浅谈U型薄壁渡槽除险加固技术方案以碗窑灌区峡口西干渠渡槽为例

王坤雪，吴志华，张 丽，程 霆

（1.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；2.开化县水利局，浙江 开化 324300；3.开化县音坑乡人民政府，浙江 开化 324300）

1 问题的提出

20世纪60年代以来，随着国内水利基础设施的兴建，U型薄壁渡槽因其重量轻、跨度大、造价低、水流条件好、适用性强等特点得到广泛应用。在长期使用过程中由于运行管护不当、材料老化、施工或设计存在缺陷等原因造成一定的病险现象。受限于资金、输水、土地政策等多种原因，大多数病险渡槽无条件实施拆建。而U型薄壁渡槽因自身结构特点，加固改造技术难度大，国内外相关研究少，若发生连锁倒塌事故将造成极大的损失。以碗窑灌区峡口西干渠渡槽加固改造为例，针对槽身内外壁混凝土碳化剥落、钢筋锈蚀、裂缝局部渗水等U型薄壁渡槽常见的病险情况提出可供借鉴的除险加固技术方案。

2 工程概况

碗窑灌区位于江山市，是浙江省最大的自流灌区之一。灌区以碗窑水库、峡口水库、白水坑水库为龙头，江山港及其主要支流和碗窑总干渠、峡口东西干渠等灌溉渠道为骨干，形成河流水系、河库、库库、渠库连通的长藤结瓜式灌溉系统。峡口西干渠由峡口电站尾水渠3孔进水闸进水，设计引水流量12.9 m3/s，全长58.5 km。

峡口西干渠王村渡槽、大悲山渡槽、贺社渡槽、坝头渡槽、新塘边渡槽及坛石渡槽始建于1970年，渡槽级别为4级。各渡槽单节长度均为12 m，为排架式U型薄壳渡槽。槽身采用预制U型钢丝网水泥薄壳结构，材料采用R28#400砂浆；槽身支座、拉杆、边梁采用R28#200混凝土，槽身厚度3.2～3.5 cm，钢丝网保护层3.0～3.2 mm，下部结构采用预制钢筋混凝土排架结构，排架柱采用R28#200混凝土，基础采用混凝土矩形扩大基础。经多年运行，峡口西干渠各渡槽工程均暴露出一定的病险问题，2017年安全鉴定主要结论为：峡口西干渠6座渡槽水力要素评定为C级，结构安全分级中槽身安全评定为A级、排架安全评定为B级、地基基础安全评定为B级。渡槽安全类别为三类渡槽，应对渡槽进行除险加固消除隐患，确保工程安全运行。峡口西干渠各渡槽现状特征见表1。

表1 峡口西干渠各渡槽现状特征表

3 存在的主要问题

根据安全鉴定结论，峡口西干渠6座渡槽主要存在以下问题：大部分槽身砂浆不同程度脱落、钢丝网裸露；部分槽身接头处止水老化、渗漏；部分槽身存有细微渗透通道；部分排架柱和横梁砂浆剥落并钢筋裸露或存在裂缝；钢筋保护层厚度对结构耐久性有影响、较大影响及失效的占被检构件数的70%；排架柱存在一定程度的倾斜，槽身存在一定程度的横向偏移和纵向偏移；槽身过水断面尺寸不足；安全监测不满足现行规范要求等（见图1～3）。

图1 槽身纵向位移图

图2 槽身钢丝网裸露图

图3 槽身偏心位移图

4 针对渡槽缺陷的除险加固方案

4.1 过水断面不足

针对槽身过水断面不满足安全加高的要求，对渡槽进行降低流量运行处理；对渡槽进口设置流量观测计并通过信息化建设实时传输流量数据，保证渡槽在安全流量下运行。

4.2 槽身位移

针对少数纵向及横向位移较大的渡槽单元，将脱离槽墩墩帽较大的槽身进行重新吊装；对所有渡槽橡胶止水进行更换，更换全部渡槽接缝处钢板支座，渡槽进出口设置防护设施。

4.3 槽身外壁碳化、钢筋锈蚀及局部渗水

外壁混凝土碳化、钢筋锈蚀以及局部渗水为U型薄壁渡槽常见病险问题，可采用“基底处理+丙乳砂浆修复（2 cm）+碳纤维加固+涂层封闭”的加固方案。

（1）基底处理：由于结构壁薄且外敷钢丝网，处理技术要求采用小型电镐、切割片、砂轮、钢丝刷等手持电动工具进行凿除、切割、打磨；建议打磨深度2 mm。须将表面松动部位和污物处理干净。再采用高压淡水进行基面冲洗，清理表面的松动部位及污物、粉尘等，得到清洁湿润的新基面。

（2）丙乳砂浆修复（2 cm）：丙乳水泥砂浆强度介于丁苯水泥砂浆和氯丁水泥砂浆之间，新老混凝土粘结性能良好，具有良好的抗碳化性能，可采用机械拌和，进行大面积喷涂。丙乳砂浆与普通砂浆相比，极限拉伸率提高1～3倍，抗拉强度提高1.35～1.50倍，抗拉弹模降低，收缩小，抗裂性显著提高，与混凝土面、老砂浆粘结强度提高2.0倍以上，2 d吸水率降低10倍，抗渗性提高1.5倍，抗氯离子渗透能力提高8倍以上等优异性能，能够防止老混凝土进一步碳化，起到延缓钢筋锈蚀速度、抵抗剥蚀破坏的目的。丙乳砂浆材料性能参数见表2。

表2 丙乳砂浆材料性能参数表

（3）碳纤维加固：采用碳纤维加固技术是本次除险加固措施中解决结构安全问题的关键，可弥补钢筋锈蚀造成的结构承载力下降问题。采用高强度Ⅰ型单向织物、单层质量300 g/m2的碳纤维布进行加固。粘贴2层并按先纵后横分层粘贴。纵向碳纤维布粘贴区域为U渡槽底部U型区域；横向采用间隔分布，铺设宽度20 cm，间距50 cm，横向附着力大于2.5 MPa，有效粘结面积大于95%。碳纤维布主要力学性能指标见表3。

表3 碳纤维布主要力学性能指标表

粘贴纤维布对混凝土结构进行加固和修复时宜采用配套的胶粘剂。胶粘剂分为底胶、找平胶和粘贴胶，主要力学性能指标见表4～5。

表4 底胶、找平胶的主要力学性能指标表

表5 粘贴胶的主要力学性能指标表

（4）涂层保护：对碳纤维加固后进行耐老化保护，提高耐久年限并可达到一定的外观要求，在最后1层碳纤维布表面涂刷环氧封闭底漆1层50 um，环氧云铁中间漆1层120 um，配套面漆1层70 um，总厚度240 um。

4.4 槽身内壁局部腐蚀

针对渡槽内壁出现局部腐蚀的问题采用“基底处理+丙乳砂浆修补（1 cm）+涂层保护”的加固措施。除丙乳砂浆厚度不同外，其加固方法与槽身外壁相同。槽身内壁、外壁加固方案见图5。

图5 槽身内壁、外壁加固方案图 单位：cm

4.5 下部支撑结构的补强加固

渡槽下部支撑结构的补强加固采用“凿除破损区域混凝土1 cm+露筋区域除锈+清洗混凝土界面+丙乳砂浆修补+间隔布置碳纤维布+涂层封闭”的加固方案。

（1）凿除混凝土。对于出现锈迹、裂缝、脱空、层裂、空鼓以及龟裂等现象的混凝土须全部凿除，必要时可扩大凿除范围。范围上应凿除混凝土至两端各露出5 cm以上的未锈钢筋段。凿除后必须彻底清除已松动的混凝土或砂石等，并用淡水清洗处理。

（2）钢筋补强、除锈。钢筋锈断或钢筋截面损失大于20%以上时，需进行补强。对补强的主筋，用同径同质的钢筋搭焊，控制双面焊接搭接长度≥5 d（d为钢筋直径），单面焊接搭接长度≥10 d。需全面换筋补强时，应采取交叉更换方式，即先换1#、3#、5#筋，再换2#、 4#、6#筋，同时须保证卸载作业。对已出现腐蚀的钢筋，需要除锈。除锈可采用机械与人工配合的方法；机械除锈采用电动砂轮机，用钢丝轮代替砂轮。

（3）人工压抹丙乳砂浆。要求砂浆密实均匀，表面平整，无任何裂缝及空鼓现象。

（4）碳纤维布铺设。采用高强度I型单向织物、单层重量300 g/m2的碳纤维布加固，碳纤维布间隔布置，单片纤维布宽20 cm，间隔20 cm，铺设方式见图6。

图6 碳纤维布铺设加固方案图 单位：cm

（5）涂层封闭保护同外壁加固方法。

4.6 渡槽连锁倒塌加固

峡口西干渠渡槽除险加固中针对跨越公路或存在车辆碰撞隐患的渡槽单元，设置C25钢筋混凝土结构围合防撞墩加固，墩厚0.5 m，墩高1.5 m，围合区域采用土方回填并种植绿化；对于其余的渡槽单元每间隔5跨设置C25钢筋混凝土结构加强墩，从基础底部加强至排架底部第一根横梁处，加强墩范围内的渡槽基础、排架表面须清洗后布置插筋与加强墩连接以增加排架整体刚度，防止槽身脱落发生渡槽连锁倒塌事故。渡槽结构加强墩加固方案见图7。

图7 渡槽结构加强墩加固方案图 单位：cm

4.7 槽身、排架、横梁的表面裂缝处理

对于表面缝宽≤0.2 mm的裂缝进行表面封堵处理，对于表面缝宽＞0.2 mm的裂缝需进行灌浆处理后进行封堵处理。

4.7.1 表面封堵处理

对表面裂缝处进行打磨（或灌浆处理）后，高压水枪冲洗并涂刷2道Ⅱ型柔性防水涂料；防水涂料主要成分为优质改性丙烯酸酯共聚乳液及高分子聚合物改性水泥基防水灰浆。封闭表层裂缝后喷涂丙乳砂浆。

4.7.2 灌浆处理

（1）清理缝面：对裂缝表面进行打磨清理，清理宽度为裂缝两侧各10 cm；压缩空气进行裂缝串通情况检查，并吹除缝内的污物和积水。

（2）布置灌浆盒：沿裂缝方向布置，间距宜控制在20～30 cm。

（3）封缝处理：采用环氧胶泥封闭缝口并检查密实情况，保证灌浆时不漏浆。

（4）灌浆：灌浆材料采用环氧树脂浆材，利用灌浆泵、灌浆管及灌浆盒进行灌浆。灌浆压力控制在0.5～0.6 MPa。逐缝顺序进行灌注，使浆液充分填充整个缝面。至标准灌浆压力下不再有浆液灌入时，继续灌注5 min后停止。

（5）缝面封闭：灌浆结束24 h后清除缝面临时封缝材料，并对裂缝及裂缝两侧15 cm基面进行清理，要求打磨平整，清除浮尘并保持干燥。

（6）质量检查：可用单点法压水试验，压水检查压力为灌浆压力的80%且不小于0.4 MPa，持续压水5 min缝面不渗水为合格。

5 结 语

我国大多数病险渡槽受限于资金、输水、土地政策等多种原因没有条件实施拆建，大型U型薄壁渡槽加固改造技术措施尚欠缺相对成熟的技术路线。本文以碗窑灌区峡口西干渠渡槽加固改造为例，提出可供借鉴的U型薄壁渡槽除险加固技术措施及技术要点。工程除险加固后经过通水运行观察，相关病险得到有效的处理，取得良好效果。