淺析白巖溝鋼筋混凝土渡槽除險加固方法

王錦鵬

（西安市渭河生態保護管理辦公室，陜西 西安 710018）

渡槽是輸送水流跨越空間障礙時采用的工程措施，是非常重要且普遍的水工建筑物。世界上最早的渡槽出現建造于公元前700余年，亞美尼亞。我國古代的渡槽主要以木、石為材料進行建造，建國后，我們國家開始普及鋼筋砼渡槽。但是，限于當時的科技發展及施工技術水平，其耐久性不盡如人意，大部分已出現各類病害，危及安全。本文以白楊溝渡槽為例，對其病害產生的原因及處理措施進行探分析。

1 概況

白巖溝渡槽位于秦嶺北麓、藍田縣城東南，屬于原藍田縣引岱工程紅旗渠第一期工程的一部分。渡槽工程建于1958年8月，位于岱峪輸水工程輸水總干渠上，原設計流量為8.0 m3/s。渡槽全長122 m，主要由排架、槽身和漿砌石護坡等組成，排架為現澆鋼筋混凝土結構，高10 m～20 m不等，邊跨間距為9 m、中間跨為10 m，槽身為U形預制鋼筋網片砂漿結構。經檢測，槽箱存在內外壁局部網絲或鋼筋銹蝕、槽頂橫梁配筋銹脹破壞和槽箱接縫處嚴重滲漏等各類缺陷，槽身結構現存的外觀缺陷歸類為Ⅳ類缺陷，即特別嚴重的缺陷。見圖1。

圖1 渡槽災害情況

2 病害分析

（1）渡槽槽身結構混凝土保護層過薄對渡槽結構產生危害。經檢測，該渡槽很多部位由于受到風霜雨雪等常年侵蝕，鋼筋保護層厚度不能滿足規范要求，空氣中的水、SO2滲入，導致鋼筋生銹，從而破壞混凝土保護層，出現開裂、脫落現象。

（2）自然界風雨、凍融對渡槽產生危害[1]。白巖溝渡槽所處位置，冬夏氣溫變化幅度很大，晝夜溫差也大，渡槽槽身一旦出現裂縫，雨水就會滲透混凝土結構，留在了鋼筋混凝土結構內部，凍脹反應導致淺層破壞。

（3）表層混凝土被碳化。空氣中的CO2與砼中的H2O、Ca（OH）2發生反應，降低了砼PH值，使砼對鋼筋表面鈍化膜的保護功能喪失，引發銹蝕，同時增加了砼結構中空隙。

3 加固前結構安全驗算

3.1 計算軟件及計算內容

本報告采用通用ANSYS軟件對白巖溝渡槽進行結構計算。計算內容包括：按承載能力極限狀態，分別取荷載基本組合與偶然組合，計算槽身沿水流（縱向）方向各典型斷面的最大彎矩以及最大剪力，同時考慮最大軸力；計算了渡槽身垂直于軸向各典型斷面的彎矩、剪力、軸力參數等。取單跨槽身，進行有限元內力計算[2]，有限元模型見圖2，橫斷面內力分析見圖3。

圖2 渡槽單跨有限元計算模型

圖3 計算斷面選取及內力方向規定

3.2 計算結論

3.2.1 有限元縱向結構計算

分別計算槽身結構在各項荷載單獨作用下的縱向內力分布情況，經計算發現槽身半圓下部軸力以受拉為主，承受外側受拉彎矩，渡槽外壁剪力較小，槽身側壁跨中存在軸向拉力，并且內側受拉，槽身底部主要為外側受拉，承受軸向拉力；隨著位置高度增加，結構所受彎矩向內側受拉過渡，承受軸向壓力[3]。見圖4。

3.2.2 有限元橫向結構計算

分別計算槽身結構在各項荷載單獨作用下的橫向內力分布情況，經計算發現槽身跨中軸力以受拉為主，承受外側受拉彎矩，槽身端頭承受軸向壓力，槽身側壁、底板內側承受彎矩，槽身底部的彎矩主要為外側受拉，承受軸向拉力；隨著位置高度增加，結構所受彎矩向內側受拉過渡，承受軸向壓力。結構同時承受彎矩與軸力作用，因此承載力校核可以按偏心受拉和受壓構件進行考慮[4]。見圖5。

圖4 跨中斷面縱向彎矩圖

圖5 跨中斷面橫向彎矩圖

3.3 槽身內力與抗力比較

槽身各部位受力特性隨位置變化差異較大，為安全起見，不適宜采用常規的渡槽單一設計承載力計算方法進行驗算。針對槽身內力分布特點，驗算共取用了三個典型斷面進行比較，分別為槽身跨中、槽身端部以及距槽身端部1 m處。分析發現，槽身各截面的承載能力較低，存在較大的安全隱患，其中承載力極限狀態下各工況跨中斷面最大縱向計算內力為159.7 kN/m，但是最大縱向承載力為128.1 kN/m；承載力極限狀態下各工況槽托斷面最大橫向計算內力為-284.4 kN/m，但是最大橫向承載力為-45.4 kN/m；承載力極限狀態下各工況距槽端1 m斷面最大橫向計算內力為36.4 kN/m，但是最大橫向承載力為17.2 kN/m。針對槽身內力分布特點，驗算共取用了三個典型斷面進行比較，分別為槽身跨中、槽身端部以及距槽身端部1m處。分析發現，槽身各截面同樣受力較大，具有拉力和彎矩共同作用的特點，特別是在槽身縱向位置，過大的反彎矩易使內側壁上出現縱向裂縫，這一情況符合現場實測結論。

3.4 計算結果分析

（1）由計算結果可知，槽身各截面的承載能力較低，存在較大的安全隱患，槽身各截面的受力較大，具有拉力和彎矩共同作用的特點，特別是在槽身縱向位置，過大的反彎矩易使內側壁上出現縱向裂縫，這一情況符合現場實測結論。

（2）槽身跨中側壁縱向彎矩過大，且內側受拉，將導致該部位出現豎直方向的受力裂縫，危害較大。

（3）槽身側壁中部沿軸線方向的橫向彎矩過大，尤其在實際流量作用下，內力出現最不利情況，且槽身橫向配筋不足。

5 加固方案

結合渡槽存在的病害問題，我們將通過對現狀裂縫進行灌膠、利用聚合物防水砂漿填補、在槽身伸縮縫處粘貼紫銅板、利用鋼板的強度和碳纖維布的韌性對槽身進行補強、另外通過涂刷CPC防止砼進一步碳化等六方面進行處理。

5.1 裂縫灌漿處理

用毛刷、砂紙等工具對已有裂縫進行清表、清縫，清水沖洗，干燥后，用WSS密封膠進行封縫，由一端開始向另一端壓膠，形成一個封閉性空腔，后用環氧樹脂灌縫，壓力保持在0.2 MPa左右，待裂縫灌漿飽和后進行封閉即可。

5.2 鋼筋阻銹及聚合物砂漿修補

作業前要充分清除鋼筋銹蝕以及周圍松動的混凝土保護層，必要時可以用打磨機進行打磨，確保基面砼堅固結實，用毛刷將表面清理干凈，打磨去除外露鋼筋表面的鐵銹，其后涂刷水泥基鋼筋阻銹劑2遍，然后用聚合物砂漿進行修補，恢復原砼構件的輪廓[5]。

5.3 伸縮縫粘貼紫銅板止水

拆除原有內嵌物，在伸縮縫內打入錨固螺栓，清理打磨，露出堅硬的混凝土基面，涂抹WSJ建筑結構膠于清潔、干燥的砼面，然后將加工好的紫銅板粘貼于基面，加鋼板壓條并擰緊螺栓使紫銅板密實的粘貼于混凝土基面。待WSJ建筑結構膠固化后，清理鋼板壓條和紫銅板表面，涂刷防銹漆后用水泥基聚合物砂漿修補平整。見圖6。

5.4 粘貼碳纖維布補強

對現狀有表面裂縫的部位及應力集中段，用打磨機對砼表面進行打磨，露出堅實基面，注意不要損壞原有鋼筋，清洗干凈，清洗的時候一定要注意不要使鋼筋再次銹蝕，干燥后，涂刷WSX底膠，其后將WSX浸漬膠涂抹于粘貼部位，將碳纖維布輕輕粘貼在預定位置，用刮板進行多次反復刮平，保證充分浸透無氣泡。

5.5 粘貼鋼板補強

鑿除薄弱部位重復以上步驟，對所要粘貼的鋼板表面進行充分打磨，在渡槽槽身上放線，定出鋼板粘貼輪廓和植筋部位，鉆孔植錨固螺栓，將WSJ建筑結構膠均勻涂抹于混凝土和鋼板表面，粘緊后擰緊錨固螺栓，用夾具使鋼板緊貼于混凝土表面。待WSJ建筑結構膠固化后，拆除表面加壓裝置，清理鋼板表面，涂刷防銹漆并對渡槽內全斷面進行FPSC聚合物砂漿抹面處理，使槽身內面光滑，對槽身外側臨空面進行水泥砂漿。見圖7。

5.6 砼防碳化處理

前5項工作完成后，通過在結構表面涂刷CPC防碳化涂料，有效防止有害氣體、水分滲入，從而阻止碳化反應鏈的形成，延長渡槽使用壽命。其處理的具體工藝為：用清水對整個結構表面進行沖洗，需要打磨的凹凸表面要處理平整，待干燥干凈后，涂刷兩遍CPC防碳化涂料，幫助恢復砼結構堿性環境。

圖6 伸縮縫粘貼紫銅板止水

圖7 粘貼鋼板補強

6 加固后結構計算

為了確保加固設計方案不僅能夠對現狀渡槽存在的滲漏、凍融侵蝕等問題加以解決，而且能夠對整個渡槽結構的穩定性、安全性有大幅度的提升，使白巖溝渡槽在加大設計流量后依然能夠正常、安全運行，對設計加固后的白巖溝渡槽的結構穩定進行有限元計算。

6.1 槽壁縱向加固計算

通過有限元計算發現槽身在基本組合情況下計算最大縱向軸力N=160 kN（拉力），彎矩M=7.04 kN·m。

依據渡槽的受力特點可知，槽身底部2h0區域為拉應力較大區域，角度為豎向 30°。范圍內的弧長，L0=2×30×L/180×2=2×30×3.14×3/180×2，L 為半圓弧長，此區域截面共可設L0/300=5條加固鋼板，受力面積共 100×3×5=1500 mm2,帶入上公式得到加固鋼板提供承載能力，計算最大軸力Zt=215×1800/1.4=230kN＞171kN，證明加固可以滿足受力要求。

6.2 槽壁橫向加固計算

計算時取單位長度為1 m，作為一個計算單元，通過計算發現槽身在基本組合情況下計算最大縱向軸力N=-301kN（壓力），彎矩M=10.3kN·m，屬于偏心受壓構件。

加固時考慮縱向受力鋼板為1G-100×3@300（一米范圍共4條），面積共100×3×4=1200mm2,帶入上公式得到加固鋼板提供承載能力，計算最大軸力N=365＞301kN，證明加固可以滿足受力要求。

7 結論

通過加固后結構計算，可以看出，通過裂縫灌漿處理、聚合物砂漿修補、伸縮縫粘紫銅板止水、粘貼碳纖維布補強、粘貼鋼板補強、混凝土防碳化處理等六種方法處理后，對渡槽的承載能力有大幅度的提升，加固后的渡槽可以滿足結構受力要求，可以有效延長渡槽的使用壽命，節約工程投資，避免了工程拆除重建帶來的環境污染。