黑河輸水渠道高冠渡槽的現(xiàn)場檢測及安全評價

孫宇飛，劉曉靜，歐婭玲，何 勇，曹郎郎

（1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710043；2.西安水務(wù)（集團(tuán)）黑河輸水渠道管理有限公司,陜西 西安 710061）

0 引言

高冠渡槽建成于1997年,主要用于市政輸送水工程,位于西安市長安區(qū),全長53.98 m。采用比降1/1000,過水?dāng)嗝鎸?.7 m,高3.0 m,設(shè)計水深2.5 m。渡槽為4 跨結(jié)構(gòu)（每跨槽箱長15 m）,槽箱斷面尺寸3.40 m×3.55 m,箱體下部支承形式是漿砌石墩,水頭損失為0.087 m。為保持渡槽與暗渠的水面平順銜接,渡槽底板設(shè)計高程較暗渠箱涵抬高0.45 m。

高冠渡槽是黑河輸水渠道的重要輸水建筑物,為了防止河水沖刷對其造成損害,采用石頭鋼筋籠對位于河道中的支墩做加固處理。隨著運(yùn)行年份的增加,上述加固設(shè)施存在不同程度的位移、且槽體與墩頂交接處存在滲水情況。為保證渡槽的安全運(yùn)行,需對渡槽進(jìn)行現(xiàn)場檢測以及安全評價分析。

對于已投入運(yùn)營的水工隧洞,主要運(yùn)用人工普查、分析監(jiān)測檢查資料和對隧洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析等方法對隧洞進(jìn)行安全評價[1]。范秦軍等通過現(xiàn)狀調(diào)查、現(xiàn)場檢測、復(fù)核計算分析,對南方某渡槽開展了安全評價,具有一定的說服力[2]。傳統(tǒng)水工建筑物的缺陷檢測,首先采用人工普查法,發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行記錄,重要缺陷在現(xiàn)場做出標(biāo)記,為獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果,可進(jìn)行必要的無損檢測和鉆芯取樣驗證[1]。其中,超聲波法作為一種新型的無損檢測技術(shù),操作簡單、方便,能很好地彌補(bǔ)鉆芯檢測范圍小及給結(jié)構(gòu)造成二次損傷的不足[3-4]。針對水工隧洞檢測的不同內(nèi)容,可采取不同的檢測方法。高玉鵬將超聲波平測法應(yīng)用到混凝土裂縫檢測工作中,顯著提升了檢測結(jié)果的精準(zhǔn)性[5]。朱新民綜合運(yùn)用高分辨率的紅外熱成像儀、高精度三維激光掃描、輔以測距儀和數(shù)字地質(zhì)雷達(dá),精確地檢測了長距離輸水隧洞的多種病害和缺陷[6]。

本文通過現(xiàn)場踏勘、混凝土裂縫深度檢查、混凝土抗壓強(qiáng)度檢測,混凝土鋼筋銹蝕檢測、復(fù)核計算分析等,對高冠渡槽工程運(yùn)行過程中存在的隱患風(fēng)險進(jìn)行辨識,綜合現(xiàn)狀調(diào)查以及現(xiàn)場質(zhì)量檢測分析手段,對高冠渡槽的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行安全評價分析。

1 現(xiàn)場檢測方法技術(shù)

1.1 檢測內(nèi)容

本次檢測是在不停水的情況下進(jìn)行,不能進(jìn)入到渠道內(nèi)部進(jìn)行檢測。主要檢測項目包括：混凝土外觀質(zhì)量檢查、裂縫檢測、回彈法檢測混凝土強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度檢測、鋼筋銹蝕檢測。

1.2 檢測方法

檢測方法為：（1）采用鋼卷尺、鋼直尺、100 倍讀數(shù)顯微鏡和NM-4A 型非金屬超聲檢測分析儀（檢測混凝土裂縫深度）對渡槽的混凝土裂縫進(jìn)行檢測；（2）采用回彈儀對渡槽的混凝土進(jìn)行強(qiáng)度檢測,并在有代表性的區(qū)域檢測混凝土碳化深度；（3）采用鋼筋位置測定儀對渡槽的鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測；（4）采用鋼筋銹蝕測試儀對渡槽的鋼筋銹蝕情況進(jìn)行檢測。

2 高冠渡槽現(xiàn)場檢測結(jié)果及分析

2.1 外觀及裂縫檢測

采用NM-4A 型非金屬超聲檢測分析儀對渡槽的混凝土裂縫進(jìn)行檢測,檢測過程見圖1~圖2,檢測結(jié)果見表1。

表1 高冠渡槽裂縫檢測結(jié)果統(tǒng)計表

圖1 1#裂縫

圖2 裂縫檢測

本次檢查發(fā)現(xiàn)槽體底面多處裂縫,混凝土護(hù)欄局部破損、鋼筋銹蝕嚴(yán)重,連接沉降縫填充物有老化脫落、開裂現(xiàn)象,支墩防護(hù)被河水沖刷,均有移位現(xiàn)象,墩頂槽體處均有滲水現(xiàn)象。

2.2 回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度

高冠渡槽混凝土設(shè)計標(biāo)號為250#,對應(yīng)現(xiàn)行強(qiáng)度等級為C23。高冠溝渡槽竣工時間為1996年,混凝土齡期大約為9000 余天,按照《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50292-2015）中規(guī)定,回彈換算值齡期修正系數(shù)取0.92。

本次高冠渡槽共回彈檢測50 個測區(qū),構(gòu)筑物強(qiáng)度換算平均值為43.0 MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為1.88 MPa,構(gòu)筑物強(qiáng)度推定值為39.9 MPa,達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的173.5%。混凝土碳化深度平均值為3.0 mm,碳化分類為A 類。

本次回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果見表2,檢測過程見圖3 ～圖5。

表2 回彈法檢測混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)表

圖3 回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度

圖4 混凝土碳化深度檢測

圖5 混凝土碳化深度檢測

2.3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測

根據(jù)GB 50204-2015 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,板類構(gòu)件中,鋼筋保護(hù)層厚度允許偏差為+8 mm、-5 mm,設(shè)計中要求底板厚度為40 mm,側(cè)板厚度為30 mm。本次高冠渡槽鋼筋保護(hù)層厚度共抽檢4 個部位,每個部位檢測6 根鋼筋,共檢測24 個測點,其中合格測點23 個,合格率為95.8%,滿足規(guī)范要求。檢測結(jié)果見表3,表中黑體加粗的數(shù)字為不合格點位,檢測過程見圖6。

表3 鋼筋保護(hù)層厚度檢測結(jié)果統(tǒng)計表

表4 高冠渡槽混凝土鋼筋銹蝕匯總表

圖6 鋼筋保護(hù)層厚度檢測

2.4 混凝土鋼筋銹蝕檢測

本次高冠渡槽混凝土鋼筋銹蝕檢測,通過觀察選取了三個可能發(fā)生銹蝕的區(qū)域,每個測區(qū)檢測20 個測點,檢測數(shù)據(jù)分別以等值線圖的形式表示,檢測結(jié)果見圖7~圖9。通過鋼筋銹蝕檢測數(shù)據(jù)分析,三跨左側(cè)銹蝕概率大于95%的測點0個,銹蝕概率50%的測點6個,銹蝕概率小于5%的測點54個。由以上檢測結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場查勘可知,高冠渡槽第三跨左側(cè)所檢區(qū)域鋼筋銹蝕概率較小。

圖7 第三跨左側(cè)（1#測區(qū)）鋼筋銹蝕檢測等值線圖

圖8 第三跨左側(cè)（2#測區(qū)）鋼筋銹蝕檢測等值線圖

圖9 第三跨左側(cè)（3#測區(qū)）鋼筋銹蝕檢測等值線圖

3 復(fù)核計算分析

3.1 槽下凈空復(fù)核

結(jié)合渡槽實際情況,復(fù)核渡槽槽下凈空,并按《渡槽安全評價導(dǎo)則》（T/CHES 22-2018）標(biāo)準(zhǔn)分級,高冠渡槽的槽下凈空滿足過水要求,評定為A 級。

3.2 槽身過流能力復(fù)核

槽身的凈寬B 和凈深H 應(yīng)一起考慮,即通過考慮深寬比H/B 來擬定（對于矩形槽一般取H/B=0.6~0.8）,根據(jù)擬定的i、B 和H,運(yùn)用公式計算所得的流量等于或略大于最大流量Qm時,則擬定的i、B 和H 可行。

渡槽的過水流量可按明渠均勻流公式計算：

式中：Q 為渡槽的過水流量；為渡槽過水?dāng)嗝婷娣e；C 為謝才系數(shù),常用曼寧；n 為糙率系數(shù),鋼筋混凝土槽身可取n ≥0.017,根據(jù)具體情況而定；R 為水力半徑,m；i 為渡槽縱坡。

根據(jù)竣工資料,渠道底寬b=3.100 m；渠道邊坡的糙率n=0.01400。

經(jīng)過復(fù)核計算,過水深度為1.336 m,距離頂部凈空滿足《渡槽安全評價導(dǎo)則》（T/CHES 22-2018）要求,其等級評為A 級。

3.3 結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

3.3.1 計算模型

選取平面有限元方法進(jìn)行,槽身、墩帽、槽墩及其基礎(chǔ)均采用三維整體計算模型,見圖10。

圖10 高冠渡槽空間分析計算模型

3.3.2 計算工況與計算參數(shù)

計算時考慮的荷載有：（a）槽箱、墩帽、墩柱及基礎(chǔ)自重；（b）二期荷載；（c）水重；（d）風(fēng)載荷；（e）整體升溫及降溫；（f）人群荷載 。渡槽計算工況見表5。

表5 渡槽計算工況

3.3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算

高冠渡槽共4 跨,跨度均為15 m,由250#混凝土現(xiàn)澆而成的鋼筋混土結(jié)構(gòu)。槽體為簡支渡槽,其與下部橋墩采用板式橡支座連接?，F(xiàn)場檢測中,所檢構(gòu)件強(qiáng)度均滿足設(shè)計值,在模型計算時均按照設(shè)計時材料強(qiáng)度取值,即：250#混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值11.9 MPa,軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.27 MPa；鋼筋為HPB235,軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為210 MPa。

按照現(xiàn)場實際檢測結(jié)果,建立有限元模型,對計算跨中附近截面、支座附近截面各工況承載能力極限狀態(tài)下進(jìn)行內(nèi)力計算以及對正常使用極限狀態(tài)下跨中彎矩進(jìn)行計算；對槽身正截面抗彎承載力以及槽身斜截面受剪承載力復(fù)核計算；對槽身抗滑穩(wěn)定以及槽身抗傾覆穩(wěn)定復(fù)核計算。

經(jīng)建模分析計算,高冠渡槽槽身構(gòu)件縱向計算的正截面抗彎承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力中截面滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力中截面滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.1,滿足規(guī)范要求；槽身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為50.6,滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論與建議

（1）高冠渡槽的安全性綜合評定結(jié)果為二類,工程存在一定損壞或缺陷,所檢指標(biāo)基本符合規(guī)范規(guī)定,能夠滿足使用要求。

（2）依據(jù)國家行業(yè)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范,綜合現(xiàn)場質(zhì)量檢測結(jié)果,對高冠渡槽的質(zhì)量等級評定為B 級。

（3）對本次檢測過程中發(fā)現(xiàn)的主體結(jié)構(gòu)混凝土缺陷、鋼筋銹蝕等問題應(yīng)及時進(jìn)行處理。

（4）對發(fā)現(xiàn)的D 類裂縫應(yīng)進(jìn)行化學(xué)灌漿處理,建議采用環(huán)氧基灌漿材料灌縫,表層采用環(huán)氧膠泥或玻璃絲布上刷環(huán)氧樹脂等方式封閉。