佛山市高明區(qū)滄江船閘結構加固技術措施

廖芳珍，鐘黎雨

(水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心，廣州 510635)

近年水利行業(yè)施工技術和管理水平都有長足的發(fā)展和很大的提高，但仍有相當數(shù)量的在建新建工程存在混凝土強度不達標等質量問題，這種建造期間發(fā)生的工程事故的處理技術以及加固的理論支持要求越來越強烈[1-2]。混凝土結構加固的方式有增加截面法[3]、混凝土置換法[4]等，具體選用何種加固技術需要在分析與擬加固項目的適用性，經濟性以及施工條件等多種因素的基礎上綜合判斷。本文以滄江船閘工程為例，對船閘混凝土強度缺陷原因進行分析，綜合比選結構加固方案，結合工程實際進行混凝土表面增強劑與鋼纖維混凝土加固方案設計，最后以質量檢測結果及實際運行效果論證方案的有效性。目前該補強加固技術已用于工程實踐且加固效果良好，可為類似混凝土結構的加固提供參考。

1 工程施工基本情況

高明區(qū)滄江水利樞紐是高明區(qū)重要的水利工程，是一項以防洪、排澇為主，兼顧灌溉、航運等多功能于一體的大型水利樞紐。高明區(qū)滄江水利樞紐重建工程包括保留滄江泵站，拆除舊滄江水閘、船閘，重建滄江水閘和船閘。滄江船閘為VI(2)級單線單級船閘，通航最大船舶噸位為100 t，上、下游設計最高通航水位為6.0 m。從上游至下游依次布置有上游引航道、上閘首、閘室、下閘首、下游引航道。閘室為整體式結構，矩形斷面，長100.0 m，寬12.0 m，每隔 20 m 設一條伸縮縫，縫內設止水。混凝土強度等級為C30，鋼筋保護層厚度為50 mm，底板頂標高為-2.10 m，厚1.9 m，側墻橫斷面為梯形，厚度為1.5～3.0 m。下閘首為整體式鋼筋砼結構，平面尺寸為21.0 m×27.0 m (寬×長)，其中口門凈寬12.0 m，左、右閘墩寬均為 4.5 m，門檻高程為-2.10 m，底板厚度為1.9 m，閘頂高程為9.80 m。

船閘底板于2021年3月10日—2021年3月18日完成基坑建基面隱蔽工程驗收，并完成C15混凝土墊層澆筑，開始鋼筋綁扎和混凝土澆筑等工作。按施工方案先分段澆筑底板后分段分倉澆筑閘室側墻。混凝土采用商品混凝土，天泵入倉，采用插入式振搗棒充分振搗，混凝土澆筑完成后，及時灑水養(yǎng)護14 d。

2 缺陷情況及原因分析

2.1 缺陷情況

2021年4月14—21日，檢測公司對佛山市高明區(qū)滄江水利樞紐重建工程的混凝土強度進行檢測，發(fā)現(xiàn)船閘4#閘室底板及下閘首混凝土(設計強度等級為C30)不合格，抗壓強度分別為18.8 MPa和20 MPa。2021年5月6日，質量檢測站檢測結果顯示船閘1#～5#底板、下閘首底板以及船閘1#閘室左側墻、2#右側墻、3#左側墻，4#左側墻，5#右側墻混凝土抗壓強度均低于設計強度C30。具體檢測強度分布見圖1，數(shù)據(jù)分析見表1。

圖1 檢測混凝土抗壓強度最小值平面分布示意

表1 混凝土抗壓強度數(shù)據(jù)分析

2.2 缺陷原因分析

根據(jù)檢測芯樣破損情況，發(fā)現(xiàn)混凝土的膠結比較松散、存在一些水淅和氣泡孔隙、粗骨料中含有風化石，分析判斷混凝土強度不合格的主要原因有以下幾點：

① 混凝土供應廠家未按檢測合格的混凝土配合比供料，擅自使用未經確認和檢測合格的混凝土配合比，嚴重影響混凝土質量。

② 使用未經檢驗合格的材料，混凝土公司使用的膨脹劑未經第三方檢測合格，特殊部位使用的混凝土未按要求添加膨脹劑。

③ 生產過程沒有質量監(jiān)控，管理混亂，弄虛作假；發(fā)往項目施工方的混凝土施工配料單，與生產線實際下料情況不相符。

④ 在混凝土下料過程中對用水量、砂含水量缺乏嚴格控制。配合比不滿足要求，施工材料不合格以及質量管理不到位，共同導致了現(xiàn)場施工的質量缺陷。

3 加固方案比選及設計

3.1 加固方案比選

根據(jù)《水工混凝土結構設計規(guī)范》(SL191—2008)[6]對現(xiàn)狀船閘承載能力極限狀態(tài)及正常使用狀態(tài)進行評估。在承載能力極限狀態(tài)時，因船閘鋼筋混凝土結構受力狀態(tài)相對受壓區(qū)高度小于2倍的受壓鋼筋合力點至受壓區(qū)邊緣的距離，即縱向受拉鋼筋達到屈服和受壓混凝土破壞同時發(fā)生，相對界限受壓區(qū)計算高度僅與鋼筋抗拉強度設計值有關，經計算的結構抗力大小僅與結構配筋情況相關，與混凝土強度大小相關性不強，現(xiàn)狀混凝土檢測強度的情況下，船閘承載力可滿足要求。在正常使用極限狀態(tài)時，現(xiàn)狀檢測的混凝土強度下，閘室底板在各工況下，最大裂縫寬度有所增加但仍能滿足小于0.25 mm的要求。采用牛荻濤模型[7]對現(xiàn)狀混凝土結構進行耐久性評估，計算結果表明2#、4#、5#閘室底板不滿足合理使用年限30年，下閘首不滿足合理使用年限100年結構耐久性要求。鑒于以上可靠性評估結論，考慮經濟性和時間因素，滄江船閘質量缺陷的處理方式選擇為結構加固處理，即對混凝土強度不足的船閘底板2#、4#、5#、下閘首底板以及右側墻2#、右側墻5#進行加固處理。

混凝土結構加固主要是通過各種途徑來減少荷載效應或增加結構抗力，目前應用較多的混凝土結構加固法主要包括增大截面加固法、混凝土置換法、外包型鋼加固法[8]、碳纖維復合增強塑料加固法[9]及預應力加固法[10-11]等。考慮到船閘通航要求及閘室底板抗沖刷要求，底板加固方法的選擇需保證閘室截面尺寸不發(fā)生較大變化，且加固材料具有一定的抗沖擊性能。以上加固方法中混凝土置換法可滿足項目需求，混凝土置換法選取環(huán)氧砂漿樹脂方案與C40鋼纖維混凝土方案對比(見表2)，經對比C40鋼纖維混凝土施工方便經濟性好且能滿足閘室段強度加固及使用年限要求，閘室底板加固采用C40鋼纖維混凝土方案。閘室右側墻2#、右側墻5#鉆芯法檢測3個芯樣的抗壓強度算數(shù)平均值相對較高，考慮立面施工難度等因素，采用涂刷混凝土表面增強劑修復處理。

表2 閘室底板加固方案對比

3.2 加固方案設計

3.2.1閘室底板及下閘首底板加固方案

2#、4#、5#閘室底板及下閘首底板采用C40鋼纖維混凝土置換法進行補強加固，底板混凝土基面鑿毛，澆筑C40鋼纖維混凝土50 mm，處理后混凝土檢測強度應達到C40(加固示意見圖2)。

圖2 閘室混凝土加固示意

3.2.2閘室側墻加固方案

閘室右側墻2#、右側墻5#采用涂刷混凝土表面增強劑補強處理，示意見圖3。水性滲透型無機材料工程根據(jù)《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》GB/T 50476中不同環(huán)境類別及作用，本工程環(huán)境類別為一般環(huán)境，設防等級為二級[14]。設防做法為A組份兩遍、B組份各一遍，每遍間隔時間24 h，A組噴涂兩遍總耗量不少于300 mL/m2，B組份每遍耗量不少于150 mL/m2。二級設防后可達到設計年限50 a以上，滿足閘室段30 a使用年限要求。

圖3 閘室側墻混凝土補強加固示意

4 加固效果分析

4.1 C40鋼纖維混凝土加固效果分析

結合前期混凝土質量缺陷教訓，本次加固材料商品混凝土運至現(xiàn)場，隨機取樣作坍落度實驗和立方體抗壓強度試塊，現(xiàn)場坍落度檢測值為200 mm，混凝土和易性和均勻性等指標滿足要求。立方體抗壓強度試塊共作6組，標養(yǎng)28 d后作抗壓強度試驗(試驗結果見表3)。

表3 船閘底板C40鋼纖維混凝土抗壓強度檢測情況統(tǒng)計 MPa

船閘2#、4#和5#底板及下閘首底板C40鋼纖維混凝土澆筑并按規(guī)范養(yǎng)護，28 d后采用回彈法檢測混凝土強度(檢測情況見表4)。從回彈強度情況可見，船閘2#、4#、5#和下閘首底板強度分別為50.4 MPa、48.1 MPa、49.0 MPa、48.8 MPa，混凝土強度滿足設計要求。

表4 船閘2#、4#、5#和下閘首底板砼回彈強度檢測情況 MPa

4.2 混凝土表面增強劑加固效果分析

2#和5#閘室右側墻采用瑞納德牌混凝土表面增強劑按修補施工方案涂刷并養(yǎng)護后，采用回彈法檢測混凝土強度(檢測結果見表5)。從回彈強度檢測報告可見，涂刷瑞納德牌混凝土表面增強劑后，2#和5#閘室右側墻混凝土強度分別為54.8 MPa和48 MPa，混凝土強度有大幅度提高，滿足設計要求。

表5 船閘2#、5#右側墻砼回彈強度檢測情況 MPa

4.3 新老混凝土結合面質量評價

加固方案實施前，抽取閘室底板混凝土芯樣送實驗室開展新老混凝土粘結強度試驗。試驗進行了C40鋼纖維混凝土配合比設計，粘結強度試件成型和粘結強度試驗。從芯樣粘結強度試驗試件的破壞形態(tài)來看，斷裂處主要發(fā)生在老混凝土(見圖4)，新混凝土、新老混凝土結合面之間不存在斷裂。這表明新老混凝土膠結良好，由于新混凝土的強度等級(C40)比老混凝土的強度等級(C30)要高，試件斷裂處位于老混凝土屬于正常現(xiàn)象。此次粘結強度試驗受養(yǎng)護齡期(3d)的影響，同時受試件尺寸、形狀影響，無法制作加工成極限拉伸試驗的標準試件，導致粘結強度偏低，隨著齡期的增長，粘結強度值應該會有所提高。3d齡期粘接強度試驗結果見表6所示。

圖4 新老混凝土粘接強度試件破壞形態(tài)示意

表6 粘接強度試驗結果

根據(jù)新老混凝土粘結強度試驗可知，鋼纖維混凝土與原結構膠結良好，結合面不存在斷裂問題，質量滿足要求。

5 結語

材料的質量缺陷、配合比不符合要求及施工質量管理不到位是導致混凝土結構施工質量缺陷的關鍵因素。針對混凝土強度質量缺陷，鋼纖維混凝土置換法可有效適用于有抗沖刷及截面尺寸限制的混凝土結構加固，而混凝土表面增強劑對于混凝土強度補強差較小及立面施工困難的部位能取得良好的加固效果。佛山高明區(qū)滄江船閘合理運用了以上兩種補強加固方式，取得了較好的補強加固效果，可為類似工程提供參考。