石头河水库混凝土结构检测与耐久性分析

汪繁荣,符玉红

(长江工程职业技术学院,湖北 武汉 430212)

1 问题的提出

石头河水库位于陕西省西安市西南方130 km的眉县斜峪关石头河下游谷口处,是20世纪80年代陕西关中地区建成的一座以灌溉为主,结合发电、防洪、养殖等综合利用的大(2)型水利工程。水库控制流域面积673 km2,总库容1.47亿m3,有效库容1.20亿m3,设计年调节水量2.70亿m3。大坝正常蓄水位801.00 m,死水位728.00 m,坝顶高程808.00 m。大坝100 a一遇设计,设计洪水位为801.00 m;2 000 a一遇校核,校核洪水位为803.88m。

石头河水库设计灌溉面积8.53万hm2(128万亩)。随着社会经济的进一步发展,石头河水库除满足现状农业供水外,又承担了向西安及未来咸阳、杨凌、宝鸡等城市的供水任务,同时肩负着为渭河消减洪峰的防洪任务。

枢纽工程由拦河坝、输水洞、泄洪洞、溢洪道和坝后电站组成。本工程的泄水建筑物为溢洪道和泄洪洞,输水建筑物为输水洞。

经20多年运行后,输、泄水建筑物存在混凝土结构老化、破损,金属结构出现锈蚀,机电设备出现老化、陈旧等问题,给该水库枢纽的安全运行构成了安全隐患。为给该水库枢纽的安全鉴定和除险加固提供依据,必须对该枢纽的输泄水混凝土结构进行全面的检测和结果分析。

2 检测内容与依据

对于水工建筑物混凝土的健康状况是以其强度、密实性(不透水性)、整体性、均匀性和表面状态等来确定的。由于历史原因,本工程原有检测和试验资料成果缺乏。依据JGJ/T 23—2001《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》和DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》对混凝土结构做了4方面现场检测:①裂缝、缺损渗漏等外观缺陷;②强度、碳化深度及钢筋保护层厚度等反映混凝土工程现状质量的指标;③伸缩缝、止水缝的损坏和错位状况;④钢筋的锈蚀程度。

3 检测结果与分析

本次检测的混凝土结构包括溢洪道进水渠导墙、进水渠底板、工作桥、交通桥、闸墩、溢流堰、泄槽边墙、泄槽底板,泄洪洞进水塔启闭机室排架、进水塔塔筒、洞身侧墙、东深底板,输水洞放水塔启闭机室排架、洞身混凝土衬砌。

3.1 外观质量与混凝土裂缝

3.1.1 溢洪道

溢洪道由进水渠、控制段、泄槽、挑流鼻坎及尾水渠5部分组成。

进水渠导墙多处出现跑模现象,左、右导墙的内侧基本完好。左导墙外侧多处出现钢筋锈胀外露或混凝土胀裂现象,共计9处累计28.70 m。与右导墙连接的浆砌石挡墙部分砂浆脱空,右侧进水口岸坡较破碎,采取喷射混凝土防护,目前喷射混凝土多处出现破坏,岩体外露。进水渠底板完整,分缝未见明显异常。工作桥大梁基本完整,未见表面裂缝、破损。交通桥中孔下游侧大梁2/3长度钢筋出现锈胀、混凝土剥落。闸墩表面普遍风化、露砂。溢流面未见异常,分缝基本正常。堰底有较多杂物,并生长有杂树、杂草。西孔溢流面有1条裂缝,缝中有白色钙质析出。泄槽边墙普遍风化较严重。表面有不规则裂缝,估计是施工阶段收缩形成的表面裂缝。墙根部有多处钢筋锈胀、混凝土脱落现象,其中左边墙71处约14.00 m,右边墙56处约11.00 m。

泄槽底板沿溢洪道轴线方向划分成25块,其中渐变段3块、一级陡坡7块、二级陡坡15块,垂直溢洪道轴线方向划分成东、中、西3块。泄槽底板上出现大量裂缝,裂缝有2类:一类是不规则的龟状裂缝,裂缝宽度小于0.05 mm,估计是施工阶段的收缩缝;另一类是与溢洪道轴线垂直的横向裂缝,或与轴线平行的纵向裂缝,缝宽在0.05～0.20mm,有些裂缝沿横向或纵向贯穿整块底板,该类裂缝估计是施工阶段水化热或运行阶段昼夜温差引起的温度裂缝。第一类裂缝分布不规则,未作统计;第二类裂缝统计结果为:除二级陡坡的15底板淹没在水中无法检查外,其余可检查的72块底板中,共计53块出现裂缝,占总块数的74%。裂缝总计125条,累计长度760.00 m。底板分缝填料老化、破损较严重,部分分缝内长满杂草。底板表面局部出现冻融破坏,渗水并长出青苔,底板与两侧边墙连接的部位局部渗水并长出青苔。二级陡坡第15#块及挑流鼻坎反弧段内积水,并生长树木及杂草。

3.1.2 泄洪洞

进水塔启闭机室排架外观正常,未见破损及裂缝。

2008年“5.12”汶川地震后,管理单位对进水塔塔筒进行了检查,在塔筒内壁上共发现16条裂缝,其中纵向裂缝8条,横向裂缝8条,缝宽小于0.2 mm。

洞身底板反弧段末端桩号0+345.09～0+349.95 m混凝土底板出现冲刷破坏,面积18 m2,最大深度12 cm。据有关资料该处在1992年汛末检查时曾发现冲刷破坏,1996年4—5月采取浇筑细石环氧混凝土,环氧砂浆抹面等办法修复,但在1998年8月21日9时泄洪流量为639 m3/s时再次冲刷所致。

洞身侧墙:1998年8月21日泄洪流量达639 m3/s(设计能力的75%)时,桩号0+280.00 m处的右侧墙被冲坏。水毁面积约15 m2,最大深度0.30 m,墙内原布设的钢筋外露、变形,其中5根钢筋断裂翻起,8根钢筋被扭曲,下游侧止水带翻起,沿竖向施工缝向外流水,在墙高4.00 m处有一集中渗流孔向外射流。2002年5月对水毁处采用预埋锚杆,加布钢筋并用C30混凝土进行了修补。

3.1.3 输水洞

放水塔启闭机室排架外观正常,未见破损及裂缝。

本次未能检测消力池,但据管理单位介绍,消力池曾出现过冲蚀破坏。1990年8月检查发现消力池桩号0+105.50～0+134.50 m段,长29.00 m的底板和侧墙产生不同程度的冲刷破坏。0+117.50～0+122.50 m段,长5.00 m的表面钢筋冲坏,出现5个大小不等的深坑,最大深度80 cm;0+122.50～0+130.50 m段,长8.00 m底板混凝土保护层破坏,面层钢筋弯曲变形。侧墙在桩号0+114.00～0+132.50 m段1.00 m高度以下均被冲蚀,最大深度11.5 cm,局部钢筋外露。

1994年3月,按原设计对破坏部位重新布设了钢筋,用高标号混凝土做了修补处理后运行至今。

3.2 混凝土强度

对输水、泄水建筑物主要构件采用回弹法检测抗压强度。检测结果见表1。由表1可见,溢洪道进水渠导墙、进水渠底板、闸墩、溢流堰、泄槽边墙、泄槽底板,泄洪洞进水塔启闭机室排架、进水塔塔筒,输水洞放水塔启闭机室排架,大坝防浪墙的混凝土强度推定值分别为17.6,18.7,23.3,39.1,25.6,37.1,36.1,20.7,38.2 MPa,均达到原设计强度值。

表1 混凝土抗压强度回弹法检测结果表

3.3 碳化深度及钢筋保护层厚度检测

溢洪道主要构件碳化深度及钢筋保护层厚度统计结果见表2。由表2可见,进水渠导墙、闸墩、泄槽边墙、泄洪洞进水塔启闭机室排架、进水塔塔筒、大坝防浪墙碳化深度较大,平均值分别为23.9,22.1,48.0,25.3,21.6,26.7 mm,最大值分别达到36.0,60.0,75.0,37.0,46.0,33.0 mm。其余构件碳化深度平均值均较小,均在10.0 mm以内。

表2中的钢筋保护层厚度设计值为原设计采用值,某些构件的设计未能查到。表中的实测平均值系根据多个测点的测值平均得到。

表2 混凝土碳化深度及钢筋保护层厚度检测结果表 mm

3.4 钢筋的锈蚀

钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀会导致钢筋的受力面积减小,钢筋和混凝土之间的粘结力下降,因此有必要对钢筋的锈蚀进行检测。实际检测过程中,采用钢筋锈蚀检测仪进行检测(半电池电位法),其原理是通过测量钢筋的自然腐蚀电位判断钢筋的锈蚀程度。

溢洪道进水渠底板、闸墩、溢流堰、泄槽底板、泄洪洞进水塔启闭机室排架、泄洪洞进水塔塔筒、输水洞放水塔启闭机室排架钢筋保护层完好,内部钢筋没有锈蚀。

溢洪道进水渠导墙少量保护层较小处钢筋锈蚀、混凝土胀裂,最大锈蚀率12%;泄槽边墙多处钢筋锈蚀,混凝土胀裂,最大锈蚀率21%;大坝防浪墙少量保护层较小处钢筋锈蚀。

3.5 钢筋混凝土结构耐久性评价

将本次混凝土碳化深度、钢筋保护层厚度、钢筋锈蚀检测结果列于表3,分析、判断结构混凝土钢筋锈蚀现状,评价其耐久性。由表3可见,溢洪道进水渠底板、闸墩、溢流堰、泄槽底板、泄洪洞进水塔启闭机室排架、泄洪洞进水塔塔筒、输水洞放水塔启闭机室排架属未锈蚀阶段;大坝防浪墙少量保护层较小处钢筋锈蚀,属锈蚀初期;进水渠导墙、泄槽边墙多处钢筋锈蚀,混凝土胀裂,部分测点碳化深度接近钢筋保护层厚度,属锈蚀中期。

表3 主要钢筋混凝土构件耐久性评价表

4 结 语

检测结果表明,本工程输、泄水建筑物混凝土实测强度均达到原设计强度值,满足现行设计规范的要求。溢洪道引水渠左、右导墙的内侧基本完好,泄槽边墙普遍风化严重,底板上有大量裂缝。溢洪道进水渠底板、闸墩、溢流堰、泄槽底板、泄洪洞进水塔启闭机室排架、泄洪洞进水塔塔筒、输水洞放水塔启闭机室排架属未锈蚀阶段;进水渠导墙、泄槽边墙多处钢筋锈蚀,混凝土胀裂,部分测点碳化深度接近钢筋保护层厚度,属锈蚀中期。由此可以确定该部分建筑物还能正常使用。但鉴于目前输泄水建筑物部分结构达到锈蚀中期、大量开裂,所以该部分结构存在安全隐患。

建议混凝土开裂、钢筋锈蚀达到中期的部位要进行加固处理:对缝宽0.2 mm以上的裂缝进行封闭或者灌浆;尽可能敲掉已经碳化的混凝土,再对混凝土表面及钢筋表面做喷砂处理;用环氧树脂砂浆进行断面修复及表面覆盖处理,再用聚氨酯类材料做表面覆盖。

[1]龚洛书.柳春圃.混凝土的耐久性及其防护修补[M].北京:中国建筑工业出版社,1990.

[2]李红彦,王立华.陕西省西安市石头河水库大坝结构安全分析评价报告 [R].南京:南京水利科学研究院,2010.

[3]洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京:中国铁道出版社,1998.

[4]田瑜,倪月武,风雅.某钢筋混凝土桥钢筋锈蚀产生原因及修补方法[J].世界桥梁,2009(03):59-60.