某U型薄壳渡槽稳定性分析与加固措施研究★

江先雄，朱定明

(宜昌市东风渠灌区管理局，湖北 宜昌 443002)

1 工程概况

U型薄壳渡槽因其造型轻巧、整体性强、力学性能好、水力条件优越等优点，在输水建筑物中应用较多[1]。由于此类渡槽可能受架空高、拱肋跨度大、槽身薄等条件的约束[2]，在实际工程中具有一定的施工难度和较高的技术要求，因此在工程设计施工的过程中稍有不妥就会导致严重后患。蜘蛛洞支渠1号渡槽(又名杨家湾渡槽)位于宜昌市夷陵区小溪塔街办官庄村三组，该渡槽采用现浇简支梁式结构，U形槽身，总长195 m，进口渐变段长10 m，槽身段170 m，出口渐变段长15 m，上游进口槽底高程为203.646 m，出口槽底高程203.363 m，纵坡1/600，设计流量为7.2 m3/s。槽身断面的U型半径r=1.15 m，直墙段h=0.75 m，壁厚9 cm，顶部每隔1.5 m设拉杆，梁宽0.1 m，高0.1 m。支承结构为单肢排架和双肢排架两种型式。根据SL 252—2017水利水电工程等级划分及洪水标准和GB 50288—2018灌溉与排水设计标准，蜘蛛洞支渠1号渡槽工程等别为Ⅳ等小(1)型，建筑物级别4级。该渡槽于1999年建成，由于建设期间施工条件落后，渡槽的施工过程存在缺陷，建成运行后渡槽多次出现漫水和超负荷运行，导致其出现安全稳定问题。其中进出口段和1号槽身混凝土开裂、剥落严重，最大裂缝长达4.7 m，呈网状分布，混凝土保护层厚度已不满足设计要求，目前处于带病运行状态。蜘蛛洞支渠1号渡槽承担着宜昌市城区居民生活用水、灌区用水及蜘蛛洞电站发电的重要任务，对其产生的安全问题必须予以重视。

2 稳定检测分析

渡槽槽身出现的安全稳定问题一般是由于工程材料强度低、外界环境因素恶劣、渡槽地基沉降和结构变形等因素引起的，而槽身混凝土的损坏老化程度具有随机性[3]，因此需对渡槽地基基础、支撑结构、槽身结构和进出口建筑物部分进行分析。

2.1 基础结构

根据已有资料分析，蜘蛛洞支渠1号渡槽进口岸坡段基础大部分坐落在基岩上，但进口边墩基础及中间部分基础出现轻微的沉降变形，未发生破坏，而排架发生轻微变形；河床段基础相对埋深较大，平均埋深5 m左右，主要坐落在强风化粉砂岩上，现状基础稳定，上覆残坡积及回填土稍密；出口岸坡段基础坐落在强弱风化基岩上，现状边坡采用分级挡土墙支护，支护结构局部破损，边坡基岩存在风化剥落现象，受渗水及坡面渗流影响，基岩易软化，长期作用对基础整体稳定性有一定影响。

2.2 支撑结构

排架为渡槽的竖向支撑构件，同时还承受水平风荷载，是主要承载构件，对渡槽的安全可靠性起着非常重要的作用[4]。蜘蛛洞支渠1号渡槽为排架支撑的结构形式，从现场巡查和实测的数据来看，排架的部分位置已严重受损，对排架柱测区的选取主要选在损伤比较严重的周围部位。其中1号排架柱裂缝长度870 mm，缝宽0.5 mm，缝深0.4 mm，主要呈垂直状，混凝土保护层厚度在原设计的1/2以下，已不满足强度要求，评定等级为差。根据现场巡查检测和结构受力特性，发现排架柱混凝土强度、碳化深度和钢筋锈蚀都有一定的不利趋势，但总体评价良好，对结构整体稳定影响不大。由此可见，排架出现较严重裂缝的主要原因是由于混凝土表面保护层脱落，且钢筋发生锈蚀产生体积膨胀，导致顺筋产生裂缝，从而危及渡槽的承载稳定。

2.3 槽身结构

蜘蛛洞支渠1号渡槽采用U型薄壳槽身设计，受结构特点限制具有一定施工难度和技术要求，在设计阶段需要充分考虑其材料强度和结构稳定问题，以防在渡槽运行期间出现由于结构问题产生的安全风险。经安全检测发现渡槽1号槽身存在混凝土脱空、底部渗漏严重和多处露筋并锈蚀现象，且混凝土保护层厚度检测结果不达标，其平均值较原设计值小12 mm。经分析，蜘蛛洞支渠1号渡槽由于槽身壁厚仅9 cm且混凝土强度不高，加之运行期间槽身内外壁温度变化大(内侧迎水面和外侧迎阳面温差较大)，由于槽身混凝土温度和湿度的变化，导致了混凝土的脆性和不均匀性，造成槽身裂缝漏水。因此，渡槽槽身设计强度与未充分考虑环境因素影响是导致渡槽槽底发生渗漏的主要原因。

2.4 进出口建筑物

经巡查检测，渡槽进出口段裂缝问题最严重，其中渡槽入口段和出口段右侧均出现了混凝土脱空、露石，且渡槽入口段右侧有2处裂缝，长度分别为2.14 m，1.2 m；渡槽入口处左侧有2处裂缝，长度分别为4.7 m，3.6 m；出口段右侧有一处裂缝，长度为1.8 m。由表1可知，进出口段裂缝分布呈随机性，既有纵向分布也有横向分布，在裂缝长度最长的部位呈网状分布，这可能是因为进出口段属于渐变段，其受力环境相比于槽身段更复杂，且承担过度水流作用，水力环境也较复杂，因此其裂缝分布不规律，也更容易出现强度稳定问题。

表1 混凝土裂缝检测结果

3 病因分析及加固措施

蜘蛛洞支渠1号渡槽建设初期，由于受当时生产力水平和财力因素的限制，混凝土设计强度偏低，加之运行期间受到自身结构特点的限制和环境因素影响产生了一系列安全稳定问题，其主要原因有以下几点：

1)由于当时施工及设计的缺陷，下游蜘蛛洞电站开始运行过程中就发生了漫水、超负荷工作的现象，影响结构的安全稳定。2)采用U型薄壳槽身的蜘蛛洞支渠1号渡槽槽身壁厚仅9 cm，结构轻巧但安全性较低，且混凝土强度不高，槽身强度不满足结构要求。3)渡槽在运行期间必然会受到环境因素的影响与水压力耦合作用下影响混凝土结构的稳定性[5-6]，蜘蛛洞支渠1号渡槽内外壁温度变化大(内侧迎水面和外侧迎阳面温差较大)，这种温度差会在槽身中产生不利的温度应力。4)槽身混凝土温度和湿度变化大，造成槽身混凝土剥蚀，裂缝漏水，随时间往复加剧混凝土和钢筋碳化。针对施工和设计存在的缺陷，2001年蜘蛛洞支渠1号渡槽进行了槽身加固处理，主要方案为槽身采用黏钢、碳纤维补强加固处理，槽身内侧涂抹5.0 mm丙乳砂浆防渗，外缝采用丙乳砂浆封缝。经过十几年的运行，自2015年来，渡槽槽身裂缝有了进一步发展的趋势，槽身外壁已封闭裂缝又出现反碱渗水，导致混凝土裂缝、剥落，部分排架露筋严重，对人员和交通安全造成极大安全隐患。为确保渡槽短期内结构安全，2020年进行应急加固，主要方案为槽身底部采用两条28a型工字钢顶托，距工字钢两端2.9 m分别设置φ530 mm钢立柱，壁厚15 mm。该方案虽然能够保持渡槽运行，但也未彻底根治病险，其结构混凝土碳化，止水带老化开裂，伸缩缝裂缝和钢筋裸露锈蚀的问题依然存在。同时，槽身结构裂缝逐年增长，致使槽身安全风险逐年增大，该加固方案很难解决根本问题。

综上所述，由于检测结果大部分不满足标准要求，且运行中已出现严重的质量问题，采用的补强加固措施和应急措施都无法根治病险，出于安全考虑，根据T/CHE S22—2018渡槽安全评价导则中的结构安全分级标准及渡槽类别划分标准将该渡槽评为四类渡槽，结构安全评定为C级，即运用指标无法满足设计和标准要求，工程存在严重安全问题，需降低标准适用或报废重建。

4 结论

本文针对蜘蛛洞支渠1号薄壳U型渡槽的稳定性开展了分析，就其安全风险问题，分别于2001年和2020年进行了补缝和应急加固处理措施，主要得到以下结论：

1)渡槽的稳定问题主要由于当时施工条件的落后和混凝土结构自身强度偏低造成，加之受环境温度湿度影响导致混凝土脆性和不均匀性，影响了整体结构的安全。2)渡槽使用初期，针对出现的安全问题，采用了黏钢、碳纤维补强加固槽身，内侧涂抹5.0 mm丙乳砂浆防渗，外缝采用丙乳砂浆封缝的安全措施，该方法可延长工程使用寿命，但无法根治病险，长期运行下依然存在安全问题。3)蜘蛛洞支渠1号渡槽是典型的早期U型薄壳渡槽，其出现的安全稳定问题及处理措施具有较高参考价值，可为同类工程提供参考。