山西禹門(mén)口引黃灌區(qū)渡槽建筑物缺陷修補(bǔ)加固處理

劉志芳　楊偉才　甄　理

(1.山西省禹門(mén)口水利工程管理局，山西 太原　030002;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所， 北京　100038)

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山西禹門(mén)口引黃灌區(qū)渡槽建筑物缺陷修補(bǔ)加固處理

劉志芳1楊偉才2甄理2

(1.山西省禹門(mén)口水利工程管理局，山西 太原030002;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所， 北京100038)

本文以山西禹門(mén)口灌區(qū)二級(jí)干渠渡槽加固改造工程為例，針對(duì)其存在的混凝土凍融剝蝕、嚴(yán)重碳化、鋼筋銹蝕、裂縫等老化病害問(wèn)題，在檢測(cè)評(píng)估的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的修補(bǔ)加固技術(shù)方案。工程修復(fù)后經(jīng)過(guò)通水運(yùn)行觀察，相關(guān)病害得到了有效處理，滲漏問(wèn)題得到了徹底解決，渡槽運(yùn)行水位明顯下降、流速增大，過(guò)流能力有了明顯提升，工程處理取得了良好的效果。

大型灌區(qū)； 渡槽； 修補(bǔ)加固； 降糙處理

1　前　言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)工農(nóng)業(yè)用水量不斷增長(zhǎng)，水資源日益緊缺。為了保證工農(nóng)業(yè)用水供應(yīng)，當(dāng)前水利工程建設(shè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了農(nóng)業(yè)灌區(qū)和引調(diào)水工程。灌區(qū)和調(diào)水工程一般均包含渡槽建筑物，且渡槽往往是工程的重要建筑物或關(guān)鍵工程。鑒于渡槽建筑物結(jié)構(gòu)型式多樣，多年運(yùn)行后易發(fā)生病害，對(duì)工程運(yùn)行安全形成威脅，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)加固一直是大型灌區(qū)及調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)的難點(diǎn)。本文以山西禹門(mén)口灌區(qū)二級(jí)干渠渡槽加固改造工程為例，針對(duì)其存在的混凝土凍融剝蝕、嚴(yán)重碳化、鋼筋銹蝕、裂縫等老化病害問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)分析，并對(duì)其修補(bǔ)加固技術(shù)方案進(jìn)行了技術(shù)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以期能夠?qū)?guó)內(nèi)其他渡槽工程的加固改造以啟迪。

2　工程概況

山西禹門(mén)口灌區(qū)屬于大型水利灌區(qū)工程，其二級(jí)干渠工程建于20世紀(jì)90年代，工程為Ⅲ級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)輸水流量為14.54m3/s，加大流量為16.72m3/s。禹門(mén)口灌區(qū)二級(jí)干渠共有14座渡槽，工程經(jīng)過(guò)20多年的運(yùn)行，渡槽出現(xiàn)了不同程度的老化病害，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，禹門(mén)口渡槽槽身及排架結(jié)構(gòu)承載能力滿(mǎn)足規(guī)范要求，但渡槽混凝土存在比較嚴(yán)重的老化病害，目前渡槽建筑物的老化病害現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，渡槽槽身內(nèi)混凝土凍融剝蝕、嚴(yán)重碳化、鋼筋銹蝕、裂縫等現(xiàn)象十分普遍，這些病害與缺陷已直接影響工程的安全運(yùn)行。因此，必須對(duì)渡槽存在的問(wèn)題進(jìn)行修補(bǔ)加固處理。

3　渡槽修補(bǔ)加固技術(shù)方案

首先對(duì)14座渡槽中老化病害程度最嚴(yán)重的11號(hào)、13號(hào)兩座渡槽進(jìn)行修補(bǔ)加固處理。針對(duì)渡槽存在的上述幾方面病害問(wèn)題，有針對(duì)性的提出了修補(bǔ)加固處理方案。

3.1混凝土剝蝕破損修復(fù)處理

根據(jù)渡槽建筑物的運(yùn)行環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)剝蝕狀況，決定采用聚合物纖維水泥砂漿對(duì)混凝土剝蝕面進(jìn)行修復(fù)。聚合物纖維水泥砂漿具有較好的性能，技術(shù)可靠，工程應(yīng)用效果較好。其修復(fù)工序如下：首先鑿除凍融或鋼筋銹脹引起的基層混凝土及脫空的混凝土，直至出露新鮮堅(jiān)硬的混凝土面，鑿除深度應(yīng)大于1cm，且鑿除厚度宜均勻，鑿除坑的周邊應(yīng)垂直，輪廓線(xiàn)宜構(gòu)成凸多邊形。出露的鋼筋如發(fā)生銹蝕，應(yīng)進(jìn)行除銹處理，然后涂刷阻銹劑。對(duì)需采用聚合物水泥砂漿修補(bǔ)的部位，在聚合物水泥砂漿修復(fù)前，在處理好的基層表面涂刷界面劑，界面劑可選聚合物水泥凈漿或水溶性環(huán)氧類(lèi)黏結(jié)劑等。具體工藝程序如下：清除剝蝕混凝土→鋼筋除銹→基層處理→聚合物纖維水泥砂漿施工→養(yǎng)護(hù)。

3.2槽身伸縮縫止水修復(fù)處理

渡槽伸縮縫原止水結(jié)構(gòu)縫寬3cm，在伸縮縫處預(yù)留寬15cm、深4cm的槽，縫內(nèi)填充膠泥麻絲，槽底部鋪設(shè)聚氯乙烯膠泥黏貼三層玻璃絲布，槽內(nèi)上部采用未膨脹水泥砂漿填平。在膨脹變形時(shí)，由于上部的水泥砂漿是剛性材料，不能適應(yīng)伸縮縫的變形，導(dǎo)致縫內(nèi)止水被擠碎或破壞，造成伸縮縫滲漏。為保證渡槽伸縮縫的功能及止水效果，必須采用能夠適應(yīng)伸縮縫變形的柔性表面止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)處理，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合禹門(mén)口工程的特點(diǎn)及要求(最大縫寬5cm，最大變形位移2cm)，決定采用SK單組份聚脲結(jié)合U形止水帶的表面止水結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行處理。伸縮縫止水修復(fù)方案如圖下所示。

渡槽伸縮縫表面止水結(jié)構(gòu)型式示意圖

該止水結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：?底部止水帶中心U形部分根據(jù)接縫的變形量設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)渡槽接縫位移而不至于在止水帶中產(chǎn)生較大的應(yīng)力，影響止水效果；?U形止水帶受到環(huán)氧砂漿的保護(hù)，可有效延緩其老化時(shí)間；?表面SK單組份聚脲在保護(hù)底部止水帶的同時(shí)，自身也起到止水作用。

3.3槽身外側(cè)及排架混凝土碳化處理

鋼筋混凝土發(fā)生碳化會(huì)使混凝土的堿度降低，當(dāng)碳化超過(guò)混凝土的保護(hù)層時(shí)，在水與空氣的作用下，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開(kāi)始生銹。為延緩混凝土碳化發(fā)展的速度，提高結(jié)構(gòu)的耐久性，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用年限，需對(duì)混凝土表面進(jìn)行防碳化處理。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在采用柔性材料進(jìn)行防碳化處理后，混凝土碳化深度幾乎不再發(fā)展。

混凝土常用的防碳化涂料有環(huán)氧涂層、水泥砂漿、VAE柔性防碳化水泥涂料等，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，禹門(mén)口渡槽改造工程決定采用柔性的VAE柔性防碳化水泥涂料對(duì)渡槽槽身外壁及排架混凝土進(jìn)行表面防護(hù)。采用噴涂改性VAE防碳化涂料時(shí)，施工厚度不小于1mm為宜。其施工工藝要求如下：將混凝土構(gòu)件表面的殘缺、破損部分清除干凈至結(jié)構(gòu)密實(shí)部位。對(duì)經(jīng)過(guò)剔鑿、清理和露筋的構(gòu)件殘缺部分，進(jìn)行修補(bǔ)、復(fù)原，全面打磨。

在已清洗、修補(bǔ)及打磨后的混凝土表面，用高壓噴涂機(jī)噴涂防碳化涂層或輥涂防碳化涂層。防碳化涂料為改性VAE防碳化防護(hù)涂料，防碳化涂層共噴涂(或涂刷)3～4遍，應(yīng)噴涂均勻。每一道涂層表面晾干后，可再?lài)娤乱粚印８鲗臃捞蓟牧系呐浔纫?jiàn)表1。

表1　改性VAE防碳化配比

3.4渡槽內(nèi)壁減糙防護(hù)處理

渡槽原設(shè)計(jì)時(shí)糙率按0.014考慮，由于長(zhǎng)期運(yùn)行及混凝土表面剝蝕老化，表面糙率較工程新建時(shí)大大增加。為了提高渡槽的過(guò)流能力，同時(shí)對(duì)渡槽表面混凝土進(jìn)行防護(hù)，需要選用表面糙率較低，同時(shí)具有防滲和較好耐老化能力的材料進(jìn)行減糙防護(hù)處理。通過(guò)技術(shù)比選，該工程決定選用SK單組份聚脲材料進(jìn)行減糙防護(hù)處理。試驗(yàn)結(jié)果表明：SK單組份聚脲材料糙率的試驗(yàn)結(jié)果為0.089～0.010，當(dāng)渡槽的綜合糙率為0.010時(shí)，現(xiàn)有渡槽斷面就可以滿(mǎn)足擴(kuò)大流量至18m3/s的要求。同時(shí)聚脲涂層還具有優(yōu)良的防滲能力和耐老化性能，可在減小糙率的同時(shí)大大提高槽身混凝土的防滲性與耐久性。

SK單組份聚脲涂層宜采用刮涂、涂刷或輥涂的方法施工，涂刷聚脲施工應(yīng)在基層界面允許的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，斜面或立面宜采用多遍涂刷，一次涂刷厚度不宜大于1mm，后序涂刷應(yīng)在前一道涂刷晾干后進(jìn)行，直至厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。涂層厚度應(yīng)不小于2mm。

施工工序如下：混凝土表面清理打磨→清洗→專(zhuān)用膩?zhàn)有扪a(bǔ)孔洞→涂刷底涂→刮涂單組分聚脲→養(yǎng)護(hù)。

3.5渡槽槽身粘貼碳纖維加固處理

碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)是利用高強(qiáng)度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬形成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合片材，將片材用專(zhuān)用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼在結(jié)構(gòu)外表面受拉或有裂縫部位，固化后與原結(jié)構(gòu)形成一整體，碳纖維即可與原結(jié)構(gòu)共同受力。由于碳纖維分擔(dān)了部分荷載，降低了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)得到補(bǔ)強(qiáng)加固。由于它具有耐久性好、施工簡(jiǎn)便、不增大截面、不增加重量、不改變外形等優(yōu)點(diǎn)，目前其應(yīng)用較為廣泛。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，影響槽身結(jié)構(gòu)承載能力的主要為槽身腰線(xiàn)部位以下內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋的嚴(yán)重銹蝕和混凝土剝蝕，結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明槽身內(nèi)側(cè)下部為受拉區(qū)，因此，加固的范圍為槽身橫截面45°～135°范圍。槽身的承載能力降低較多，局部不滿(mǎn)足要求，因此在該區(qū)域粘貼一層碳纖維布對(duì)槽身進(jìn)行加固，保證渡槽的安全運(yùn)行。

碳纖維片的抗拉強(qiáng)度可達(dá)3500MPa，比鋼材高7～10倍，由于采用了性能優(yōu)良的黏結(jié)材料，不僅樹(shù)脂可以滲入混凝土中，將碳纖維片材緊密地黏結(jié)在結(jié)構(gòu)外表面，而且樹(shù)脂具有較高的強(qiáng)度，能有效傳遞碳纖維與混凝土之間的應(yīng)力，確保不產(chǎn)生界面剝離現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)粘貼碳纖維布環(huán)境溫度應(yīng)大于5℃，施工工藝如下：混凝土基底清理→涂底層膠→用環(huán)氧膩?zhàn)舆M(jìn)行殘缺修補(bǔ)→粘貼碳纖維片→養(yǎng)護(hù)→涂刷防護(hù)涂料。

4　材料性能簡(jiǎn)介

4.1聚合物水泥砂漿

聚合物纖維水泥砂漿是通過(guò)向水泥砂漿摻加聚合物乳膠改性及纖維材料而制成的一類(lèi)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料，伴隨著水泥水化形成水化產(chǎn)物剛性空間結(jié)構(gòu)的同時(shí)，由于水化和水分散失使得膠乳脫水，膠粒凝聚堆積并借助毛細(xì)管力成膜，填充結(jié)晶相之間的空隙，形成聚合物相空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。聚合物相的引入提高了水泥石的密實(shí)性、黏結(jié)性，又降低了水泥石的脆性。與普通水泥砂漿相比，聚合物水泥砂漿的彈模低、抗拉強(qiáng)度高、極限拉伸率高、與老混凝土的黏接強(qiáng)度高，因此聚合物水泥砂漿適用于水工混凝土結(jié)構(gòu)的薄層表面修補(bǔ)。聚合物水泥砂漿材料性能指標(biāo)見(jiàn)表2所示。

表2　聚合物水泥砂漿性能指標(biāo)

4.2SK單組份聚脲

SK單組份聚脲是一種新型單組份聚脲材料，由含多異氰酸酯—NCO的高分子預(yù)聚體與經(jīng)封端的多元胺(包括氨基聚醚)混合，并加入其他功能性助劑所構(gòu)成。在無(wú)水狀態(tài)下，體系穩(wěn)定，儲(chǔ)存期在6個(gè)月以上。一旦開(kāi)始施工，在空氣中水分的作用下，迅速產(chǎn)生多元胺，多元胺迅速與異氰酸酯—NCO反應(yīng)，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有二氧化碳產(chǎn)生，也就不會(huì)有氣泡產(chǎn)生。

SK單組份聚脲材料具有優(yōu)異的抗老化性能，在陽(yáng)光照射下，SK單組份聚脲本身有30年以上的使用壽命，耐久性能優(yōu)異。并且SK單組份聚脲具有-45℃的低溫柔性，能適應(yīng)高寒地區(qū)的低溫環(huán)境，尤其是能抵抗低溫時(shí)混凝土開(kāi)裂引起的形變而不滲漏。SK單組份聚脲材料防滲能力強(qiáng)、抗沖磨效果好，且伸長(zhǎng)率大，適用于處理混凝土伸縮縫、裂縫、抗?jié)B及抗沖磨等方面的缺陷，該材料施工方便、不需要專(zhuān)門(mén)施工設(shè)備。材料的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3　單組分涂刷聚脲物理力學(xué)性能

4.3VAE柔性水泥防碳化涂料

VAE防碳化乳液是醋酸乙烯-乙烯共聚乳液的簡(jiǎn)稱(chēng)，其具有較好耐紫外線(xiàn)老化性能，同時(shí)也具有較強(qiáng)的耐酸堿性，與水泥等無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)配形成VAE柔性水泥防碳化涂料，其防碳化能力比普通混凝土提高10倍，該材料性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4　VAE柔性水泥防碳化涂料性能指標(biāo)

4.4碳纖維布

渡槽槽身加固采用一級(jí)碳纖維布，碳纖維布的規(guī)格及性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5　碳纖維布的規(guī)格及性能指標(biāo)

粘貼碳纖維板材或織物加固時(shí)應(yīng)使用與混凝土及碳纖維有良好適配性的黏結(jié)劑(包括浸膠以及用它配置的底涂膠和修補(bǔ)膠)，如：改性環(huán)氧樹(shù)脂等，碳纖維黏結(jié)劑的基本性能要求見(jiàn)表6。

表6　碳纖維黏結(jié)劑基本性能要求

5　結(jié)　語(yǔ)

2014年對(duì)禹門(mén)口灌區(qū)二級(jí)干渠的1號(hào)、13號(hào)兩座渡槽進(jìn)行了修補(bǔ)加固改造，修復(fù)剝蝕混凝土面積約8000m2，聚脲減糙防護(hù)處理面積6500m2，碳纖維布加固面積約2000m2，處理伸縮縫63條，防碳化面積13000m2。工程修復(fù)后經(jīng)過(guò)一年的通水運(yùn)行觀察，相關(guān)病害得到了有效處理，滲漏問(wèn)題得到了徹底解決，渡槽運(yùn)行水位明顯下降、流速增大，過(guò)流能力有了明顯提高，工程處理取得了良好的效果。

中國(guó)渡槽的數(shù)量和規(guī)模均處于世界前列，很多渡槽工程都存在與禹門(mén)口灌區(qū)渡槽相類(lèi)似的病害問(wèn)題，禹門(mén)口灌區(qū)渡槽的成功修補(bǔ)加固為類(lèi)似工程的修補(bǔ)處理提供了參考，對(duì)于全國(guó)大型灌區(qū)及調(diào)水工程的改造加固處理具有一定的借鑒意義。

[1]孫志恒，夏世法，付穎千，等.單組分聚脲在水利水電工程中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2009(1).

[2]DL/T 5317—2014水電水利工程聚脲涂層施工技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[3]DL/T 5315—2014水工混凝土建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

Aqueduct building defect repair and reinforcement treatment of Shanxi Yumenkou Yellow River Diversion Irrigation Area

LIU Zhifang1, YANG Weicai2, ZHEN Li2

(1.ShanxiYumenkouAdministrationofWaterConservancyProject,Taiyuan030002,China;2.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearchStructureMaterialOffice,Beijing100038,China)

In the paper, Shanxi Yumenkou Irrigation Area Stage II Canal Aqueduct Reinforcement and Transformation Project is adopted as an example. Corresponding repair and reinforcement technical plan is proposed on the basis of testing evaluation aiming at aging and disease problems thereof such as concrete freeze-thaw erosion, serious carbonation, steel bar rust, crack, etc. Water penetration operation observation is implemented after project repair. Related defects are effectively handled. Seepage problem is completely solved. Aqueduct operation water level is lowered prominently, flow velocity is increased, the overflow ability is obviously improved, and project handling is fruitful.

large irrigation area; aqueduct; repair and reinforcement; roughness dropping treatment

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.10.022

TV672+.3

B

1005-4774(2016)10- 0076- 05