孫宇飛，劉曉靜，歐婭玲，何 勇，曹郎郎

（1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710043；2.西安水務（集團）黑河輸水渠道管理有限公司,陜西 西安 710061）

0 引言

高冠渡槽建成于1997年,主要用于市政輸送水工程,位于西安市長安區(qū),全長53.98 m。采用比降1/1000,過水斷面寬2.7 m,高3.0 m,設計水深2.5 m。渡槽為4 跨結構（每跨槽箱長15 m）,槽箱斷面尺寸3.40 m×3.55 m,箱體下部支承形式是漿砌石墩,水頭損失為0.087 m。為保持渡槽與暗渠的水面平順銜接,渡槽底板設計高程較暗渠箱涵抬高0.45 m。

高冠渡槽是黑河輸水渠道的重要輸水建筑物,為了防止河水沖刷對其造成損害,采用石頭鋼筋籠對位于河道中的支墩做加固處理。隨著運行年份的增加,上述加固設施存在不同程度的位移、且槽體與墩頂交接處存在滲水情況。為保證渡槽的安全運行,需對渡槽進行現(xiàn)場檢測以及安全評價分析。

對于已投入運營的水工隧洞,主要運用人工普查、分析監(jiān)測檢查資料和對隧洞結構進行應力應變分析等方法對隧洞進行安全評價[1]。范秦軍等通過現(xiàn)狀調(diào)查、現(xiàn)場檢測、復核計算分析,對南方某渡槽開展了安全評價,具有一定的說服力[2]。傳統(tǒng)水工建筑物的缺陷檢測,首先采用人工普查法,發(fā)現(xiàn)缺陷并進行記錄,重要缺陷在現(xiàn)場做出標記,為獲得更準確的結果,可進行必要的無損檢測和鉆芯取樣驗證[1]。其中,超聲波法作為一種新型的無損檢測技術,操作簡單、方便,能很好地彌補鉆芯檢測范圍小及給結構造成二次損傷的不足[3-4]。針對水工隧洞檢測的不同內(nèi)容,可采取不同的檢測方法。高玉鵬將超聲波平測法應用到混凝土裂縫檢測工作中,顯著提升了檢測結果的精準性[5]。朱新民綜合運用高分辨率的紅外熱成像儀、高精度三維激光掃描、輔以測距儀和數(shù)字地質(zhì)雷達,精確地檢測了長距離輸水隧洞的多種病害和缺陷[6]。

本文通過現(xiàn)場踏勘、混凝土裂縫深度檢查、混凝土抗壓強度檢測,混凝土鋼筋銹蝕檢測、復核計算分析等,對高冠渡槽工程運行過程中存在的隱患風險進行辨識,綜合現(xiàn)狀調(diào)查以及現(xiàn)場質(zhì)量檢測分析手段,對高冠渡槽的運行現(xiàn)狀進行安全評價分析。

1 現(xiàn)場檢測方法技術

1.1 檢測內(nèi)容

本次檢測是在不停水的情況下進行,不能進入到渠道內(nèi)部進行檢測。主要檢測項目包括：混凝土外觀質(zhì)量檢查、裂縫檢測、回彈法檢測混凝土強度、鋼筋保護層厚度檢測、鋼筋銹蝕檢測。

1.2 檢測方法

檢測方法為：（1）采用鋼卷尺、鋼直尺、100 倍讀數(shù)顯微鏡和NM-4A 型非金屬超聲檢測分析儀（檢測混凝土裂縫深度）對渡槽的混凝土裂縫進行檢測；（2）采用回彈儀對渡槽的混凝土進行強度檢測,并在有代表性的區(qū)域檢測混凝土碳化深度；（3）采用鋼筋位置測定儀對渡槽的鋼筋保護層厚度進行檢測；（4）采用鋼筋銹蝕測試儀對渡槽的鋼筋銹蝕情況進行檢測。

2 高冠渡槽現(xiàn)場檢測結果及分析

2.1 外觀及裂縫檢測

采用NM-4A 型非金屬超聲檢測分析儀對渡槽的混凝土裂縫進行檢測,檢測過程見圖1~圖2,檢測結果見表1。

表1 高冠渡槽裂縫檢測結果統(tǒng)計表

圖1 1#裂縫

圖2 裂縫檢測

本次檢查發(fā)現(xiàn)槽體底面多處裂縫,混凝土護欄局部破損、鋼筋銹蝕嚴重,連接沉降縫填充物有老化脫落、開裂現(xiàn)象,支墩防護被河水沖刷,均有移位現(xiàn)象,墩頂槽體處均有滲水現(xiàn)象。

2.2 回彈法檢測混凝土抗壓強度

高冠渡槽混凝土設計標號為250#,對應現(xiàn)行強度等級為C23。高冠溝渡槽竣工時間為1996年,混凝土齡期大約為9000 余天,按照《民用建筑可靠性鑒定標準》（GB 50292-2015）中規(guī)定,回彈換算值齡期修正系數(shù)取0.92。

本次高冠渡槽共回彈檢測50 個測區(qū),構筑物強度換算平均值為43.0 MPa,標準差為1.88 MPa,構筑物強度推定值為39.9 MPa,達到設計強度的173.5%?；炷撂蓟疃绕骄禐?.0 mm,碳化分類為A 類。

本次回彈法檢測混凝土抗壓強度檢測結果見表2,檢測過程見圖3 ～圖5。

表2 回彈法檢測混凝土強度檢測結表

圖3 回彈法檢測混凝土抗壓強度

圖4 混凝土碳化深度檢測

圖5 混凝土碳化深度檢測

2.3 鋼筋保護層厚度檢測

根據(jù)GB 50204-2015 標準中規(guī)定,板類構件中,鋼筋保護層厚度允許偏差為+8 mm、-5 mm,設計中要求底板厚度為40 mm,側板厚度為30 mm。本次高冠渡槽鋼筋保護層厚度共抽檢4 個部位,每個部位檢測6 根鋼筋,共檢測24 個測點,其中合格測點23 個,合格率為95.8%,滿足規(guī)范要求。檢測結果見表3,表中黑體加粗的數(shù)字為不合格點位,檢測過程見圖6。

表3 鋼筋保護層厚度檢測結果統(tǒng)計表

表4 高冠渡槽混凝土鋼筋銹蝕匯總表

圖6 鋼筋保護層厚度檢測

2.4 混凝土鋼筋銹蝕檢測

本次高冠渡槽混凝土鋼筋銹蝕檢測,通過觀察選取了三個可能發(fā)生銹蝕的區(qū)域,每個測區(qū)檢測20 個測點,檢測數(shù)據(jù)分別以等值線圖的形式表示,檢測結果見圖7~圖9。通過鋼筋銹蝕檢測數(shù)據(jù)分析,三跨左側銹蝕概率大于95%的測點0個,銹蝕概率50%的測點6個,銹蝕概率小于5%的測點54個。由以上檢測結果結合現(xiàn)場查勘可知,高冠渡槽第三跨左側所檢區(qū)域鋼筋銹蝕概率較小。

圖7 第三跨左側（1#測區(qū)）鋼筋銹蝕檢測等值線圖

圖8 第三跨左側（2#測區(qū)）鋼筋銹蝕檢測等值線圖

圖9 第三跨左側（3#測區(qū)）鋼筋銹蝕檢測等值線圖

3 復核計算分析

3.1 槽下凈空復核

結合渡槽實際情況,復核渡槽槽下凈空,并按《渡槽安全評價導則》（T/CHES 22-2018）標準分級,高冠渡槽的槽下凈空滿足過水要求,評定為A 級。

3.2 槽身過流能力復核

槽身的凈寬B 和凈深H 應一起考慮,即通過考慮深寬比H/B 來擬定（對于矩形槽一般取H/B=0.6~0.8）,根據(jù)擬定的i、B 和H,運用公式計算所得的流量等于或略大于最大流量Qm時,則擬定的i、B 和H 可行。

渡槽的過水流量可按明渠均勻流公式計算：

式中：Q 為渡槽的過水流量；為渡槽過水斷面面積；C 為謝才系數(shù),常用曼寧；n 為糙率系數(shù),鋼筋混凝土槽身可取n ≥0.017,根據(jù)具體情況而定；R 為水力半徑,m；i 為渡槽縱坡。

根據(jù)竣工資料,渠道底寬b=3.100 m；渠道邊坡的糙率n=0.01400。

經(jīng)過復核計算,過水深度為1.336 m,距離頂部凈空滿足《渡槽安全評價導則》（T/CHES 22-2018）要求,其等級評為A 級。

3.3 結構安全復核

3.3.1 計算模型

選取平面有限元方法進行,槽身、墩帽、槽墩及其基礎均采用三維整體計算模型,見圖10。

圖10 高冠渡槽空間分析計算模型

3.3.2 計算工況與計算參數(shù)

計算時考慮的荷載有：（a）槽箱、墩帽、墩柱及基礎自重；（b）二期荷載；（c）水重；（d）風載荷；（e）整體升溫及降溫；（f）人群荷載 。渡槽計算工況見表5。

表5 渡槽計算工況

3.3.3 結構穩(wěn)定計算

高冠渡槽共4 跨,跨度均為15 m,由250#混凝土現(xiàn)澆而成的鋼筋混土結構。槽體為簡支渡槽,其與下部橋墩采用板式橡支座連接?，F(xiàn)場檢測中,所檢構件強度均滿足設計值,在模型計算時均按照設計時材料強度取值,即：250#混凝土軸心抗壓強度設計值11.9 MPa,軸心抗拉強度設計值1.27 MPa；鋼筋為HPB235,軸心抗拉強度設計值為210 MPa。

按照現(xiàn)場實際檢測結果,建立有限元模型,對計算跨中附近截面、支座附近截面各工況承載能力極限狀態(tài)下進行內(nèi)力計算以及對正常使用極限狀態(tài)下跨中彎矩進行計算；對槽身正截面抗彎承載力以及槽身斜截面受剪承載力復核計算；對槽身抗滑穩(wěn)定以及槽身抗傾覆穩(wěn)定復核計算。

經(jīng)建模分析計算,高冠渡槽槽身構件縱向計算的正截面抗彎承載力滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身結構斜截面抗剪承載力中截面滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身結構斜截面抗剪承載力中截面滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；槽身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.1,滿足規(guī)范要求；槽身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為50.6,滿足規(guī)范要求。

4 結論與建議

（1）高冠渡槽的安全性綜合評定結果為二類,工程存在一定損壞或缺陷,所檢指標基本符合規(guī)范規(guī)定,能夠滿足使用要求。

（2）依據(jù)國家行業(yè)現(xiàn)行相關規(guī)范,綜合現(xiàn)場質(zhì)量檢測結果,對高冠渡槽的質(zhì)量等級評定為B 級。

（3）對本次檢測過程中發(fā)現(xiàn)的主體結構混凝土缺陷、鋼筋銹蝕等問題應及時進行處理。

（4）對發(fā)現(xiàn)的D 類裂縫應進行化學灌漿處理,建議采用環(huán)氧基灌漿材料灌縫,表層采用環(huán)氧膠泥或玻璃絲布上刷環(huán)氧樹脂等方式封閉。