新型防護(hù)結(jié)構(gòu)在倒虹吸工程中的應(yīng)用研究

張 欣，張永先

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院建材巖土試驗(yàn)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

新型防護(hù)結(jié)構(gòu)在倒虹吸工程中的應(yīng)用研究

張 欣，張永先

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院建材巖土試驗(yàn)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

文章介紹了遼西地區(qū)海濱灌區(qū)倒虹吸工程現(xiàn)狀,并分析了倒虹吸混凝土結(jié)構(gòu)破損的主要類(lèi)型和產(chǎn)生的原因。詳細(xì)說(shuō)明了一種適用于倒虹吸及箱涵式輸水建筑物的新型防沖刷保溫防滲結(jié)構(gòu),介紹了該結(jié)構(gòu)的組成部分及主要優(yōu)勢(shì),并在海濱灌區(qū)得到了推廣與應(yīng)用,通過(guò)觀測(cè),效果顯著。

倒虹吸;防沖刷;保溫;防滲

1 海濱灌區(qū)概況

海濱灌區(qū)位于興城市西南方向，煙臺(tái)河兩側(cè)，是興城市重要商品糧基地之一。灌區(qū)地處北溫帶，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，其特點(diǎn)是冬季以西北季風(fēng)為主，嚴(yán)寒干燥;夏季以東南季風(fēng)為主炎熱多雨，四季冷暖干濕分明。多年平均降水量為586.8m m;多年平均蒸發(fā)量為1519.9m m(E 601);多年平均氣溫在 9.1℃，極端氣溫在 -27.5～40.8℃之間。氣溫由北向南遞增;多年平均風(fēng)速為2.8m/s，最大風(fēng)速可達(dá)23.7m/s，為西南風(fēng)。受季風(fēng)和地形影響，夏季盛行南風(fēng)，冬季盛行北風(fēng)。主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)和西南風(fēng)。標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為1.02m。

2 倒虹吸工程現(xiàn)狀

灌區(qū)內(nèi)建有多種渠系建筑物，其中包括十余座倒虹吸工程，運(yùn)行以來(lái)每年都為農(nóng)灌輸水發(fā)揮了重要作用。倒虹吸是當(dāng)渠道與道路、河流發(fā)生交叉或渠道穿越山谷時(shí)經(jīng)常采用的一種水工建筑物，海濱灌區(qū)內(nèi)倒虹吸形式多數(shù)為廂式混凝土結(jié)構(gòu)，大部分運(yùn)行時(shí)間已達(dá)到20余年，尤其是2000年后煙臺(tái)河采砂造成河床下降，導(dǎo)致有6座倒虹吸已經(jīng)完全裸露于地表。曾經(jīng)對(duì)灌區(qū)2座倒虹吸進(jìn)行了修復(fù)，但大部分倒虹吸由于受到灌區(qū)氣候的影響，廂體漏水、混凝土破損等問(wèn)題仍十分嚴(yán)重。

3 混凝土結(jié)構(gòu)破壞類(lèi)型及原因分析

倒虹吸工程混凝土出現(xiàn)的破壞類(lèi)型主要為滲漏破壞、水流沖刷侵蝕破壞、凍脹破壞，這3種破壞形式既單獨(dú)產(chǎn)生影響，同時(shí)又相互加重混凝土的內(nèi)外損傷。夏季主要體現(xiàn)為滲漏缺陷;冬季主要表現(xiàn)為凍脹破壞，含有水分的裂縫部位和沖刷剝蝕區(qū)凍脹破壞尤其嚴(yán)重;汛期，過(guò)流泥沙對(duì)倒虹吸頂部主要產(chǎn)生沖刷侵蝕破壞，在頂部和倒虹吸下游均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的淘刷坑和沖刷剝蝕區(qū)。

3.1 滲漏破壞

夏季工況下，多數(shù)倒虹吸尤其是裸露于地表的6座倒虹吸，不僅經(jīng)受反復(fù)內(nèi)外壓差交替、突變，而且受河流沖刷、磨蝕的影響，廂體頂部與立面的連接部位多處出現(xiàn)混凝土漏水;裂縫、施工縫、伸縮縫部位也多處滲水。

裂縫、施工縫、伸縮縫長(zhǎng)期滲水對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋不利，將引起鋼筋銹蝕等問(wèn)題;長(zhǎng)期滲水，裂縫、施工縫、伸縮縫處的內(nèi)部混凝土將會(huì)少量發(fā)生鈣質(zhì)析出現(xiàn)象，大量發(fā)生縫口附近混凝土局部?jī)鋈谄茐?裸露于地表的混凝土缺乏任何保護(hù)，碳化速度加快，導(dǎo)致混凝土鈣質(zhì)流失、析出，混凝土變得疏松，失去強(qiáng)度。滲水的部位常常是內(nèi)水外滲和外水內(nèi)滲交替發(fā)生，倒虹吸內(nèi)外壓差處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 水流沖刷侵蝕破壞

沖刷、磨蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)體厚度減小，剝蝕深度加大、面積擴(kuò)大。倒虹吸頂部和下游側(cè)立面混凝土剝蝕深度逐年增加。汛期，過(guò)流泥沙對(duì)倒虹吸頂部和下游側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的淘刷，在頂部混凝土表面產(chǎn)生嚴(yán)重的剝蝕區(qū)域，混凝土表面局部出現(xiàn)鋼筋外露、沖蝕坑洞、表層混凝土剝落等問(wèn)題，下游側(cè)出現(xiàn)較大的淘刷坑，甚至將倒虹吸底部基礎(chǔ)淘刷出坑洞。如果不及時(shí)阻斷，采取有效措施防止進(jìn)一步破壞，混凝土結(jié)構(gòu)體很快就大面積露出鋼筋，普遍發(fā)生銹脹破壞，雖然這些破壞目前不太嚴(yán)重，曾對(duì)少量部位進(jìn)行過(guò)一定程度的修補(bǔ)，但是歷次修補(bǔ)僅僅是使用普通砂漿進(jìn)行簡(jiǎn)單的外保護(hù)，鋼筋銹蝕依然會(huì)在未來(lái)持續(xù)發(fā)生并擴(kuò)大范圍，而且如果沒(méi)有修補(bǔ)、阻斷、防護(hù)措施，剝蝕深度和面積會(huì)不斷加深、擴(kuò)大，新的銹脹和鼓脹破壞將嚴(yán)重影響鋼筋混凝土壽命。另外地表徑流沖刷和淘刷引起的基礎(chǔ)變動(dòng)，常常導(dǎo)致倒虹吸整體受力不均，冬季內(nèi)外結(jié)冰體更是加重了這種不均衡受力。按照鋼筋混凝土建設(shè)、維護(hù)保養(yǎng)5倍定律，即如果現(xiàn)在不采取有效措施進(jìn)行表層保護(hù)、除銹、阻銹，那么未來(lái)3～5年每年將付出5倍于建設(shè)期費(fèi)用的維護(hù)費(fèi)來(lái)進(jìn)行修補(bǔ)防護(hù)保養(yǎng)。

3.3 凍脹破壞

冬季工況下，降水和氣候共同影響導(dǎo)致廂體部位混凝土在受到凍脹影響的同時(shí)還經(jīng)受反復(fù)凍融破壞。尤其是有滲流的裂縫、施工縫、伸縮縫更是從內(nèi)部侵蝕凍傷混凝土，內(nèi)外滲流結(jié)冰以及廂體整體處于凍土層以上環(huán)境，導(dǎo)致凍融剝蝕帶來(lái)的損害十分嚴(yán)重，有的表層混凝土基本疏松，個(gè)別嚴(yán)重的部位出現(xiàn)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體局部塌陷、孔洞等嚴(yán)重凍害破損。

由于灌區(qū)內(nèi)倒虹吸數(shù)量較多，破損率較高，因此對(duì)倒虹吸的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修補(bǔ)處理。但因缺乏新的材料和先進(jìn)的技術(shù)手段，修補(bǔ)措施僅僅是使用了普通的水泥砂漿進(jìn)行了簡(jiǎn)單維修處理，在經(jīng)受較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后依然損壞嚴(yán)重。

4 修補(bǔ)防護(hù)措施

鑒于倒虹吸工程出現(xiàn)了較多的內(nèi)外損傷，因此在修補(bǔ)防護(hù)設(shè)計(jì)中需要考慮一種新型耐用的修補(bǔ)加固與防護(hù)技術(shù)。

新加固修補(bǔ)后的倒虹吸箱體應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題，并且能夠在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，盡量節(jié)約建設(shè)基金。

首先對(duì)裂縫、滲漏、剝蝕破壞的區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理，然后使用一種新型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)防護(hù)加固。

基于興城市海濱灌區(qū)倒虹吸的現(xiàn)狀及現(xiàn)有修補(bǔ)技術(shù)存在的問(wèn)題，研究了一種新型的防沖刷保溫防滲結(jié)構(gòu)。主要由工程原有混凝土結(jié)構(gòu)、防銹鋼筋網(wǎng)、自流平修補(bǔ)加固砂漿層、錨固鋼筋、聚氨酯防水涂層、擠塑板保溫層組成，如圖1所示。

其施工工藝為:將倒虹吸混凝土結(jié)構(gòu)的兩側(cè)立面和底面內(nèi)側(cè)，經(jīng)鑿毛露出新鮮混凝土表面后涂刷一薄層均勻的界面劑，在界面劑上鋪設(shè)防銹鋼筋網(wǎng)?；炷两Y(jié)構(gòu)的兩側(cè)立面和底面均勻布設(shè)有鉆孔，鉆孔內(nèi)置錨固劑(植筋膠)，錨固鋼筋置入鉆孔將防銹鋼筋網(wǎng)錨固。于防銹鋼筋網(wǎng)內(nèi)側(cè)放置模板，模板以校緊肋板及連接錨固鋼筋的調(diào)位螺絲固定，通過(guò)模板在鋪設(shè)防銹鋼筋網(wǎng)的新鮮混凝土表面澆筑自流平修補(bǔ)加固砂漿?；炷两Y(jié)構(gòu)的頂面內(nèi)側(cè)依次涂刷第一層界面劑、第二層聚氨酯防水涂層。頂面和立面外側(cè)凍層以上向外依次抹布第一層砂漿修補(bǔ)找平層、第二層保溫粘接砂漿，粘貼擠塑板保溫層，并澆筑 C 20混凝土層。在擠塑板保溫層和C 20混凝土層的端部設(shè)置有聚氨酯防水涂層。具體如圖1所示。

圖1 新型防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析

該結(jié)構(gòu)不僅適用于倒虹吸結(jié)構(gòu)，同樣適用于箱涵式輸水建筑物，其特點(diǎn)在于:針對(duì)箱涵及倒虹吸工程出現(xiàn)的破壞缺陷，該結(jié)構(gòu)具有防沖刷保溫防滲的綜合作用。

滿(mǎn)足箱涵及倒虹吸混凝土結(jié)構(gòu)的防沖刷需求，不使河床抬高過(guò)多，就能達(dá)到抗沖防護(hù)效果，避免使用鉛絲石籠覆蓋頂部結(jié)構(gòu)增加結(jié)構(gòu)體厚度;結(jié)構(gòu)體凍層以上部位粘貼擠塑板，有效解決冬季工況下，河床裸露于地表，箱涵及倒虹吸內(nèi)部混凝土經(jīng)受凍害的問(wèn)題;擠塑板具有較低的吸水率，可以長(zhǎng)期有效地起到保溫作用，使受保護(hù)混凝土免遭凍脹、凍融破壞;聚氨酯防水涂層減少了外水內(nèi)滲，使保溫層較為干燥，有利于提高保溫效果;抗沖磨砂漿保護(hù)層提高了內(nèi)部混凝土表面的抗沖刷性能，使結(jié)構(gòu)體不受沖刷破壞;將倒虹吸結(jié)構(gòu)內(nèi)部涂刷適宜厚度的聚氨酯防水材料，降低了糙率，提高了過(guò)流能力。

6 應(yīng)用效果觀測(cè)

通過(guò)在興城市海濱灌區(qū)應(yīng)用該種結(jié)構(gòu)防護(hù)倒虹吸工程，6處倒虹吸工程均得到較好的防沖刷保護(hù)，保護(hù)長(zhǎng)度累計(jì)達(dá)到150m，防護(hù)效果顯著，大大提升了灌區(qū)倒虹吸的使用壽命。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)保溫效果顯著，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)體地面以下40c m深度的混凝土溫度進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用10c m厚度的擠塑板保溫層以后，能夠提高結(jié)構(gòu)體溫度3～5℃，可以有效降低結(jié)構(gòu)體發(fā)生凍害的幾率;通過(guò)運(yùn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部防水和修補(bǔ)砂漿結(jié)構(gòu)層完好，結(jié)構(gòu)體頂部的混凝土有少量的沖刷痕跡，沒(méi)有明顯的破壞。

圖2 倒虹吸1

圖3 倒虹吸2

圖4 倒虹吸3

圖5 倒虹吸4

圖6 倒虹吸5

圖7 倒虹吸6

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)持續(xù)觀測(cè)6座倒虹吸工程發(fā)現(xiàn)，為了達(dá)到預(yù)定的防沖刷保溫防滲效果，需要在材料的選擇、施工工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面因地制宜地予以充分考慮。采用擠塑板保溫效果就比苯板效果好，擠塑板具有極低的吸水率，既可以保溫又具有防水效果;素混凝土位于擠塑板上層，既對(duì)隔熱層予以保護(hù)，又可以代替鉛絲石籠，降低覆蓋厚度;在該結(jié)構(gòu)施工開(kāi)展之前應(yīng)該先對(duì)裂縫、滲漏、剝蝕等缺陷進(jìn)行預(yù)處理，處理完畢后再開(kāi)展該結(jié)構(gòu)的施工。

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圖4 銅綠微囊藻葉綠素a濃度與藻密度的關(guān)系

銅綠微囊藻密度與葉綠素a的具有較好的線性關(guān)系，其回歸方程為:y=0.3618x，相關(guān)系數(shù)R2= 0.9945，其中:y為銅綠微囊藻的密度(107個(gè)/L)，x為樣品中葉綠素a的濃度(μ g/L)。

4 討論

浮游生物細(xì)胞計(jì)數(shù)方式有:光學(xué)顯微鏡鏡檢、藻類(lèi)葉綠素a的轉(zhuǎn)換、分光光度計(jì)的光吸收、熒光分光光度計(jì)的多波段檢測(cè)等，其中藻類(lèi)的光學(xué)顯微鏡檢是最直接的檢測(cè)方式，但通常浮游植物在地表水體中浮游生物的密度較低，需要濃縮才能進(jìn)行測(cè)定，固定時(shí)間為24～36h，還需要濃縮鏡檢的時(shí)間，鏡檢耗時(shí)但準(zhǔn)確性較好。

分光光度計(jì)和葉綠素a的藻類(lèi)換算計(jì)數(shù)則僅限于單種(純種)藻類(lèi)的計(jì)數(shù)換算，且已知單種藻的換算關(guān)系下進(jìn)行。除少數(shù)種類(lèi)(如銅綠微囊藻)絕大部分的藻類(lèi)都未探討過(guò)其中的換算關(guān)系，因自然界中藻類(lèi)的物種多樣性較大，每一水體都是由幾門(mén)的幾百種的浮游植物構(gòu)成，故探討某一種類(lèi)的關(guān)系有一定的局限性，但在水華期間，單種藻占據(jù)水體浮游植物細(xì)胞數(shù)的95%以上，其線性關(guān)系較明顯，簡(jiǎn)單的測(cè)量能較快地反映水體的細(xì)胞數(shù)及生物量，節(jié)省很多人力物力。此方式也適用于人工培養(yǎng)的藻類(lèi)水體(如螺旋藻)和實(shí)驗(yàn)室純培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

熒光分光光度計(jì)的多波段檢測(cè)能較快反映藻類(lèi)4門(mén)的藻類(lèi)密度狀況，但也缺乏嚴(yán)格校正的換算關(guān)系，如藍(lán)藻(Bluegreen algae)在德國(guó)B B E藻類(lèi)分類(lèi)檢測(cè)儀的換算關(guān)系為1μg的葉綠素a等于1×106個(gè)的藻細(xì)胞，而通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)則獲得的銅綠微囊藻的數(shù)據(jù)為1 μ g的葉綠素a換算成3.62×107個(gè)的藻細(xì)胞，差別較大。筆者曾用密度為 2.2767×108個(gè)/L的微囊藻藻液進(jìn)行測(cè)量，儀器顯示為2.37× 108個(gè)/L，誤差為3.93%，在細(xì)胞計(jì)數(shù)方面B B E藻類(lèi)分類(lèi)檢測(cè)儀的誤差相對(duì)較小。

不同的浮游植物中含有種類(lèi)眾多的色素，其中葉綠素a存在于所有的浮游植物當(dāng)中。雖然不同種類(lèi)含有的葉綠素a的量不同，但在反映藻類(lèi)的總生物量中葉綠素a有一定的優(yōu)勢(shì)。無(wú)論是自然的地表水體還是水華期的湖庫(kù)，都能比較直觀反映浮游植物的生長(zhǎng)狀況，因此在水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)當(dāng)中，葉綠素a是不可缺少的評(píng)價(jià)工具。

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2016-08-10

水利部科技推廣計(jì)劃項(xiàng)目(T G 1507)作者簡(jiǎn)介:張 欣(1984年—)，女，工程師。