那吉船閘水工建筑物病害分析及處理

覃仕華，韋朝勇

（廣西西江開發投資集團有限公司，廣西 南寧 530018）

0 引言

運行多年的水工混凝土建筑由于長期經受船舶碰撞、水流沖蝕、自然碳化及水質污染等原因，大多出現表面剝落、磨損嚴重、墻面露筋、大面積混凝土表面碳化等劣化現象，當裂縫擴展至一定寬度，會成為水、空氣和腐蝕介質滲入混凝土內部的通道，使混凝土力學性能下降，加劇鋼筋銹蝕程度，嚴重影響混凝土結構的安全與使用壽命[1]。那吉航運樞紐船閘工程是廣西在軟巖上建造的第一座航運樞紐工程，其基礎主要為泥質粉砂巖、粉砂巖、細砂巖夾粉砂質泥巖、泥巖的弱風化巖層，下部除了存在煤薄層、煤線層或炭質條紋層，無其他軟弱層分布。泥巖等軟巖為廣西特有的巖類，該地層具有巖性軟弱（強度主要集中在15～60 MPa）、膠結性和抗沖刷性較差、水平方向相變大等特點[2]。那吉船閘在長期運行過程中，病害與老化問題逐漸突出，例如工程運行后滲水，使基巖軟化，加上基礎巖石的彈性模量各異，導致基礎出現不均沉降，改變了閘室受力結構，從而導致閘室底板出現開裂、漏水等病害問題。

針對水工建筑物的病害問題，前人進行了不少研究。周棟等[3]對瀏河船閘閘室墻面豎直裂縫、沉降縫老化、縫距增大、錯開等問題開展改性環氧裂縫灌漿、彈性密封膏嵌縫和混凝土表面丙乳砂漿等修復工作。朱岱明[4]結合蘇北運河船閘進行導航和靠船建筑物的病害原因分析，提出統籌調度、統一規劃、精細管理等綜合防治措施。祝連娣[5]結合宮山咀水庫除險加固工程實例，分析總結底板基礎混凝土回填修復方法的技術要點。然而，目前仍未見針對泥巖等軟巖基礎水工建筑的病害分析，以及為提高其承載力而采用的修復技術和措施。

本文針對那吉船閘底板開裂、結構縫漏水、混凝土缺失、淘空等混凝土損壞問題，分析出現病害的原因及其對船閘水工結構安全的影響，并采用高壓固結灌漿等措施進行修復，以期為其他類似水工建筑物的病害預防、維護修復提供參考和借鑒。

1 工程概況

那吉船閘位設計水頭為15.5 m，船閘為單級船閘，閘室有效尺度為190 m×12 m×3.5 m（長×寬×門檻水深），船閘上閘首、閘室、下閘首全長234 m。上閘首項面高程為121.50 m，閘室墻和下閘首頂面高程為118.50 m。閘首、閘室均采用整體式結構；輸水系統采用分散輸水系統，閘墻長廊道側向短支孔出水。船閘由上、下游引航道、上閘首、下閘首及閘室組成，全長1 829.5 m。2021 年2～3 月，那吉船閘停航大修時發現水工建筑物存在底板開裂、結構縫漏水、混凝土缺失、淘空等病害，由于停航時間有限，只處理了部分病害。2022 年2～3 月停航，對底板開裂、結構縫漏水的病害進行了全面處理。

2 船閘病害成因

2.1 水工混凝土病害表現形式

那吉船閘水工混凝土病害主要體現在船閘閘室地板出現縱向裂縫，輸水廊道、閘室分段部分結構縫漏水，以及輸水廊道局部混凝土缺失等。

（1）船閘閘室11#段底板縱向裂縫。船閘閘室11#段底板出現縱向裂縫，縫長約16 m，裂縫距閘室左閘墻內側水平距離約1.5 m（如圖1 所示），裂縫持續冒水，滲水量約2 L/s。

圖1 那吉船閘11閘段剖面圖及裂縫位置示意 （單位：cm）

（2）輸水廊道、閘室分段部分結構縫漏水。輸水廊道結構縫漏水部位有8處，最大漏水量為0.5～1 L/s，閘室部分結構縫也存在漏水、冒水的情況。

（3）輸水廊道局部混凝土缺失。輸水廊道局部混凝土受沖刷出現淘空、剝落、氣蝕的情況，充泄水閥門門槽二期混凝土出現淘空、氣蝕等現象。

2.2 病害及老化原因分析

那吉船閘混凝土病害主要由溫度應力、基礎不均勻沉降引發，具體原因分析如下。

（1）溫度應力導致底板開裂。那吉船閘閘室從上而下共分11 個閘室結構段，第11 閘室結構段底板厚度達5.5 m，雖然設計要求分為4層澆筑，自下而上各層澆筑厚度分別為1.2 m、1.3 m、1.4 m 和1 .95 m，但是該結構段基礎混凝土主要在2006 年4～6 月施工，氣溫已較高，混凝土澆筑后，由于水泥的水化熱反應，內部溫度急劇上升，此時混凝土彈性模量很小，徐變較大，升溫引起的壓應力并不大，而在日后溫度逐漸降低時，彈性模量較大，徐變較小，在一定的約束條件下會產生相當大的拉應力。船閘底板僅在表面配置鋼筋，含鋼率低，溫度應力主要由混凝土承擔，導致混凝土內部產生裂縫，形成漏水通道。

（2）基礎不均勻沉降引發底板開裂漏水。根據船閘施工地質資料，閘室第9#、10#、11#號結構段有小斷層穿過，為粉砂巖和泥巖的分界區，局部巖面裂隙發育。雖然施工時對斷層進行了挖除回填混凝土處理，但是有可能挖除不徹底，使建成后的船閘基礎產生了不均勻沉降，從而引發底板開裂、漏水等問題。

根據那吉船閘沉陷觀測資料分析，自2008 年船閘運行以來，左、右閘墻整體上呈逐年下沉的趨勢，累計下沉變形量較大，右閘墻、左閘墻的最大極值分別為2020 年3 月“右側沉降觀測點7”（左、右側沉降觀測點簡稱為“左沉”或“右沉”）的15.42 mm 和“左沉21”的16.23 mm。其中，“左沉21”“右沉21”較“左沉20”“左沉20”均有3 mm 左右的沉降差，因此連接此處兩側閘墻的基底可能存在斷層錯動帶；第11#結構段沉降量“左沉23”“左沉24”較“右沉23”“右沉24”下沉0.91～1.6 mm（如圖2、圖3 所示）。船閘也存在連續下沉及一定的不均勻沉降，對裂縫的產生和發展產生影響。工程運行后滲水使基巖軟化，加上基礎巖石的彈性模量各異，導致基礎出現不均沉降，改變了閘室受力結構，從而導致閘室底板開裂漏水。

圖2 第10#、第11#結構段垂直位移變化風曲線

圖3 第11#、下閘首結構段垂直位移變化曲線

（3）輸水廊道、閘室分段結構縫漏水。輸水廊道結構縫漏水主要是結構縫止水失效所致，失效原因如下：一是施工期間止水材料沒有達到質量要求或沒有按設計要求埋設；二是船閘基礎的不均勻沉降損壞了止水材料。

（4）水工建筑物混凝土缺失。缺失原因如下：一是輸水廊道內個別部位（例如門槽位置）受到高速水流的沖刷，容易引起氣蝕；二是施工時混凝土存在質量問題，例如對門槽二期混凝土施工不夠重視，門槽清理不徹底、漿液灌不到底部，導致二期混凝土出現蜂窩、混雜泥土等現象。

3 病害對船閘安全的影響

（1）裂縫的產生破壞了結構的穩定性。那吉船閘閘首、閘室均采用整體式結構，11#段底板縱向裂縫的產生，改變了船閘結構整體穩定的條件，因此必須對底板裂縫進行處理。

（2）閘室及輸水廊道結構縫漏水造成閘室建基面的泥巖軟化，從而降低其承載力。那吉船閘建基面坐落在弱風化泥巖上，泥巖的可塑性、吸水性等特點會對船閘產生不利影響。從11#段裂縫、閘室及廊道結構縫的冒水現象，可以確定閘室底板與基礎底面之間已經形成通道，水流在通道中通過，造成基礎底面的泥巖軟化，降低其承載力；輸水廊道漏水使船閘兩側地下水位抬高，增加閘墻受力，影響閘室結構安全。

（3）混凝土缺失造成鋼筋外露、銹蝕。門槽處二期混凝土缺失、空洞，會影響門軌的穩定，影響閘門的正常運行。

4 病害處理措施及效果

在那吉船閘水工建筑物病害分析的基礎上，針對不同的病害采取以下相應的處理措施。

4.1 閘室基礎固結灌漿處理

閘室固結灌漿的目的是堵塞底板下的水流通道，加強地基承載。在閘室2#/3#、3#/4#、7#/8#、9#/10#、10#/11#、11#與下閘首結構縫、11#結構段的左右廊道、11#結構段底板裂縫進行固結灌漿。固結灌漿孔采用地質鉆機成孔，同時鉆取巖芯，用以進行地基鑒定。按技術要求規定，鉆孔開孔誤差在混凝土上鉆孔時，孔徑不大于10 cm，鉆孔段長為入巖5 m。固結灌漿壓力為0.3 MPa，分兩序孔施工，先施工一序孔后再施工二序孔。灌漿漿液水灰比為2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1，開灌水灰比采用2∶1。為防止巖石面或混凝土面抬動，固結灌漿原則上一泵灌一孔，并控制灌漿壓力，防止混凝土或巖體抬動。在規定的灌漿壓力下，該段吸漿量不大于1 L/min，繼續灌注30 min即可結束。

4.2 閘室結構段底板裂縫修復

閘室結構煅底板修復主要包括裂縫環氧樹脂灌漿、底板裂縫植入加強鋼筋以及環氧砂漿回填修復等工序。

（1）裂縫環氧樹脂灌漿。裂縫環氧樹脂灌漿工藝流程為裂縫放樣→裂縫鑿槽→鉆孔埋管→槽內清洗與嵌補→沖孔與洗縫→壓水、壓氣檢查→漿液配制→漿液灌注→迸漿→灌漿結束→拆除灌漿閥→施工結束。針對閘室11#結構段底板裂縫修復，沿裂縫鑿0.3 m×0.3 m 和0.1 m×0.1 m 的“U”形槽（保留鋼筋），鑿槽用M30 環氧砂漿填平壓實并埋設灌漿管，在鋼筋網中間鉆灌漿孔，孔距為2 m。鉆孔盡量布置裂縫較寬或漏水較大處，共布設11個灌漿孔，鉆孔完成后進行壓水試驗，對透水率大的灌漿孔均進行固結灌漿處理，固結灌漿處理完成后再進行掃孔并對裂縫和灌漿孔進行環氧樹脂灌漿。

（2）底板裂縫植入加強鋼筋。底板裂縫灌漿后，鑿除裂縫區域表層混凝土（長16 m×寬4 m×深0.2 m），通過植入2 排?28@600 mm 鋼筋的方式增加受力鋼筋和抗剪斜筋，底板面再布置一層?25@200 mm 加強筋，增加的鋼筋與原鋼筋焊接。

（3）環氧砂漿回填修復。完成加強鋼筋植入后，清洗環氧砂漿回填基面，吸干積水，用環氧樹脂砂漿回填修復面。

4.3 閘室及輸水廊道結構縫漏水修復

閘室及輸水廊道結構縫漏水修復主要包括結構縫清理、沖洗，引流、排水、預埋灌漿嘴，柔性嵌縫密封材料填塞，以及結構縫灌漿。

（1）結構縫清理、沖洗。用電錘先修整不規則的結構縫隙，再使用小鐵鉤和鏟刀把縫隙里和表面的污物清理干凈，然后使用高壓水把結構縫縫隙和表面沖洗干凈。

（2）引流、排水、預埋灌漿嘴。找出結構縫的漏水點，在漏水點處埋設?15PV 管，把水引排到結構縫外，埋設的?15PV 管需固定牢固，避免脫落。根據結構縫長度，按50～100 cm 的間距埋設?10 氧氣管作為灌漿嘴，灌漿嘴埋設深度約45 cm，每個灌漿部位至少預埋2個灌漿嘴，一個用作灌漿，另一個用作排氣。

（3）柔性嵌縫密封材料填塞。預埋好灌漿嘴后，用膠槍把柔性嵌縫密封材料擠壓到結構縫內，填縫深度為30 cm，縫面用刮刀刮平。

（4）結構縫灌漿。填塞柔性嵌縫密封材料的結構縫，7 d 后低壓灌注環氧樹脂液，灌漿壓力≤0.1 MPa。灌漿時，從最低處開始，待漿液從排氣管溢出，依次將所有排氣管封堵，在穩定壓力下繼續灌5 min 后結束灌漿。將灌漿壓力穩定于設計壓力值，當注入量小于或等于0.01 L/min 的設計值時，穩定灌注5 min 作為灌漿結束的標準。

4.4 混凝土缺失修補

混凝土缺失部位主要分布在左、右輸水廊道結構段底板、結構段墻面和頂面、門槽底板及墻面上。采用電鎬鑿除混凝土，鑿除混凝土時需注意避免破壞鋼筋?；炷列扪a范圍內出現外露鋼筋時，對外露鋼筋進行除銹處理。表面混凝土修補處理范圍在混凝土缺失范圍的基礎上向四周外擴100 mm。鑿出修補面后，用高壓風水輪流沖洗干凈并吹干，然后采用M30環氧樹脂砂漿修復，環氧樹脂砂漿表面抹光。對于二期混凝土損壞程度比較嚴重的門槽，鑿除破損的混凝土，清理基面，用聚合物混凝土進行澆筑修復。

4.5 處理效果

固結灌漿灌后進行孔壓水試驗，最大透水率為2.1 Lu，最小透水率為0.95 Lu，透水率均符合≤3 Lu的設計值，說明船閘底板與地基之間的透水通道已經隔斷，質量滿足設計要求。固結灌漿孔灌前壓水最大透水率為270.9 Lu，最小透水率為3.1 Lu，平均透水率為45.4 Lu，比灌前的平均透水率整體下降了96.4%。

11#閘室底板裂縫經化學灌漿、植入加強鋼筋、環氧砂漿等方法修復處理結構縫漏水、混凝土缺失等病害后，達到設計要求，處理效果良好。

5 結語

對易發生病害部位進行常態化檢測，及時發現病害，根據使用要求和預期的使用壽命，采取經濟合理的加固修復措施進行修復，對提高船閘等水工建筑物尤其是建于軟弱泥巖等基礎上的水工建筑物的使用壽命和確保其安全運營具有重要意義。那吉航運樞紐工程船閘由于其基礎泥巖具有巖性軟弱、抗沖刷性較差、水平方向相變大等特點，船閘的運行安全及維護管理尤為引人關注。本文針對那吉船閘底板開裂、結構縫漏水、混凝土缺失、淘空等問題，提出采用閘室固結灌漿、閘室底板裂縫環氧樹脂灌漿、混凝土缺失環氧樹脂砂漿等方法進行修復處理，修復后經孔壓水等檢測表明，閘室底板透水率均小于設計值，灌漿后較灌漿前平均透水率整體下降96.4%，質量達到設計要求。閘室基礎固結灌漿等處理降低了基巖的孔隙率，提高其抗滲性和承載力，處理效果良好。本研究可為類似水工建筑物的病害預防、修復及維護提供參考和借鑒。