某船閘底板裂縫成因與修復加固方案研究

盧達聰,呂政宏,朱衛國,陸遠文

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

某船閘按Ⅲ級船閘建設,最大通航標準為通航一列1頂2×1 000噸級頂推船隊。船閘設計最大水頭為15.5 m,閘室有效尺度為190 m×12 m×3.5 m(長度×寬度×門檻水深),輸水系統采用閘墻長廊道側向短支孔出水的分散輸水型式。船閘閘室段長177 m,采用整體式結構(圖1),縱向沿船閘軸線分為11段。閘墻后回填礫卵石。

圖1 閘室11#結構段剖面圖(m)

該船閘自建成通航以來已安全運行十余年,在近期的大修檢查中發現閘室11#結構段底板有多道持續冒水的貫穿性裂縫。本文對裂縫產生的原因進行分析,并研究提出裂縫的修復加固方案。

1 閘室底板裂縫概況

在2021年2～3月對船閘抽水檢修期間,發現閘室與下閘首相鄰的11#結構段(長22.5 m)底板出現多條裂縫,裂縫走向與軸線基本平行,從與閘室10#段分縫開始向下閘首方向延伸,最長約10 m,縫寬約1 mm,裂縫距閘室左閘墻前沿水平距離約1.5 m,裂縫持續冒水,總滲水量約2 L/s。根據相關規范規定[1],船閘主體的閘室結構已出現缺陷,技術狀態等級為“三級”(較差),其運行維護要求為“控制運行,加強保養,并列入修理計劃進行修復”,故需要在本次檢修中對閘室11#段底板裂縫進行修復加固。

2 裂縫產生的原因分析

水工建筑物裂縫按形成原因一般可分為:沉降裂縫、塑性收縮裂縫、溫度裂縫[2]。結合該船閘現場檢查情況、工程地質勘察成果[3]和船閘施工圖設計文件[4]等資料,對閘室11#段底板裂縫的原因分析如下:

(1)工程地質條件。船閘區域地層分布主要有:第四系河流沖積堆積、殘坡積物層,第三系始新統砂、泥巖,三迭系中統砂、泥巖及二迭系下統灰巖。船閘區建基面地層巖性:上閘首主要為弱風化泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖,局部裂隙較發育;閘室為弱風化粉砂質泥巖、泥巖,局部為粉砂巖,局部裂隙較發育;閘室地基巖體14.1%左右為較硬的粉砂巖、泥質粉砂巖,而85.9%左右為較軟的粉砂質泥巖及泥巖。閘室近下閘首段和下閘首原設計建基面處于斷層錯動帶上,基底泥巖破碎,裂隙很發育,深挖處理后基底主要為弱風化泥巖。船閘段發育有3條小斷層,施工時已采取開挖清除、降低建基面、回填同強度混凝土等工程措施。除上閘首外,閘室和下閘首段未進行基礎固結灌漿處理。從地質條件分析,閘室特別是近下閘首段工程地質條件較差,雖然在施工時采取了一定的工程處理措施,但斷層錯動帶構造裂隙相對發育,左右兩側基底巖性差異引起的巖體承載力和變形模量不均一,為底板開裂留下了隱患。

(2)基礎不均勻沉降。與上述工程地質條件相對應,閘室第9#、10#、11#結構段基礎有一條小斷層經過(下頁圖2),施工時已對斷層進行挖除回填混凝土處理。閘室段粉砂巖和泥巖互層及巖面裂隙發育范圍大,施工時難以對斷層徹底挖除,基礎固結灌漿范圍也不夠,工程運行后滲水使基巖軟化,加上基礎巖石的彈性模量存在差異,導致閘室段基礎出現不均勻沉降,閘室結構局部受力狀態發生一定程度的變化。

圖2 船閘建基面地質平面圖(竣工圖局部)

現場檢查時發現裂縫附近有舊裂縫處理痕跡,查閱原施工資料,有閘室11#結構段底板在施工期曾出現裂縫并進行處理的記錄。推斷船閘運行后受基礎不均勻沉降發展和閘室反復沖泄水影響,閘室底板薄弱處新裂縫產生、發展,從而導致閘室底板形成貫穿性裂縫。

(3)大體積混凝土溫度應力作用。閘室11#結構段底板設計厚度為5.5 m,為大體積混凝土結構,設計要求分4層澆筑。但該結構段底板混凝土主要在2006年4～6月施工,氣溫較高,混凝土澆筑后,水泥水化熱使內部溫度上升較快,此時混凝土彈性模量較小,徐變較大,升溫引起的壓應力不大,但在后期溫度逐漸降低時,彈性模量較大,徐變較小,在基礎約束條件下會產生較大的拉應力。由于閘室底板主要在表面配置受力鋼筋,大體積混凝土含鋼率低,溫度應力主要由混凝土來承擔,導致混凝土內部產生溫度裂縫,與前述因素疊加后促使裂縫進一步發展。

3 修復加固方案研究

根據現場檢查和船閘臨河側結構水下探摸掌握的情況,船閘主體水工建筑物外觀無明顯變形、開裂,船閘兩側填土頂面和坡面也無塌陷、隆起等現象,河側坡腳擋墻(外側為水電站尾水渠)等未發現明顯的變形、變位及損壞,也沒有基礎被沖刷、淘蝕現象。從安全監測資料分析,船閘沉降已逐漸趨穩。按分離式閘室結構對閘室11#結構段左閘墻進行穩定性和承載力復核,閘室11#結構段左閘墻的抗滑、抗傾承載力可滿足規范要求,但基底應力大于地基承載力。綜合船閘現狀、裂縫成因分析及閘墻復核計算成果,認為目前閘室11#結構段底板主要依靠底板鋼筋維系結構整體穩定性,為確保結構安全,需要盡快組織實施修復工程。經研究,主要考慮采取對閘室結構影響小、工期短、易實施、針對性強的綜合修復加固方案,具體為:

(1)對閘室11#結構段及鄰近范圍進行基礎固結灌漿加固。針對建基面存在小斷層,基巖局部裂隙發育的情況,為不影響閘室整體性,擬沿閘室9#～10#、10#～11#、11#～下閘首結構段伸縮縫貼邊布置灌漿孔,對閘室底板進行固結灌漿。固結灌漿深度為閘室底板以下5 m,灌漿壓力為0.3～0.5 MPa,灌漿材料為42.5普通硅酸鹽水泥,采用柔性環氧樹脂材料封孔。

(2)底板裂縫灌漿修補和裂縫處基礎面空隙灌漿填充。通過鉆孔對裂縫進行內部灌漿修補處理[5-6]。鑿除裂縫表層混凝土,沿裂縫在鋼筋網中間布置灌漿孔并盡量布置在裂縫較寬或漏水較大處,其中兩孔鉆至底板底高程以下3.5 m。利用穿透底板的灌漿孔對裂縫處底板基礎進行水泥固結灌漿,填充基礎面小空隙,然后對裂縫進行環氧樹脂灌漿,修復裂縫及保護鋼筋。

(3)增設底板裂縫騎縫鋼筋。為提高底板結構承載能力,鑿除11#閘室底板裂縫周圍面層混凝土,沿裂縫植斜筋加固,植筋與原有底板鋼筋牢固焊接(圖3)。

圖3 11#閘室加強鋼筋布置圖(m)

4 實施情況及效果

按上述修復加固方案開展設計并組織實施。在進行閘室底板固結灌漿施工期間,10#～11#結構段伸縮縫的灌漿孔出現串漿現象,且灌漿孔的吸漿率超出設計值較多。經分析,閘室11#段底板混凝土與基巖接觸面之間存在較大空隙,灌漿孔間有通道連通。故新增工程處理措施為:在閘室11#段兩側輸水廊道內和兩側閘墻外側對閘墻基礎增加填充水泥灌漿(圖4),填充基底空隙和提高基礎的整體性,灌漿范圍為11#段底板以下1～5 m。

圖4 11#閘室灌漿布置圖(m)

修復加固實施竣工后,經檢查和觀測,處理效果較好,閘室11#段底板裂縫已不再滲水,閘室充水運行后變形監測數據顯示,結構已穩定正常。

5 結語

該船閘主體建筑物建基面巖體為弱風化泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖,承載力較低,且有斷層經過,工程地質條件較差;疊加基礎不均勻沉降和大體積混凝土溫度應力作用等因素,使整體式閘室結構的底板局部出現了貫穿性裂縫。經研究,本文提出了增加基礎固結灌漿、裂縫灌漿修補和基礎灌漿填充、增設裂縫騎縫鋼筋的針對性綜合修復加固方案,經組織實施后效果良好,達到了預期目標。本文所提出的修復加固方案可為以軟巖為基礎受力層的船閘設計或缺陷處理提供借鑒和參考。