渡槽的工程灾害及其防治_杨秀珍.pdf

23建筑科技2023 年 第 3 期建筑结构Building Structure渡槽的工程灾害及其防治Engineering Disasters and Their Prevention and Control of Aqueducts杨秀珍,郑希祥,王文龙,王昌盛（黄淮学院 建筑工程学院,河南 驻马店 463000）摘要：渡槽是一种重要的输水结构,它的出现为社会发展和建筑史的发展做出了巨大的贡献。当前,渡槽在实际工程应用中易出现裂缝、漏水、支座老化等工程灾害问题,从而影响其使用功能并给周边群众带来安全隐患。通过探讨分析渡槽在施工和使用过程中常见的工程灾害问题,针对性地提出防治措施,为渡槽结构的设计、施工和维护提供参考,同时对促进水利设施建设和引水灌溉具有重要的指导意义。关键词：渡槽;工程灾害;防治措施中图分类号：S277 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0023-031渡槽类型1.1梁式渡槽 梁式渡槽是一种特殊的桥梁结构,如图1所示,它的槽身被安装在槽墩或排架上,受到的纵向荷载与梁相同,因此被称为梁式渡槽1。其槽身可以按照其承载能力的差异分为简梁式、双悬臂梁式和单悬臂梁式3种。梁式渡槽可选用钢筋混凝土浇筑构件,也可以选用预应力钢筋混凝土结构和钢丝网砂浆构件,跨度较小的槽身可以用钢筋混凝土浇筑制造。图1梁式渡槽1.2拱式渡槽拱式渡槽可分为单拱式、连拱式、双曲拱式,是由主拱圈承受槽的上部荷载并传给墩台的槽式渠系交叉建筑物。拱式渡槽由进口段、出口段、槽身、拱上结构、主拱圈和槽墩等组成,如图2所示。拱型渡槽的主拱圈受到拱上构件传来的荷载影响,其承受压力较大,而弯矩较小,因而可以采用抗拉能力较低而抗压强度较高的混凝土材料来构建,这是拱型渡槽的一大特点。图2拱式渡槽2渡槽灾害形式及其破坏机理2.1渡槽灾害渡槽的结构主要是由槽身、支护结构和基础部分组成。24建筑科技2023 年 第 3 期建筑结构Building Structure其力的传递路径为：槽身及水流重力槽体框架（或刚架）结构支墩拱体结构主墩结构。渡槽作为一个不确定的动态结构系统,受诸多因素的影响,在实际工程应用中易出现裂缝、漏水、支座老化等灾害问题。影响渡槽安全运行的因素很多,其中包括自身因素、自然因素和人为因素2。本文从渡槽的破坏形式和破坏机理出发,提出相对应的防治及加固措施。2.2渡槽破坏形式槽身表面混凝土碳化、钢筋的锈蚀以及混凝土结构内部受损都会影响渡槽结构的安全性。渡槽破坏的常见特征包括：表层混凝土的剥蚀,蜂窝状的钢筋外露,各类因素引起的裂纹、漏水、地面不均匀沉降,总体或局部的不稳定、坍塌,构件内力变化较大以至建筑材料衰老等现象3。具体的表现形式有：渡槽侧墙、底板产生不同的裂缝,渡槽渗漏严重;槽体表面破坏,钢筋外露,与空气中水分子发生反应,产生严重锈蚀,导致钢筋受力有效截面减小;渡槽结构整体的不均匀沉降、水平方向上的位移,都可能存在倾覆风险或使槽身出现严重偏差;多条伸缩止水缝有渗漏痕迹及局部的表面破损现象;槽顶板外表磨损较严重,主要表现为随处可见的风化、表层脱落、砂石外露甚至可见钢筋。2.3渡槽破坏的机理裂缝是渡槽常见的一种病害,其破坏机理为：在施工过程中,由于水分从混凝土表面快速蒸发引起龟裂;大面积混凝土水化作用产生的水化热使混凝土内部和表面产生温差导致裂缝;混凝土养护过程中收缩产生裂缝。从裂缝产生的机理来看,主要是由荷载和非受力因素产生的裂缝,如施工过程中施工程序不当产生的受力裂缝,使用期间构件受拉、受弯、受剪、受扭以及钢筋锈蚀、外界温度变化、地基不均匀沉降、冻融循环作用、碱骨料反应、盐类腐蚀、酸类腐蚀等原因产生的裂缝。影响混凝土结构渡槽耐久性的内部因素有混凝土强度,水泥品种标号、用量、外加剂,保护层厚度和渗透性等;外部因素有环境温度、湿度、CO2含量、侵蚀性介质等。钢筋锈蚀是影响混凝土渡槽耐久性的最关键因素,钢筋锈蚀会导致钢筋与混凝土之间的黏结性能下降、混凝土保护层剥落、钢筋截面面积减少。当混凝土被碳化,钢筋表面的氧化膜被破坏,在水分和氧气的作用下,就会发生锈蚀的电化学反应。钢筋锈蚀首先是在裂缝较大处发生“坑蚀”,随着时间推移,逐渐形成“环蚀”,从而使钢筋有效面积减小。锈蚀严重时,甚至会导致混凝土保护层脱落,从而导致截面承载力下降,最终引起结构破坏。2.4渡槽灾害因素分析渡槽工程灾害的发生大多数是由内外因素共同作用引起的。外部因素主要是指自然界中客观存在的、随着渡槽运营时间的延长而必然发生的因素,如冻融、水蚀等,这种损害无法通过人为的作用而避免,但可通过合理的设计,采取相应的措施来降低外界因素对渡槽的影响,延长其使用寿命4。内部因素则表现为工程自身的先天缺陷,如规划不合理、设计欠考虑、施工水准低等,内因导致的工程损毁均属于人为因素引发的,应通过加强其全寿命周期的管理来避免。3渡槽灾害防治举措在前述渡槽病害及其产生原因分析的基础上探究渡槽病害防治及加固办法。3.1渡槽病害防治及加固办法结合渡槽常见的工程病害,工程中往往采用如下措施对进行防治。（1）尽可能减少混凝土裂缝的发生。改善钢筋混凝土设计,使其在荷载效应标准组合下混凝土中不产生拉应力。严控原料品质,确定科学合理的钢筋混凝土搭配比。限制混凝土浇筑温度,强化钢筋混凝土保养。限制混凝土内外温差,强化场地管理工作,并从严格施工技术交底。（2）如遇护栏构件损毁严重、维修困难,考虑到护栏作为非承重构件,且易于更换,可一次性全部更换5。（3）针对人行道面上部分沙石外露部位较多,应该先在渡槽上层铺一层较薄的水泥砂浆,再喷涂防碳化物质,或者直接在顶板表面涂刷丙乳砂浆。丙乳砂浆具有良好的防水性、抗蚀性和抗碳化能力,而且施工简单。砂浆中添加丙乳砂浆的比例应该根据实验结果确定6。（4）渡槽内外表面、支墩、拱身等部位易发生碳化,故应在上述位置均匀涂刷防碳化材料。（5）针对伸缩缝止水的处理办法,可将老化的橡胶止水带切除,更换为钢板止水带,或采用缝内填入柔性止水材料、采用聚合物水泥砂浆修复该处混凝土的破损。（6）如遇构件的强度无法满足要求,则应该置换渡槽外壳构件,或者在其上安装新的高强钢筋混凝土结构。（7）当渡槽排架的混凝土碳化深度超过混凝土保护层时,可清理钢筋表面的混凝土并对钢筋进行除锈,采用聚合物砂浆修复截面,最后采用碳纤维材料包裹部分构件。（8）当渡槽结构承载力超过规定要求时,应采取凿除被损坏的混凝土层、除锈钢筋混凝土施工、刷防腐漆、喷涂高分子水泥砂浆等措施,以确保渡槽内表面的完整性,并在25建筑科技2023 年 第 3 期建筑结构Building Structure其表面涂上一层普通水泥基渗透涂层,以防止渗漏。（9）如遇基础侵蚀、地基承载力下降问题,可采用浇筑混凝土承台对原有基础进行保护,将基础周围的黏土更换为粗砂或是砾石,通过固结灌浆的方式对地基进行加固7。3.2提高渡槽耐久性的措施为防止钢筋锈蚀,可增加混凝土的密实性和混凝土的保护层厚度,采用涂面层、钢筋阻锈剂、涂层钢筋等措施。碳化与混凝土结构使用环境（环境湿度与CO2浓度）和混凝土材料自身（如水泥品种、水泥用量、骨料品种与粒径大小、水灰比、外加剂、混凝土养护办法）有密切关系8,且碳化所需的时间与碳化速度、保护层厚度、密实性以及覆盖层等相关,可通过增加单位体积中水泥的用量、减小水灰比、增加混凝土的密实性、采用合理的掺合料、规定钢筋最小保护层厚度、采用覆盖层等措施来减小混凝土的碳化,从而提高渡槽结构的耐久性。4渡槽灾害防治实例于1986年建成的远门河渡槽由槽墩、样板石镶面、空腹型拱板、槽箱及盖板组成,总长度为196.85 m,高度为5.6 m。槽墩采用浆砌块石,拱肋采用钢筋水泥,槽箱采用C30水泥,设置流速为4.7 m3/s,增加流速为6.0 m3/s,比降为1500。由于当时的建筑设计、施工技术、资金等因素的限制,渡槽的建设标准较低,导致渡槽发生了不同程度的病害,严重影响了渡槽的安全。经过实地勘察,发现槽箱侧壁出现了7条明确的裂纹,并伴有渗漏水的现象。由于水流的冲击,槽箱内壁受到严重的破坏,导致混凝土局部骨料外漏。为了解决这一问题,采取了以下措施。（1）对渡槽裂隙进行处理,包括检查裂隙、清理裂隙、埋设灌浆嘴、选用和配制灌胶粉料、灌胶或注射胶液。（2）对槽箱侧墙内外表面进行防炭化处理,包括对蜂窝麻面和渗漏点进行检查,剖凿水泥槽,选用合适的材料,刮涂封堵剂和保护浆料,喷涂抗磨光浆料。（3）对槽箱侧墙内外表面进行防炭化处理,包括清理水泥表面。选用合适的材料,喷涂保护浆料,喷涂抗渗碱封闭底漆,喷涂防中性化高弹涂层。测试结果显示,槽箱混凝土的强度等级为C26.5,与旧规范中的270号相比,强度降低超过10%,而且碳化深度也回弹到了2.4 mm。3结语（1）渡槽工程普遍因修建年代久远,加上设计计算手段落后,一般存在一定程度的病害问题或安全隐患。（2）通过分析渡槽的常见灾害及其防治措施可知,在对渡槽进行病害诊断时应考虑整体和局部的安全性。（3）分析渡槽的破坏形式和破坏机理,并结合渡槽灾害防治实例,提出针对的防治及加固措施,为类似工程提供参考。参考文献：1 朱晓明,姬晨宇.基于国家信用的向东引水渠高架石拱渡槽营造J.新建筑,2022(04):147-152.2 鞠向楠.南水北调中线干渠渡槽工程混凝土裂缝成因分析和预防措施J.治淮,2012(9):36-37.3 张社荣,时铮,王超,等.基于深度学习的渡槽裂缝类型判定方法J.水电能源科学,2021,39(8):149-152.4 徐楠楠.南水北调某渡槽工程风险评估应用J.河南水利与南水北调,2015(11):38-40.5廉前进,张艳,尚峰,等.在役大型石拱渡槽安全性评价与病害治理研究J.人民黄河,2021,43(2):147-151.6 潘洪科,李业学,王爱勤.渡槽工程的病害分析与防治研究J.河南大学学报(自然科学版)，2015,45(04):493-498.7唐卫国,唐杨,田俊国.渡槽的病害与加固方法综述J.长江工程职业技术学院学报,2019,36(4):9-12,36.8 尚峰,祝彦知,纠永志.在役钢筋混凝土渡槽安全评价与病害处理J.水利水电技术,2018,49(12):208-214.基金项目：河南省高等学校重点科研项目计划支持（编号为22B560008）;河南省高等教育学会高等教育研究项目（项目编号为2021SXHLX101）。收稿日期：2023-03-03作者简介：杨秀珍,本科在读,主要研究方向为土木工程施工技术与管理,现就读于黄淮学院。通信地址：河南省驻马店市开源大道76号。