基于水閘除險加固工程的耐久性檢測與分析

張麗靜

(盤錦禹泰水利工程質量檢測有限公司，遼寧 盤錦 124200)

鋼筋銹蝕是水工建筑物安全鑒定以及鋼筋混凝土耐久性分析經常遇到的問題，因耐久性不良造成水工建筑物損壞的事例時有發生，甚至帶來人員傷亡和巨大的經濟損失[1-2]。由于鋼筋銹蝕，水閘大壩等實際工程極易出現混凝土開裂等病害，工程結構承載力下降，對水工建筑物安全構成潛在威脅，對此必須給予高度重視[3]。

遼河盤錦城市防洪段水閘承擔著盤錦市部分工業用水、城市居民用水、西郊近4.33萬hm2葦田及兩岸4.93萬hm2水田的灌溉用水任務，樞紐工程發揮著提高閘上水位、改善水質、水量調蓄等重要功能。該工程于1969年建成投入運行，工程等別定Ⅰ等，深孔閘、進水閘、船閘、淺孔閘、左右岸連接段等主要建筑物為1級，下游防護堤、過水橫堤等次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。水閘設計和校核洪水位8.10m、9.08m，正常蓄水位4.3m。經長期運行，水閘老化失修、結構破損、鋼筋銹蝕、混凝土碳化嚴重。因此，文章依據相關規范檢測分析了混凝土結構耐久性，旨在為水閘除險加固工程設計和安全運行提供一定技術支持。

1 檢測內容、依據

1.1 檢測內容

1)全面檢查水閘水上部分的外觀質量，檢查項目有混凝土破損、異常變形和表面缺陷，并檢測水下部分的護坦、消力池、閘底板、閘墩等混凝土結構。

2)重點檢測典型的扎孔，檢測內容主要有鋼筋銹蝕、保護層厚度、碳化深度和構件強度。

1.2 檢測依據

檢測依據和檢測規范有回彈法、鉆芯法、《水工混凝土試驗規程》、《水閘設計規范》、《水工混凝土結構設計規范》和《水閘安全鑒定規定》等。

2 檢測結果

2.1 外觀質量檢測

測試工具有照相機、顯微鏡、水下電視和測試等，應用局部打開、拍照、外觀質量描述、直觀量測等方式檢測混凝土剝落、裂縫、施工缺陷等分布及其破損程度。

1)閘墩。水位變化區混凝土裸露、閘墩石子外露，分縫內的瀝青脫落及老化明顯，并出現一定程度的拉開現象，最大拉開處分縫達到5.0cm。下游5#邊墩上部存在混凝土剝落、局部鋼筋銹蝕、鋼筋裸露等情況，上游1#孔右墩部位出現破損。

2)鋼筋混凝土閘門。閘門底部普遍出現比較嚴重的混凝土剝落現象，3#孔閘門4號梁的混凝土松散不密實，局部存在蜂窩，5#孔閘門頂梁破損且主筋出現比較嚴重的銹蝕、裸露。

3)胸墻。3#孔胸墻橫向鋼筋嚴重銹蝕并且已經露出，上部局部破損；3#孔胸墻混凝土剝落且鋼筋銹蝕，出現嚴重銹蝕且裸露的縱向鋼筋就有10根。總體而言，各孔胸墻石子裸露、混凝土剝落。

4)工作橋。橋面石子裸露嚴重，混凝土剝落，橋梁底面普遍存在鋼筋銹蝕、露筋、鋼筋銹漲以及混凝土成片剝落現象。

5)啟閉機大量。各孔啟閉機大量底面混凝土剝落，鋼筋銹蝕、箍筋和主筋裸露，鋼筋銹蝕并出現成片剝落。

6)啟閉機大梁下排架。排架柱及其聯系梁之間的聯系梁石子嚴重裸露，局部混凝土剝落，3#孔左排架柱混凝土嚴重剝落，鋼筋存在銹漲現象。

7)公路橋。各孔公路橋橋梁地面的鋼筋銹蝕嚴重、箍筋或主筋露出，混凝土剝落、鋼筋漲銹成片剝落，個別箍筋出現銹斷現象。

8)翼墻。水位變化區上下游左、右翼墻局部混凝土石子裸露、蜂窩、剝落，翼墻分縫最大拉開達到8cm，大部分翼墻分縫都拉開，上部擋墻最大分縫拉開達到10cm。上部混凝土欄板破損長度達到3.8m，欄板破損，下游左岸翼墻出現1條峰寬2cm的垂直裂縫，上部擋墻出現3條峰寬0.2～0.5mm的裂縫，翼墻混凝土局部破損嚴重。

9)啟閉機控制房。各孔間立柱分縫最大峰寬達到4.0cm，拉開比較明顯，左、右側地面的橫向裂縫明顯，上下游出現貫穿分縫，最大峰寬0.6mm。4#孔左側上游出現1條峰寬0.4mm的斜裂縫，啟閉機控制房樓板地面混凝土剝落嚴重，鋼筋銹蝕并明顯露出。

10)水下部位的護坦、消力池、閘底板和閘墩。上游護坦分縫與1#孔查底板處出現約2cm的錯位錯峰，長度接近3.0m，上游右墩分縫與3#孔閘室底板瀝青脫落、拉開，峰寬處于2.0～4.0cm范圍，上游左墩分縫與5#孔閘室底板處瀝青脫落、拉開，峰寬處于2.0～3.0cm范圍。消力池分縫與下游1#孔閘室底板處局部沖刷脫落，瀝青老化且出現明顯拉開，峰寬處于2.0～5.0cm之間；順水流方向3#孔消力池右側底板出現深2.0～3.0cm、寬0.2～0.5m、長約0.8m的沖刷槽。下游5#孔閘室底板與左、右墩分縫處峰寬處于2.0～3.0cm范圍，瀝青脫落且出現拉開。

2.2 重點檢測

2.2.1 混凝土強度

采用鉆孔取芯法檢測水閘閘墩混凝土抗壓強度，結果見表1。然后利用回彈法檢測公路橋排架柱、公路橋橋梁、啟閉機大梁下排架柱、啟閉機大梁、工作橋橋梁、側立柱、擋浪墻、胸墻、閘門頂梁等混凝土抗壓強度，檢測結果見表2。

表1 鉆芯法檢測結果

表2 回彈法檢測結果

由表1可知，鉆孔取芯檢測的閘墩混凝土符合現行規范SL191-2008要求，滿足抗壓強度設計要求。結合表2的數據，測試齡期內被檢測構件的回彈強度推定值均符合設計要求，測試齡期內除1#孔側立柱、公路橋橋梁外其余構件回彈強度推定值均符合規范規定的耐久性要求。強度測量數據表現出明顯的離散性，即同一構件不同測區及同一類結構不同構件的強度測量值明顯不同[4-5]。不同結構的強度離散程度存在較大差異，如側立柱、公路橋排架柱、胸墻等構件具有較大的離差系數，這可能與混凝土質量狀況不勻、所受老化侵害程度不同、當時施工質量控制不嚴等因素有關，并且1#側立柱、公路橋橋梁不符合耐久性要求。

2.2.2 混凝土碳化深度

首先，對被測試構件表面用沖擊鉆打孔，然后將鉆孔內粉末清除干凈，用酚酞試劑噴涂孔內，碳化深度即為不變色的厚度，厚度用游標卡尺測量，測區內閘孔混凝土的碳化深度見表3。

結合表3中的數據，除閘門、閘墩外其它結構均出現比較嚴重的混凝土碳化，碳化深度整體處于10mm以上。同一構件不同部位甚至同一結構的不同構件的碳化深度差異明顯，這表明混凝土質量不均勻且密實性差異顯著[6]。

表3 混凝土碳化深度檢測值 mm

2.2.3 鋼筋銹蝕率

首先，將不同破壞程度的構件表層混凝土鑿去直至已銹蝕鋼筋露出，然后將表面銹蝕產物清理干凈，利用游標卡尺測量鋼筋銹蝕后的直徑，對照鋼筋設計值確定損失率，抽樣檢測結果見表4。

表4 抽樣檢測鋼筋銹蝕損失率

從表4可以看出，各結構部位均存在一定程度的鋼筋銹蝕，其中鋼筋銹蝕最為嚴重的是3#公路橋橋梁，主筋截面最大損失率17.22%，箍筋截面最大損失率達到100%，即已經銹斷。5#啟閉機大梁主筋和箍筋的截面最大損失率達到13.09%、24.00%，4#孔胸墻、4#孔側立柱、5#孔工作橋橋梁主筋的截面最大損失率達到14.25%、15.68%、9.72%。

2.2.4 鋼筋保護層厚度

首先，將主要構件的表面混凝土用沖擊鉆除去，對保護層厚度部位特點用鋼筋保護層厚度測定儀測定，檢測結果如表5。

表5 鋼筋保護層厚度測量值 mm

由表5可知，測量的鋼筋保護層厚度具有較大的離散性，擋浪墻、側立柱、公路橋排架柱、啟閉機大梁下排家住、閘墩的鋼筋保護層厚度滿足現行規范要求，而工作橋橋梁、公路橋橋梁、胸墻、閘門頂梁、啟閉機大梁不符合現行規范要求。

2.3 結果分析

結合檢測結果，遼河盤錦城市防洪段水閘混凝土結構的破壞形式以混凝土剝落、鋼筋銹蝕、露砂露石、順筋裂縫等耐久性問題為主，此外還存在閘底板、翼墻、閘墩等結構不均勻沉降和輕微位移現象，水流沖刷引起不同程度的磨蝕破損。

測量的鋼筋保護層厚度具有較大離散性，工作橋橋梁、公路橋橋梁、胸墻、閘門定量、啟閉機大量不符合現行規范要求。依據碳化值檢測結果，這些結構的最小保護層厚度均小于測點碳化深度。所以，保護層厚度不足、施工控制不嚴、碳化深度較大、偏筋等為引起鋼筋銹蝕的關鍵原因[7]。

變形鋼筋的橫肋對混凝土的咬合作用及混凝土與鋼筋的黏結為兩者錨固力的來源，銹蝕減少了鋼筋截面積，并進一步降低了力學性能。研究表明，截面積損失處于10%～60%范圍時鋼筋的力學性能明顯下降[8-9]。結合檢測結果，該水工結構各部位鋼筋出現了一定的銹蝕，其中工作橋橋梁、側立柱、胸墻、啟閉機大梁、公路橋橋梁鋼筋嚴重銹蝕，部分構件出現成片剝落的現象。鋼筋銹蝕最為嚴重的是3#公路橋橋梁，主筋截面最大損失率17.22%，箍筋截面最大損失率達到100%，即已經銹斷。因此，必須對鋼筋銹蝕較嚴重的工作橋橋梁、側立柱、胸墻、啟閉機大梁、公路橋橋梁等構件實施維修加固。

總體而言，碳化導致鋼筋銹蝕脹裂、碳化深度超過保護層厚度、鋼筋保護層厚度不足和混凝土質量控制不嚴等導致耐久性不足、混凝土破壞的主要原因。因此，為保證結構耐久性和抗碳化能力，設計和施工必須嚴格執行現行標準，盡可能選用高抗滲混凝土；為防止偏筋、鋼筋跑位等應采取有效的防護措施；在安裝預制構件時先檢測保護層厚度，保證其滿足設計要求[10-13]。

3 結 論

1)經長期運行，遼河盤錦城市防洪段水閘整體老化失修，安全隱患較多，如閘底板、翼墻、閘墩等結構出現不均勻沉降和輕微的位移，水流沖刷致使過流結構出現不同的磨蝕。

2)水上鋼筋混凝土結構出現鋼筋銹蝕、露砂露石、順筋裂縫、剝落破損等外觀缺陷，局部非常明顯。抽樣檢測的混凝土保護層厚度、碳化深度、抗壓強度等參數具有較大離散性，表明遼河盤錦城市防洪段水閘建造時施工質量較差，整體質量不均衡。

3)局部鋼筋保護層厚度不足、偏筋嚴重、混凝土質量控制不嚴等是水閘水上(大氣中)部位耐久性不足和結構破損的主要原因，局部保護層厚度小于混凝土碳化深度并導致鋼筋的銹蝕脹裂。此外，必須對鋼筋銹蝕較嚴重的工作橋橋梁、側立柱、胸墻、啟閉機大梁、公路橋橋梁等構件實施維修加固。