大型输水渡槽工程检测评估及缺陷处理技术简介

刘志军，张森林，徐明明

（1.漳卫南运河管理局德州水利水电工程集团有限公司，山东 德州 253009；2.漳卫南运河管理局防汛机动抢险队，山东 德州 253009）

大型输水渡槽工程检测评估及缺陷处理技术简介

刘志军1，张森林2，徐明明1

（1.漳卫南运河管理局德州水利水电工程集团有限公司，山东 德州 253009；2.漳卫南运河管理局防汛机动抢险队，山东 德州 253009）

山西禹门口黄河提水工程是大型综合性水利工程。由于工程施工标准低以及长期在恶劣环境中运行等因素的影响，渡槽混凝土出现老化病害现象，成为工程的主要安全隐患。采用人工普查、钢筋定位仪、钢筋锈蚀仪、超声波探测仪等多种设备，对10座渡槽进行了全面系统的检测评估。针对禹门口工程的特点，提出大变形伸缩缝止水、渡槽内防渗减糙、混凝土防碳化等处理措施。经过运行检验，工程处理取得良好的效果，该技术对类似工程具有一定的借鉴价值。

大型输水渡槽；检测评估；防渗；SK单组份聚脲

山西禹门口黄河提水工程属于综合性大型水利工程，设计总灌溉面积33 213 hm2。禹门口灌区二级干渠段有14座渡槽，其中3#渡槽、4#渡槽、11#渡槽和13#渡槽属于大跨度输水建筑物。由于渡槽运行近20 a，输水建筑物病害现象越来越严重，存在混凝土剥落、钢筋锈蚀、碳化、裂缝等不良现象。这些病害直接或间接地影响输水工程的安全使用和运行，对干渠的长期运行构成安全隐患，阻碍了工程效益的发挥。2016年，对干渠沿线10座渡槽进行了全面的检测评估，并对其中发现的各类缺陷制定了有效可行的处理方案。

1 工程检测评估项目及结果

鉴于山西禹门口工程的重要性，本次检测在干渠全线排空基础上实施，采用了人工普查、超声波探测仪、钢筋锈蚀仪等多种先进仪器设备，开展了伸缩缝、裂缝深度、钢筋锈蚀、保护层厚度、渗水点、混凝土剥蚀等常规项目和专项检测项目的检测工作。

1.1 检测评估项目及分类

渡槽主体结构常规检测项目包括：①检查渗水点的断面位置、桩号、渗出状态、渗水点尺寸等；②检查钢筋锈蚀的痕迹、断面位置、桩号、锈蚀面积等；③检查伸缩缝的表面外观、止水有无老化破损、漏水等；④检查混凝土表面疏松层和剥蚀桩号、剥蚀面积及深度、露筋等；⑤检查裂缝断面位置、桩号、长度及宽度、析出物和附着物等；⑥采用锤击方式，检查混凝土结构有无内部缺陷，有无脱空发生。专项检测包括混凝土强度（取芯检测及回弹法检测）、钢筋锈蚀、碳化深度、裂缝深度、钢筋保护层深度等。

1.2 检测评估方法及原理

1.2.1 混凝土强度

混凝土强度是混凝土性能的一个重要指标，通过检测混凝土的强度，为正确评估混凝土结构物的耐久性和安全提供真实可信的依据。回弹法是基于混凝土表面硬度和强度之间存在相关性而建立的一种检测方法。采用一弹簧驱动的重锤，通过传力杆，弹击混凝土表面，并测出重锤被反弹回来的距离，以回弹值作为与强度相关的指标，来推定混凝土强度。采用取芯样强度法实测混凝土的抗压强度，用以复核回弹法强度检测值。取芯法是目前最直观、最准确的检测水工建筑物混凝土强度的方法。混凝土芯样抗压强度测试按照《水工混凝土试验规程》（SL/352-2006）进行。

1.2.2 混凝土碳化深度

混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2渗透到混凝土内，与碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有较好的保护作用，使钢筋表层生成难溶的Fe2O3和Fe3O4。混凝土碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土保护层时，在水与空气存在的条件下，会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈，产生体积膨胀，当膨胀应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土将产生顺筋向裂缝。钢筋锈蚀引起的裂缝和混凝土剥落对混凝土结构的安全影响较大。

测量混凝土碳化深度的方法是用电动冲击钻在被检测部位钻1个7 cm×2 cm的孔洞，用1%酚酞乙醇溶液滴在孔洞内壁处，使用游标卡尺测量已碳化与未碳化交界面到混凝土表面的垂直距离，测量5次取其平均值。该距离为混凝土的碳化深度值。

1.2.3 混凝土裂缝深度

利用超声波绕过混凝土裂缝末端的传播时间计算混凝土裂缝的深度。

1.2.4 混凝土钢筋锈蚀

混凝土结构中钢筋锈蚀是钢筋化学反应的结果。钢筋锈蚀使钢筋有效截面积和混凝土包裹力减小，其产生的膨胀会造成混凝土保护层脱落，影响建筑物结构的稳定。导致钢筋产生锈蚀的原因有两个：一是Cl—等酸性离子的侵蚀作用，二是混凝土的碳化深度超过钢筋的保护层厚度。钢筋锈蚀检测按照《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）第7.9节半电池电位方法进行。

1.2.5 混凝土钢筋保护层厚度

钢筋混凝土保护层的厚度是影响其耐久性的重要指标，《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）对钢筋保护层的厚度有明确的规定。渡槽内壁属于三类环境，但考虑到抗冲磨的影响，需将其提高到四类环境，保护层厚度应为45 mm；槽身外壁的保护层应为25 mm；排架工作环境属于二类环境，参照对柱的要求，其保护层厚度应为35 mm。

钢筋扫描仪是一种高技术的钢筋定位仪，可以测量埋深3 m以内的保护层厚度和钢筋间距，还能估算埋深2 m以内的钢筋直径。这里，利用其直径测试功能来检测钢筋直径和保护层厚度。

1.3 检测评估结果

1.3.1 外观质量

渡槽槽身主要缺陷有混凝土剥蚀、钢筋外露锈蚀、伸缩缝止水破坏、拉杆顺筋裂缝、原有修补砂浆空鼓开裂等。排架混凝土结构锈胀现象普遍，立柱和梁有顺筋裂缝，部分顺筋裂缝较长，部分梁混凝土剥蚀严重，且钢筋已经锈蚀。

1.3.2 混凝土强度

结合钻芯取样和回弹法检测了渡槽混凝土的强度，检测结果表明渡槽槽身及排架混凝土的强度均满足设计要求。

1.3.3 裂缝

槽身裂缝大多是出现在槽身内壁的环向裂缝和外壁支座的裂缝。检测结果表明槽身内壁环向裂缝深度较深，部分已贯穿槽身，但由于泥土充填，未发现明显渗漏通道；外壁支座的裂缝因没有接触到水，所以目前没有形成严重渗漏通道。排架裂缝常见的表现形式为钢筋锈蚀引起的顺筋开裂，部分顺筋开裂与排架通长，局部混凝土剥落。

1.3.4 钢筋保护层厚度

在槽身结构钢筋部位选取若干测点，使用钢筋位置测定仪测量钢筋混凝土保护层厚度。检测结果表明，渡槽槽身及排架钢筋保护层平均厚度基本满足设计要求，测点的分布比较广且分布零散，部分点测值小于设计值；槽身内壁和排架碳化深度均已接近或超过钢筋保护层厚度设计值。

1.3.5 钢筋锈蚀

钢筋锈蚀检测发现，混凝土表层较好的部位内部钢筋没有锈蚀，但表面修补过或表面有锈胀、顺筋裂缝等缺陷的部位内部钢筋已经发生锈蚀。由于原施工工艺的条件限制，渡槽槽身腰线部位及底板部位钢筋保护层厚度偏薄，钢筋的外露及锈蚀较普遍，钢筋锈蚀后有效截面减小，钢筋与混凝土间的粘结力降低，极大影响结构的承载能力。现场检测结果表明，槽身内壁单个钢筋锈蚀后截面损失率基本上在10%～60%。槽身拉杆顺筋裂纹中钢筋锈蚀严重，受力钢筋截面损失率约为30%，对结构承载力影响较大。

1.3.6 伸缩缝渗漏

渡槽伸缩缝宽30 mm，在伸缩缝处留宽150 mm、深40 mm的槽，槽内填充胶泥麻丝，槽底铺设聚氯乙烯胶泥粘贴3层玻璃丝布，槽内上部使用未膨胀水泥砂浆填平。水泥砂浆膨胀变形时，因其属于刚性材料，故不能适应伸缩缝的变形，导致缝内止水被破坏，造成伸缩缝产生渗漏现象。随着渡槽长时间的运行，其止水失效、钢筋锈蚀等不利因素的作用更加剧了渗漏现象的发生。

伸缩缝漏水造成支座及排架混凝土冻融破坏。现场测量的最严重渗水冻融剥蚀区域槽身支座的箍筋有效截面损失为27%，受力钢筋有效截面损失约为47.4%；排架支座的箍筋有效截面损失为83%，受力钢筋截面损失为51%。结果表明渗水冻融剥蚀对结构影响较大，不仅导致钢筋有效截面减少，而且造成表层混凝土大面积脱落，严重危害渡槽结构安全。

2 主要缺陷处理措施

2.1 混凝土剥蚀和破损部位处理

渡槽槽身内壁及排架存在的混凝土剥蚀缺陷和局部冲蚀破坏的区域，采用聚合物水泥砂浆对表面进行修复处理，聚合物水泥砂浆使用高分子丙烯酸乳液改性水泥砂浆，厚度以达到钢筋保护层为止。为了保证界面有较高的粘结性能和良好的接触，在混凝土结合面涂刷界面剂。其工艺流程如下：①凿除破损和松动的混凝土，并用高压水清洗；②出露的钢筋如发生锈蚀，首先进行除锈处理，如钢筋锈蚀后截面有损失的进行补筋处理；③涂刷聚合物砂浆界面剂，做到薄而均匀；④涂刷后摊铺聚合物水泥砂浆；⑤施工完成后聚合物砂浆表面要保湿养护。

2.2 混凝土裂缝处理

渡槽内有纵向裂缝和环向裂缝，裂缝对结构承载能力有较大的影响，易造成混凝土结构的渗漏，降低混凝土结构的耐久性。因此，对缝宽小于0.2 mm的裂缝表面直接进行防渗封闭处理，对于缝宽大于0.2 mm的裂缝先进行化学灌浆处理再进行防渗封闭处理，以恢复混凝土结构的防渗性和整体性。由于渡槽槽身混凝土厚度较薄，所以采用骑缝贴嘴灌浆的方式进行处理。其施工流程如下：施工准备→查缝定位→基础处理→布孔、安装灌浆嘴→封缝→准备注浆设备和材料→灌浆→拆除注浆嘴→涂刷单组份聚脲材料封闭。

2.3 伸缩缝止水修复处理

由于渡槽伸缩缝最大缝宽50 mm，最大变形位移超过20 mm，为了保障渡槽伸缩缝修复后的止水效果，采用能够适应较大变形的柔性止水结构形式进行处理。针对禹门口工程的特点和要求，现场采用嵌填U形橡胶止水带结合SK单组份手刮聚脲表面防渗封闭的结构形式。伸缩缝止水修复方案设计，如图1所示。

图1 渡槽伸缩缝止水修复方案设计

该U形橡胶止水结构的特点有：①底部安装的U形橡胶止水带根据接缝的变形量逐步随其位移而变化，可以避免橡胶止水带产生较大的应力发生撕裂而影响止水效果；②U形橡胶止水带与聚合物纤维水泥砂浆相结合，增加了其耐久性；③表面涂刷SK单组份手刮聚脲在保护底部止水带时也能起到止水作用，同时SK单组份手刮聚脲的伸长率也能够满足伸缩缝的防渗要求。

2.4 槽身内部防渗减糙处理

SK单组份手刮聚脲涂层可较大程度地提高渡槽的耐久性和防渗性，减小渡槽糙率，提高渡槽过流能力。采用SK单组份手刮聚脲涂层对槽身内进行全断面防渗减糙处理。其工艺流程如下：①进行混凝土基面打磨，并用高压水枪冲洗，混凝土表面局部孔洞用高强找平腻子找平；②底面处理后，在混凝土表面涂刷界面剂；③待界面剂表面干后涂刷一遍SK单组份手刮聚脲，涂刷厚度不超过1 mm，后续涂刷在前一遍涂刷表面干后进行，直至厚度达到设计要求，涂层厚度不小于2 mm；④进行常温养护。

2.5 槽壳外壁及排架防碳化处理

混凝土缺陷修复处理完成后，为了增加混凝土的耐久性，对渡槽槽壳外壁及排架混凝土表面采用柔性VAE防碳化涂料进行涂刷。其工艺流程如下：①将混凝土表面的破损、脱落部分剔除至结构密实部位，对经过清理、剔凿和露筋的混凝土部分进行修补复原后再全面打磨清洗；②在打磨清洗后的混凝土表面辊涂VAE防碳化涂料3—4遍，厚度大于1 mm。

3 处理效果评价

处理后的渡槽经过过水等试验，未出现渗水、漏水的现象，达到了预期效果。停水期间，对渡槽进行了全面检查，结果表明处理后的区域质量良好，聚脲防渗涂层及防碳化涂层外观未现异常。由此可见，修复处理方案可行有效，工程的安全性和输水能力得到有效的提升。

在渡槽放空人工检查的基础上，采用TJ-10型粘接强度检测仪对渡槽内SK单组份聚脲材料与混凝土的粘接强度进行检测，检测数据见表1。

表1 SK单组份聚脲材料与混凝土的粘接强度平均值

4 结论与建议

本项目是在对山西禹门口提水工程输水渡槽全面检测评估基础上，针对该工程混凝土缺陷问题，使用了多种先进仪器设备进行检测，除常规项目外还进行了专项检测，检测技术规范、方法合理。同时，对检查中发现的主要缺陷，结合工程现场实际情况，提出了切实可行的修复处理方案。从通水运行的情况来看，实施处理后渡槽渗漏问题得到了彻底解决，混凝土耐久性大幅度提高，保证了禹门口黄河提水工程的正常运行，为今后类似工程检测评估和缺陷处理提供了借鉴和参考。

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1004-7328（2017）05-0050-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.017

2017—05—22

刘志军（1973—），男，高级工程师，主要从事水利工程建设工作。