山西禹門口引黃灌區渡槽建筑物缺陷修補加固處理

劉志芳　楊偉才　甄　理

(1.山西省禹門口水利工程管理局，山西 太原　030002;2.中國水利水電科學研究院結構材料所， 北京　100038)

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山西禹門口引黃灌區渡槽建筑物缺陷修補加固處理

劉志芳1楊偉才2甄理2

(1.山西省禹門口水利工程管理局，山西 太原030002;2.中國水利水電科學研究院結構材料所， 北京100038)

本文以山西禹門口灌區二級干渠渡槽加固改造工程為例，針對其存在的混凝土凍融剝蝕、嚴重碳化、鋼筋銹蝕、裂縫等老化病害問題，在檢測評估的基礎上提出了相應的修補加固技術方案。工程修復后經過通水運行觀察，相關病害得到了有效處理，滲漏問題得到了徹底解決，渡槽運行水位明顯下降、流速增大，過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； 渡槽； 修補加固； 降糙處理

1　前　言

隨著國民經濟的快速發展，中國工農業用水量不斷增長，水資源日益緊缺。為了保證工農業用水供應，當前水利工程建設重點轉向了農業灌區和引調水工程。灌區和調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鍵工程。鑒于渡槽建筑物結構型式多樣，多年運行后易發生病害，對工程運行安全形成威脅，因此對其結構進行修補加固一直是大型灌區及調水工程運行維護的難點。本文以山西禹門口灌區二級干渠渡槽加固改造工程為例，針對其存在的混凝土凍融剝蝕、嚴重碳化、鋼筋銹蝕、裂縫等老化病害問題進行檢測分析，并對其修補加固技術方案進行了技術研究及現場應用，以期能夠對國內其他渡槽工程的加固改造以啟迪。

2　工程概況

山西禹門口灌區屬于大型水利灌區工程，其二級干渠工程建于20世紀90年代，工程為Ⅲ級建筑物，設計輸水流量為14.54m3/s，加大流量為16.72m3/s。禹門口灌區二級干渠共有14座渡槽，工程經過20多年的運行，渡槽出現了不同程度的老化病害，現場檢測及結構復核計算結果表明，禹門口渡槽槽身及排架結構承載能力滿足規范要求，但渡槽混凝土存在比較嚴重的老化病害，目前渡槽建筑物的老化病害現象日趨嚴重，渡槽槽身內混凝土凍融剝蝕、嚴重碳化、鋼筋銹蝕、裂縫等現象十分普遍，這些病害與缺陷已直接影響工程的安全運行。因此，必須對渡槽存在的問題進行修補加固處理。

3　渡槽修補加固技術方案

首先對14座渡槽中老化病害程度最嚴重的11號、13號兩座渡槽進行修補加固處理。針對渡槽存在的上述幾方面病害問題，有針對性的提出了修補加固處理方案。

3.1混凝土剝蝕破損修復處理

根據渡槽建筑物的運行環境和現場剝蝕狀況，決定采用聚合物纖維水泥砂漿對混凝土剝蝕面進行修復。聚合物纖維水泥砂漿具有較好的性能，技術可靠，工程應用效果較好。其修復工序如下：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，直至出露新鮮堅硬的混凝土面，鑿除深度應大于1cm，且鑿除厚度宜均勻，鑿除坑的周邊應垂直，輪廓線宜構成凸多邊形。出露的鋼筋如發生銹蝕，應進行除銹處理，然后涂刷阻銹劑。對需采用聚合物水泥砂漿修補的部位，在聚合物水泥砂漿修復前，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氧類黏結劑等。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→養護。

3.2槽身伸縮縫止水修復處理

渡槽伸縮縫原止水結構縫寬3cm，在伸縮縫處預留寬15cm、深4cm的槽，縫內填充膠泥麻絲，槽底部鋪設聚氯乙烯膠泥黏貼三層玻璃絲布，槽內上部采用未膨脹水泥砂漿填平。在膨脹變形時，由于上部的水泥砂漿是剛性材料，不能適應伸縮縫的變形，導致縫內止水被擠碎或破壞，造成伸縮縫滲漏。為保證渡槽伸縮縫的功能及止水效果，必須采用能夠適應伸縮縫變形的柔性表面止水結構進行修復處理，根據以往經驗，結合禹門口工程的特點及要求(最大縫寬5cm，最大變形位移2cm)，決定采用SK單組份聚脲結合U形止水帶的表面止水結構型式進行處理。伸縮縫止水修復方案如圖下所示。

渡槽伸縮縫表面止水結構型式示意圖

該止水結構的特點是：?底部止水帶中心U形部分根據接縫的變形量設計，可以適應渡槽接縫位移而不至于在止水帶中產生較大的應力，影響止水效果；?U形止水帶受到環氧砂漿的保護，可有效延緩其老化時間；?表面SK單組份聚脲在保護底部止水帶的同時，自身也起到止水作用。

3.3槽身外側及排架混凝土碳化處理

鋼筋混凝土發生碳化會使混凝土的堿度降低，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣的作用下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹。為延緩混凝土碳化發展的速度，提高結構的耐久性，延長結構的使用年限，需對混凝土表面進行防碳化處理。工程實踐經驗表明，在采用柔性材料進行防碳化處理后，混凝土碳化深度幾乎不再發展。

混凝土常用的防碳化涂料有環氧涂層、水泥砂漿、VAE柔性防碳化水泥涂料等，通過技術經濟比較，禹門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渡槽槽身外壁及排架混凝土進行表面防護。采用噴涂改性VAE防碳化涂料時，施工厚度不小于1mm為宜。其施工工藝要求如下：將混凝土構件表面的殘缺、破損部分清除干凈至結構密實部位。對經過剔鑿、清理和露筋的構件殘缺部分，進行修補、復原，全面打磨。

在已清洗、修補及打磨后的混凝土表面，用高壓噴涂機噴涂防碳化涂層或輥涂防碳化涂層。防碳化涂料為改性VAE防碳化防護涂料，防碳化涂層共噴涂(或涂刷)3～4遍，應噴涂均勻。每一道涂層表面晾干后，可再噴下一層。各層防碳化材料的配比見表1。

表1　改性VAE防碳化配比

3.4渡槽內壁減糙防護處理

渡槽原設計時糙率按0.014考慮，由于長期運行及混凝土表面剝蝕老化，表面糙率較工程新建時大大增加。為了提高渡槽的過流能力，同時對渡槽表面混凝土進行防護，需要選用表面糙率較低，同時具有防滲和較好耐老化能力的材料進行減糙防護處理。通過技術比選，該工程決定選用SK單組份聚脲材料進行減糙防護處理。試驗結果表明：SK單組份聚脲材料糙率的試驗結果為0.089～0.010，當渡槽的綜合糙率為0.010時，現有渡槽斷面就可以滿足擴大流量至18m3/s的要求。同時聚脲涂層還具有優良的防滲能力和耐老化性能，可在減小糙率的同時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，涂刷聚脲施工應在基層界面允許的時段內進行，斜面或立面宜采用多遍涂刷，一次涂刷厚度不宜大于1mm，后序涂刷應在前一道涂刷晾干后進行，直至厚度達到設計要求。涂層厚度應不小于2mm。

施工工序如下：混凝土表面清理打磨→清洗→專用膩子修補孔洞→涂刷底涂→刮涂單組分聚脲→養護。

3.5渡槽槽身粘貼碳纖維加固處理

碳纖維補強加固技術是利用高強度或高彈性模量的連續碳纖維，單向排列成束，用環氧樹脂浸漬形成碳纖維增強復合片材，將片材用專用環氧樹脂膠粘貼在結構外表面受拉或有裂縫部位，固化后與原結構形成一整體，碳纖維即可與原結構共同受力。由于碳纖維分擔了部分荷載，降低了鋼筋混凝土結構的應力，從而使結構得到補強加固。由于它具有耐久性好、施工簡便、不增大截面、不增加重量、不改變外形等優點，目前其應用較為廣泛。

根據檢測結果，影響槽身結構承載能力的主要為槽身腰線部位以下內側環向鋼筋的嚴重銹蝕和混凝土剝蝕，結構復核計算結果表明槽身內側下部為受拉區，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，局部不滿足要求，因此在該區域粘貼一層碳纖維布對槽身進行加固，保證渡槽的安全運行。

碳纖維片的抗拉強度可達3500MPa，比鋼材高7～10倍，由于采用了性能優良的黏結材料，不僅樹脂可以滲入混凝土中，將碳纖維片材緊密地黏結在結構外表面，而且樹脂具有較高的強度，能有效傳遞碳纖維與混凝土之間的應力，確保不產生界面剝離現象。

現場粘貼碳纖維布環境溫度應大于5℃，施工工藝如下：混凝土基底清理→涂底層膠→用環氧膩子進行殘缺修補→粘貼碳纖維片→養護→涂刷防護涂料。

4　材料性能簡介

4.1聚合物水泥砂漿

聚合物纖維水泥砂漿是通過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有機無機復合材料，伴隨著水泥水化形成水化產物剛性空間結構的同時，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管力成膜，填充結晶相之間的空隙，形成聚合物相空間網狀結構。聚合物相的引入提高了水泥石的密實性、黏結性，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、抗拉強度高、極限拉伸率高、與老混凝土的黏接強度高，因此聚合物水泥砂漿適用于水工混凝土結構的薄層表面修補。聚合物水泥砂漿材料性能指標見表2所示。

表2　聚合物水泥砂漿性能指標

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的高分子預聚體與經封端的多元胺(包括氨基聚醚)混合，并加入其他功能性助劑所構成。在無水狀態下，體系穩定，儲存期在6個月以上。一旦開始施工，在空氣中水分的作用下，迅速產生多元胺，多元胺迅速與異氰酸酯—NCO反應，整個過程沒有二氧化碳產生，也就不會有氣泡產生。

SK單組份聚脲材料具有優異的抗老化性能，在陽光照射下，SK單組份聚脲本身有30年以上的使用壽命，耐久性能優異。并且SK單組份聚脲具有-45℃的低溫柔性，能適應高寒地區的低溫環境，尤其是能抵抗低溫時混凝土開裂引起的形變而不滲漏。SK單組份聚脲材料防滲能力強、抗沖磨效果好，且伸長率大，適用于處理混凝土伸縮縫、裂縫、抗滲及抗沖磨等方面的缺陷，該材料施工方便、不需要專門施工設備。材料的主要技術指標見表3。

表3　單組分涂刷聚脲物理力學性能

4.3VAE柔性水泥防碳化涂料

VAE防碳化乳液是醋酸乙烯-乙烯共聚乳液的簡稱，其具有較好耐紫外線老化性能，同時也具有較強的耐酸堿性，與水泥等無機材料進行復配形成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，該材料性能指標見表4。

表4　VAE柔性水泥防碳化涂料性能指標

4.4碳纖維布

渡槽槽身加固采用一級碳纖維布，碳纖維布的規格及性能指標見表5。

表5　碳纖維布的規格及性能指標

粘貼碳纖維板材或織物加固時應使用與混凝土及碳纖維有良好適配性的黏結劑(包括浸膠以及用它配置的底涂膠和修補膠)，如：改性環氧樹脂等，碳纖維黏結劑的基本性能要求見表6。

表6　碳纖維黏結劑基本性能要求

5　結　語

2014年對禹門口灌區二級干渠的1號、13號兩座渡槽進行了修補加固改造，修復剝蝕混凝土面積約8000m2，聚脲減糙防護處理面積6500m2，碳纖維布加固面積約2000m2，處理伸縮縫63條，防碳化面積13000m2。工程修復后經過一年的通水運行觀察，相關病害得到了有效處理，滲漏問題得到了徹底解決，渡槽運行水位明顯下降、流速增大，過流能力有了明顯提高，工程處理取得了良好的效果。

中國渡槽的數量和規模均處于世界前列，很多渡槽工程都存在與禹門口灌區渡槽相類似的病害問題，禹門口灌區渡槽的成功修補加固為類似工程的修補處理提供了參考，對于全國大型灌區及調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用[J].水利水電技術，2009(1).

[2]DL/T 5317—2014水電水利工程聚脲涂層施工技術規程[S].北京：中國電力出版社，2014.

[3]DL/T 5315—2014水工混凝土建筑物修補加固技術規程[S].北京：中國電力出版社，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