王錦鵬

（西安市渭河生態(tài)保護(hù)管理辦公室，陜西 西安 710018）

渡槽是輸送水流跨越空間障礙時(shí)采用的工程措施，是非常重要且普遍的水工建筑物。世界上最早的渡槽出現(xiàn)建造于公元前700余年，亞美尼亞。我國古代的渡槽主要以木、石為材料進(jìn)行建造，建國后，我們國家開始普及鋼筋砼渡槽。但是，限于當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展及施工技術(shù)水平，其耐久性不盡如人意，大部分已出現(xiàn)各類病害，危及安全。本文以白楊溝渡槽為例，對其病害產(chǎn)生的原因及處理措施進(jìn)行探分析。

1 概況

白巖溝渡槽位于秦嶺北麓、藍(lán)田縣城東南，屬于原藍(lán)田縣引岱工程紅旗渠第一期工程的一部分。渡槽工程建于1958年8月，位于岱峪輸水工程輸水總干渠上，原設(shè)計(jì)流量為8.0 m3/s。渡槽全長122 m，主要由排架、槽身和漿砌石護(hù)坡等組成，排架為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高10 m～20 m不等，邊跨間距為9 m、中間跨為10 m，槽身為U形預(yù)制鋼筋網(wǎng)片砂漿結(jié)構(gòu)。經(jīng)檢測，槽箱存在內(nèi)外壁局部網(wǎng)絲或鋼筋銹蝕、槽頂橫梁配筋銹脹破壞和槽箱接縫處嚴(yán)重滲漏等各類缺陷，槽身結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的外觀缺陷歸類為Ⅳ類缺陷，即特別嚴(yán)重的缺陷。見圖1。

圖1 渡槽災(zāi)害情況

2 病害分析

（1）渡槽槽身結(jié)構(gòu)混凝土保護(hù)層過薄對渡槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害。經(jīng)檢測，該渡槽很多部位由于受到風(fēng)霜雨雪等常年侵蝕，鋼筋保護(hù)層厚度不能滿足規(guī)范要求，空氣中的水、SO2滲入，導(dǎo)致鋼筋生銹，從而破壞混凝土保護(hù)層，出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象。

（2）自然界風(fēng)雨、凍融對渡槽產(chǎn)生危害[1]。白巖溝渡槽所處位置，冬夏氣溫變化幅度很大，晝夜溫差也大，渡槽槽身一旦出現(xiàn)裂縫，雨水就會滲透混凝土結(jié)構(gòu)，留在了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，凍脹反應(yīng)導(dǎo)致淺層破壞。

（3）表層混凝土被碳化?？諝庵械腃O2與砼中的H2O、Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，降低了砼PH值，使砼對鋼筋表面鈍化膜的保護(hù)功能喪失，引發(fā)銹蝕，同時(shí)增加了砼結(jié)構(gòu)中空隙。

3 加固前結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算

3.1 計(jì)算軟件及計(jì)算內(nèi)容

本報(bào)告采用通用ANSYS軟件對白巖溝渡槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算內(nèi)容包括：按承載能力極限狀態(tài)，分別取荷載基本組合與偶然組合，計(jì)算槽身沿水流（縱向）方向各典型斷面的最大彎矩以及最大剪力，同時(shí)考慮最大軸力；計(jì)算了渡槽身垂直于軸向各典型斷面的彎矩、剪力、軸力參數(shù)等。取單跨槽身，進(jìn)行有限元內(nèi)力計(jì)算[2]，有限元模型見圖2，橫斷面內(nèi)力分析見圖3。

圖2 渡槽單跨有限元計(jì)算模型

圖3 計(jì)算斷面選取及內(nèi)力方向規(guī)定

3.2 計(jì)算結(jié)論

3.2.1 有限元縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算

分別計(jì)算槽身結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)荷載單獨(dú)作用下的縱向內(nèi)力分布情況，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)槽身半圓下部軸力以受拉為主，承受外側(cè)受拉彎矩，渡槽外壁剪力較小，槽身側(cè)壁跨中存在軸向拉力，并且內(nèi)側(cè)受拉，槽身底部主要為外側(cè)受拉，承受軸向拉力；隨著位置高度增加，結(jié)構(gòu)所受彎矩向內(nèi)側(cè)受拉過渡，承受軸向壓力[3]。見圖4。

3.2.2 有限元橫向結(jié)構(gòu)計(jì)算

分別計(jì)算槽身結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)荷載單獨(dú)作用下的橫向內(nèi)力分布情況，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)槽身跨中軸力以受拉為主，承受外側(cè)受拉彎矩，槽身端頭承受軸向壓力，槽身側(cè)壁、底板內(nèi)側(cè)承受彎矩，槽身底部的彎矩主要為外側(cè)受拉，承受軸向拉力；隨著位置高度增加，結(jié)構(gòu)所受彎矩向內(nèi)側(cè)受拉過渡，承受軸向壓力。結(jié)構(gòu)同時(shí)承受彎矩與軸力作用，因此承載力校核可以按偏心受拉和受壓構(gòu)件進(jìn)行考慮[4]。見圖5。

圖4 跨中斷面縱向彎矩圖

圖5 跨中斷面橫向彎矩圖

3.3 槽身內(nèi)力與抗力比較

槽身各部位受力特性隨位置變化差異較大，為安全起見，不適宜采用常規(guī)的渡槽單一設(shè)計(jì)承載力計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)算。針對槽身內(nèi)力分布特點(diǎn)，驗(yàn)算共取用了三個(gè)典型斷面進(jìn)行比較，分別為槽身跨中、槽身端部以及距槽身端部1 m處。分析發(fā)現(xiàn)，槽身各截面的承載能力較低，存在較大的安全隱患，其中承載力極限狀態(tài)下各工況跨中斷面最大縱向計(jì)算內(nèi)力為159.7 kN/m，但是最大縱向承載力為128.1 kN/m；承載力極限狀態(tài)下各工況槽托斷面最大橫向計(jì)算內(nèi)力為-284.4 kN/m，但是最大橫向承載力為-45.4 kN/m；承載力極限狀態(tài)下各工況距槽端1 m斷面最大橫向計(jì)算內(nèi)力為36.4 kN/m，但是最大橫向承載力為17.2 kN/m。針對槽身內(nèi)力分布特點(diǎn)，驗(yàn)算共取用了三個(gè)典型斷面進(jìn)行比較，分別為槽身跨中、槽身端部以及距槽身端部1m處。分析發(fā)現(xiàn)，槽身各截面同樣受力較大，具有拉力和彎矩共同作用的特點(diǎn)，特別是在槽身縱向位置，過大的反彎矩易使內(nèi)側(cè)壁上出現(xiàn)縱向裂縫，這一情況符合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)論。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

（1）由計(jì)算結(jié)果可知，槽身各截面的承載能力較低，存在較大的安全隱患，槽身各截面的受力較大，具有拉力和彎矩共同作用的特點(diǎn)，特別是在槽身縱向位置，過大的反彎矩易使內(nèi)側(cè)壁上出現(xiàn)縱向裂縫，這一情況符合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)論。

（2）槽身跨中側(cè)壁縱向彎矩過大，且內(nèi)側(cè)受拉，將導(dǎo)致該部位出現(xiàn)豎直方向的受力裂縫，危害較大。

（3）槽身側(cè)壁中部沿軸線方向的橫向彎矩過大，尤其在實(shí)際流量作用下，內(nèi)力出現(xiàn)最不利情況，且槽身橫向配筋不足。

5 加固方案

結(jié)合渡槽存在的病害問題，我們將通過對現(xiàn)狀裂縫進(jìn)行灌膠、利用聚合物防水砂漿填補(bǔ)、在槽身伸縮縫處粘貼紫銅板、利用鋼板的強(qiáng)度和碳纖維布的韌性對槽身進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、另外通過涂刷CPC防止砼進(jìn)一步碳化等六方面進(jìn)行處理。

5.1 裂縫灌漿處理

用毛刷、砂紙等工具對已有裂縫進(jìn)行清表、清縫，清水沖洗，干燥后，用WSS密封膠進(jìn)行封縫，由一端開始向另一端壓膠，形成一個(gè)封閉性空腔，后用環(huán)氧樹脂灌縫，壓力保持在0.2 MPa左右，待裂縫灌漿飽和后進(jìn)行封閉即可。

5.2 鋼筋阻銹及聚合物砂漿修補(bǔ)

作業(yè)前要充分清除鋼筋銹蝕以及周圍松動(dòng)的混凝土保護(hù)層，必要時(shí)可以用打磨機(jī)進(jìn)行打磨，確?；骓艌?jiān)固結(jié)實(shí)，用毛刷將表面清理干凈，打磨去除外露鋼筋表面的鐵銹，其后涂刷水泥基鋼筋阻銹劑2遍，然后用聚合物砂漿進(jìn)行修補(bǔ)，恢復(fù)原砼構(gòu)件的輪廓[5]。

5.3 伸縮縫粘貼紫銅板止水

拆除原有內(nèi)嵌物，在伸縮縫內(nèi)打入錨固螺栓，清理打磨，露出堅(jiān)硬的混凝土基面，涂抹WSJ建筑結(jié)構(gòu)膠于清潔、干燥的砼面，然后將加工好的紫銅板粘貼于基面，加鋼板壓條并擰緊螺栓使紫銅板密實(shí)的粘貼于混凝土基面。待WSJ建筑結(jié)構(gòu)膠固化后，清理鋼板壓條和紫銅板表面，涂刷防銹漆后用水泥基聚合物砂漿修補(bǔ)平整。見圖6。

5.4 粘貼碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)

對現(xiàn)狀有表面裂縫的部位及應(yīng)力集中段，用打磨機(jī)對砼表面進(jìn)行打磨，露出堅(jiān)實(shí)基面，注意不要損壞原有鋼筋，清洗干凈，清洗的時(shí)候一定要注意不要使鋼筋再次銹蝕，干燥后，涂刷WSX底膠，其后將WSX浸漬膠涂抹于粘貼部位，將碳纖維布輕輕粘貼在預(yù)定位置，用刮板進(jìn)行多次反復(fù)刮平，保證充分浸透無氣泡。

5.5 粘貼鋼板補(bǔ)強(qiáng)

鑿除薄弱部位重復(fù)以上步驟，對所要粘貼的鋼板表面進(jìn)行充分打磨，在渡槽槽身上放線，定出鋼板粘貼輪廓和植筋部位，鉆孔植錨固螺栓，將WSJ建筑結(jié)構(gòu)膠均勻涂抹于混凝土和鋼板表面，粘緊后擰緊錨固螺栓，用夾具使鋼板緊貼于混凝土表面。待WSJ建筑結(jié)構(gòu)膠固化后，拆除表面加壓裝置，清理鋼板表面，涂刷防銹漆并對渡槽內(nèi)全斷面進(jìn)行FPSC聚合物砂漿抹面處理，使槽身內(nèi)面光滑，對槽身外側(cè)臨空面進(jìn)行水泥砂漿。見圖7。

5.6 砼防碳化處理

前5項(xiàng)工作完成后，通過在結(jié)構(gòu)表面涂刷CPC防碳化涂料，有效防止有害氣體、水分滲入，從而阻止碳化反應(yīng)鏈的形成，延長渡槽使用壽命。其處理的具體工藝為：用清水對整個(gè)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行沖洗，需要打磨的凹凸表面要處理平整，待干燥干凈后，涂刷兩遍CPC防碳化涂料，幫助恢復(fù)砼結(jié)構(gòu)堿性環(huán)境。

圖6 伸縮縫粘貼紫銅板止水

圖7 粘貼鋼板補(bǔ)強(qiáng)

6 加固后結(jié)構(gòu)計(jì)算

為了確保加固設(shè)計(jì)方案不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)狀渡槽存在的滲漏、凍融侵蝕等問題加以解決，而且能夠?qū)φ麄€(gè)渡槽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性有大幅度的提升，使白巖溝渡槽在加大設(shè)計(jì)流量后依然能夠正常、安全運(yùn)行，對設(shè)計(jì)加固后的白巖溝渡槽的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行有限元計(jì)算。

6.1 槽壁縱向加固計(jì)算

通過有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)槽身在基本組合情況下計(jì)算最大縱向軸力N=160 kN（拉力），彎矩M=7.04 kN·m。

依據(jù)渡槽的受力特點(diǎn)可知，槽身底部2h0區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力較大區(qū)域，角度為豎向 30°。范圍內(nèi)的弧長，L0=2×30×L/180×2=2×30×3.14×3/180×2，L 為半圓弧長，此區(qū)域截面共可設(shè)L0/300=5條加固鋼板，受力面積共 100×3×5=1500 mm2,帶入上公式得到加固鋼板提供承載能力，計(jì)算最大軸力Zt=215×1800/1.4=230kN＞171kN，證明加固可以滿足受力要求。

6.2 槽壁橫向加固計(jì)算

計(jì)算時(shí)取單位長度為1 m，作為一個(gè)計(jì)算單元，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)槽身在基本組合情況下計(jì)算最大縱向軸力N=-301kN（壓力），彎矩M=10.3kN·m，屬于偏心受壓構(gòu)件。

加固時(shí)考慮縱向受力鋼板為1G-100×3@300（一米范圍共4條），面積共100×3×4=1200mm2,帶入上公式得到加固鋼板提供承載能力，計(jì)算最大軸力N=365＞301kN，證明加固可以滿足受力要求。

7 結(jié)論

通過加固后結(jié)構(gòu)計(jì)算，可以看出，通過裂縫灌漿處理、聚合物砂漿修補(bǔ)、伸縮縫粘紫銅板止水、粘貼碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)、粘貼鋼板補(bǔ)強(qiáng)、混凝土防碳化處理等六種方法處理后，對渡槽的承載能力有大幅度的提升，加固后的渡槽可以滿足結(jié)構(gòu)受力要求，可以有效延長渡槽的使用壽命，節(jié)約工程投資，避免了工程拆除重建帶來的環(huán)境污染。