渡槽与最初渡槽槽身的一致性,并提高混凝土的耐久性和美观性,需要对渡槽槽身表面进行防护涂装,共进行三层涂装:底漆层使用环氧封闭漆,中间层使用环氧树脂漆,面漆层使用丙烯酸聚氨酯漆。使用环氧封闭漆作为底漆是因其具有良好的附着性和密封性,能够有效地保护渡槽槽身表面;中漆层使用环氧树脂漆,因其具有耐化学性和耐磨性等良好性能,能够增加渡槽槽身的耐久性,并提供一定的防护效果;面漆层选用丙烯酸聚氨酯漆,因其具有优良的耐候性和外观性。

5.1.4 槽身粘钢施工

根据渡槽安全鉴定报告,在正常过水工况下,槽身受拉区存在毁坏的风险。因此,在施工中采用了粘钢施工工艺对槽身受拉区进行加固。这种施工工艺与排架粘钢施工工艺大致相同。

5.2 排架加固技术

为了增强上吴渡槽的排架支撑力,确保渡槽的稳定性,针对排架混凝土碳化严重、混凝土块掉落的问题,对排架柱进行了粘钢施工。具体方法是采用外包钢加固排架柱的柱榫接头,然后使用聚合物砂浆进行包覆,以加强保护和支撑力。

5.2.1 凿除排架混凝土碳化层

采用凿除法对排架柱混凝土表面碳化层进行拆除,凿进深度根据渡槽混凝土的碳化深度而定,阿列克谢耶夫[6]根据环境中CO2浓度、混凝土中CO2的扩散速率与混凝土吸收CO2的能力提出了FICK定律。混凝土碳化深度计算式为

(1)

式(1)中:X(t)为混凝土碳化深度,mm;Dc为混凝土中CO2扩散系数;C0为所处环境CO2浓度,%;m0为单位混凝土CO2吸收量,g/dm3;t为碳化时间,年。

渡槽排架处混凝土强度为C18,Dc取值[7]为

(2)

式(2)中,fcuk为混凝土抗压强度,MPa。

排架柱混凝土抗压强度为24 kPa,因此混凝土中CO2扩散系数为0.768 5。查阅义乌市平均二氧化碳浓度与单位混凝土CO2吸收量后,最后得出排架处混凝土理论碳化深度为14.01 mm, 与近期实际测得的渡槽排架碳化深度平均值(表2)相接近。

表2 上吴渡槽排架混凝土碳化深度表 单位:mm

根据计算数据与现场实测数据,将混凝土表面凿除深度定为20 mm。清理完成后,采用砂磨机对排架表面进行二次清理,并采用无油压缩空气清除粉粒,以便后期进行修复操作。

5.2.2 扁钢辍板施工

在扁钢辍板施工之前,对排架表面进行进一步处理,如果凿除的混凝土表面出现严重的凹凸不平,就需要使用环氧树脂砂浆对其进行补平,然后使用砂轮机对钢材进行表面处理,确保表面无锈,并具有足够的粗糙度[8]。

处理完表面后,将扁钢定位并贴合于混凝土表面,使用螺杆将角钢与排架柱固定。对于孔洞和螺杆,应使用化学植筋胶锚进行固定。随后焊接辍板与角钢,固定后使用封边材料将扁钢辍板进行封边,随后进行注胶施工。

5.2.3 注胶施工

注胶施工采用的胶水为专用粘钢结构胶,按规定比例进行配制,配制完成后,将结构胶涂抹在已处理的混凝土表面与钢板的贴合面上,厚度要求为1～3 mm。为避免结构胶流淌,可添加脱脂玻丝布,等待24 h至结构胶固化后,在钢板及扁钢辍板表面挂钢丝网片并抹聚合物砂浆保护。该操作可在保留渡槽原始外貌的基础上,提升钢材表面的防腐效果。

5.3 基础加固技术

自1973年建成以来,上吴渡槽主体结构经历了多次暴雨洪水的考验。在自然灾害的影响下,渡槽的某些部位出现了侧移,部分槽身出现了由于基底变形引起的渗漏现象。为避免基础变形持续扩大并最终威胁到渡槽的运行安全,计划在基础结构上进行植筋加固。

基础加固的施工工艺流程如下:首先是土方开挖,随后对原始结构的混凝土进行表面处理。在完成表面处理后,对结构进行植筋施工,并在施工完成后进行混凝土的浇筑。经过以上步骤,基础加固工程基本完成。

5.3.1 原结构混凝土处理

为确保后期施工的新增混凝土构件与原结构混凝土贴合紧密,须对原结构混凝土进行表面处理,即在开挖土方后,对原基础上的结构混凝土进行表面凿毛处理。基础凿毛深度应大于6 mm,以确保凿毛层与混凝土基础结构之间有足够的粗糙度,能提供良好的附着力。新旧混凝土结合面保持齿型毛面,以确保结合面之间有足够的接触面积和摩擦力,从而提高结合强度。凿毛结束后,将结合面进行冲洗,防止粉尘对结合面摩擦力产生影响。通过以上处理步骤,原有结构混凝土表面将具备更好的粗糙度,能够与新拌混凝土构件紧密贴合,并提供可靠的结合强度。

5.3.2 结构植筋施工

为确保新增构件与原结构混凝土形成一个整体,使得新旧混凝土构件能够共同承担渡槽的自重,对结构进行植筋是有必要的。施工时,钻孔应尽量避开原结构钢筋,以确保钢筋的连续性和结构的完整性。钻孔结束后,须对钻出的孔洞进行清理,避免灰尘与异物进入,影响植筋质量。清孔结束后,进行锚固胶灌注,以提供更好的黏结性能,增强植筋与周围混凝土的连接强度,随后植入钢筋,在锚固胶固化后绑扎钢筋,并浇筑混凝土,完成基础加固施工。

6 结 语

上吴渡槽修复工程的设计和施工的实践表明,采用植筋加固技术对渡槽基础结构进行加固、采用粘钢施工对排架柱进行加固、采用碳纤维片材对槽身进行加固、采用防腐涂料对槽身进行处理的加固措施可以最大程度地保留渡槽的原始风貌和文物价值,并且加强了渡槽的整体稳定性,解决了上吴渡槽的安全隐患,达到了除险加固和修复的预期效果。上吴渡槽的修复方案可以为其他需要进行类似修复工程的渡槽提供参考。