会泽里渡槽槽身再利用评估与加固研究

项和平

(衢州市铜山源水库管理局，浙江 衢州 324017)

会泽里渡槽槽身再利用评估与加固研究

项和平

(衢州市铜山源水库管理局，浙江 衢州 324017)

铜山源灌区会泽里渡槽槽身由于预应力张拉，在渡槽槽身端部、底部引起较大拉应力，导致产生纵向裂缝.通过对典型渡槽底板裂缝宽度、深度及长度进行检测，采用三维有限元及结构力学方法，进行既有槽身底板存在纵向裂缝的情况下应力分布及承载力计算，对槽身再利用进行评估，进而研究槽身补强加固措施，从而防止裂缝处钢筋锈蚀等影响混凝土结构耐久性，对类似渡槽工程加固以及安全运行具有参考意义.

渡槽；纵向裂缝；再利用评估；加固

铜山源灌区会泽里渡槽始建于1978年，渡槽于2000年进行了加固修复，将排架进行外包混凝土加固，对槽身进行更换，槽身为预应力钢筋混凝土.会泽里渡槽加固后运行至今已有17 a，槽身端部、底部发现纵向裂缝.在水利工程建筑物中，裂缝是普遍存在的问题，其中最常见的就是混凝土裂缝，它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力，影响建筑物的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀、混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响建筑物的承载能力[1-2].因此，需对会泽里渡槽槽身再利用进行研究评估并提出裂缝处理方案.

1 概 况

会泽里渡槽位于浙江省衢州市龙游县境内，该渡槽由东向西横跨320国道、模环溪、316省道，渡槽为简支梁矩形渡槽，渡槽总长700.9 m，共47跨，第一跨跨度为10.9 m，其余每跨跨度为15 m，拉杆间距1.5 m，渡槽设计过水流量2.87 m3/s，加大流量3.46 m3/s.槽身断面布置及槽身配筋布置(见图1～图4).

图1 跨中断面

图2 端部断面

图3 跨中断面

图4 端部断面

2 槽身裂缝情况

由于工程的特殊性,引起预应力混凝土裂缝的原因有多种,分别为载荷、次应力、钢筋腐蚀、温度变化、混凝土自身应力等[3].通过对会泽里渡槽的检查发现，槽身除了端部裂缝外，沿槽身底板全长发现两条主裂缝(见图5).裂缝有以下特征：

(1)目测裂缝宽度发展较宽，端部侧面超过0.4 mm.

(2)除在槽身端部裂缝处外，底板下部裂缝绝大部分未发现有游离钙析出，说明裂缝未贯穿到槽身底板迎水面.

(3)初步判断渡槽槽身底板纵向裂缝成因是由于预应力张拉在渡槽端部引起较大拉应力，起裂位置在端部，之后在水压力等荷载作用下向跨中发展.

图5 槽身裂缝示意图

2.1 裂缝宽度检测结果

槽身底板裂缝宽度均<0.3 mm，大部分在0.15～0.29 mm之间.槽身端部侧面裂缝宽度较宽，在0.35～0.50 mm之间.

2.2 裂缝深度检测结果

槽身底部裂缝深度在30～52 mm之间，占底板厚度的25%～43.3%；槽身端部侧面裂缝深度较深，约62.0 mm，占端部加厚区域的12.4%.

3 结构复核计算

3.1 有限元模型

渡槽槽身的有限元计算整体模型(见图6).总体直角坐标系取X向为横河向(指向右岸)，Y的正向为顺水流方向，Z轴为竖向(向上为正)，X-Y-Z构成右手坐标系统.计算时，根据裂缝检测，在底板裂缝相应位置设置裂缝单元.

图6 有限元网格图

3.2 有限元计算成果

3.2.1 设计水位工况

(1)槽身跨中挠度最大，无裂缝、有裂缝工况下分别为0.79 mm、0.74 mm.

(2)纵向绝大部分为压应力，无裂缝、有裂缝工况压应力分布基本相同，最大压应力分别为5.0 MPa、5.16 MPa；靠近端部侧墙顶部局部区域产生拉应力，无裂缝、有裂缝工况最大拉应力分别为0.50 MPa、0.56 MPa.

(3)横向正应力方面，主要在槽身端部的底板部位，产生较大的拉应力，无裂缝、有裂缝工况最大

拉应力分别为3.08 MPa、2.88 MPa；在底板横向跨中，产生顺水流向的拉应力条带，无裂缝、有裂缝工况最大拉应力分别为0.70 MPa、0.54 MPa.

3.2.2 半槽水位工况

(1)槽身跨中挠度最大，无裂缝、有裂缝工况下分别为0.14 mm、0.38 mm.

(2)纵向绝大部分为压应力，无裂缝、有裂缝工况压应力分布基本相同，最大压应力分别为6.0 MPa、5.63 MPa；靠近端部侧墙顶部局部区域产生拉应力，无裂缝、有裂缝工况最大拉应力分别为0.40 MPa、0.52 MPa.

(3)横向正应力方面，主要在槽身端部的底板部位，产生较大的拉应力，无裂缝、有裂缝工况最大拉应力分别为3.15 MPa、3.01 MPa；在底板横向跨中，产生顺水流向的拉应力条带，无裂缝、有裂缝工况最大拉应力分别为0.40 MPa、0.52 MPa.

3.2.3 满槽水位工况

(1)槽身跨中挠度最大，无裂缝、有裂缝工况下分别为1.08 mm、1.05 mm.

(2)纵向绝大部分为压应力，无裂缝、有裂缝工况压应力分布基本相同，最大压应力分别为5.2 MPa、5.6 MPa；靠近端部侧墙顶部局部区域产生拉应力，无裂缝、有裂缝工况最大拉应力分别为0.50 MPa、0.56 MPa.

(3)横向正应力方面，主要在槽身端部的底板部位，产生较大的拉应力，无裂缝、有裂缝工况最大拉应力分别为3.33 MPa、2.80 MPa；在底板横向跨中，产生顺水流向的拉应力条带，无裂缝、有裂缝工况最大拉应力分别为0.85 MPa、0.71 MPa.

因此可以认为，在设计水位工况、半槽水位工况以及满槽水位工况下底板裂缝出现后对渡槽槽身变形和应力状态有一定程度影响，但影响不大.渡槽设计水位工况、半槽水位工况及满槽水位工况下槽身位移、应力(见表1).

表1 槽身位移、应力汇总表

3.3 复核结论

通过《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL482—2011)，对渡槽进行复核，混凝土强度等级、结构尺寸要求均符合规定[4].

由有限元计算成果可知，有无裂缝对槽身变形和应力分布影响程度不大，且由于渡槽槽身裂缝为纵向，因此可知：(1)既有裂缝对槽身纵向结构承载力没有影响；(2)既有裂缝对槽身横向结构侧墙承载力没有影响；(3)既有裂缝对槽身横向结构底板承载力有影响，需要根据检测裂缝深度与混凝土受压区高度之间关系进一步复核分析.

按《水工混凝土结构设计规范》(SL191—2008)进行纵向结构复核和横向结构复核，结果均满足要求[5].

综合会泽里渡槽现场槽身底板裂缝检测、三维有限元分析计算成果及承载力复核，结合类似渡槽工程，可以得到：(1)渡槽槽身端部侧面裂缝宽度较宽、深度较深，其他部位最大裂缝宽度未超过0.3 mm，最大深度为51.2 mm，占底板厚度的42.7%，未贯穿底板.(2)三维有限元和结构力学分析结果表明，既有的裂缝对槽身变形和应力状态影响不大；既有的裂缝下槽身纵向、横向承载能力均满足规范要求.但不影响槽身纵向、横向承载能力，各工况下承载力均满足规范要求.(3)考虑裂缝对渡槽混凝土耐久性和钢筋锈蚀影响，需要对裂缝进行封闭处理.(4)考虑到渡槽安全可靠运行，受力钢筋在后期运行过程中可能的锈蚀以及增加维护费用等，建议对槽身进行一定程度的加固处理.

4 槽身裂缝处理技术方案

钢筋混凝土梁构件的传统加固方法包括加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法和托梁拔柱加固法，纤维增强复合材料(FRP)加固方法包括非预应力FRP和预应力FRP加固方法[6].根据会泽里渡槽实际情况，不宜采用增加截面加固法、外粘型钢加固法及外加预应力法[7]，比较适宜的方法为碳纤维布加固法.

4.1 粘贴碳纤维布加固法

碳纤维加固修补混凝土结构技术是一项新兴的结构加固技术，用于补强加固混凝土构件及改善结构的受力性能.碳纤维布作为高性能结构加固材料，具有轻质、耐腐、高强及施工便利等特点，在加固领域得到了广泛的应用[8].碳纤维布加固法技术方案施工相对简单、速度快，且不对槽身造成损伤.在渡槽槽身两头的端部侧面和底板底部纵向全长、1.3 m的宽度范围内，采用粘贴250 g或者300 g高强度I级碳纤维布进行加固.简要技术方案为：粘贴前先将混凝土表面打磨处理，并清理干净；在混凝土面上均匀底胶，利用修补胶扫平混凝土表面；配置碳纤维布粘结用胶结剂，均匀涂刷至修补后的混凝土表面，将碳纤维布用劈刀或滚筒均匀碾压，排除气泡，直至粘接剂充分浸润，之后在表面再均匀涂抹碳纤维布粘接剂.粘贴后，外面涂刷防碳化涂料层.施工工艺流程(见图7).

图7 施工工艺流程图

4.2 材料性能

纤维复合材浸渍/粘贴用胶结剂、底胶及修复胶性能指标(见表2～表4).

表2 碳纤维布浸渍/粘结用胶结剂安全性能指标

表3 底胶安全性能指标

表4 修补胶安全性能指标

4.3 施工要点

施工应在5℃以上环境温度条件下进行，如果环境温度低于5 ℃，应使用适于低温的特殊胶种或采用其它加温处理措施，如温度低于0 ℃应暂停施工.对表面经过剔凿、处理锈蚀露筋可能出现的急剧凹陷或构件缺损部位，用环氧树脂砂浆修补平整，以保证结构件表面平整美观.为保证新旧混凝土外观上的统一，建议先在碳纤维布表面粘粗砂，然后用空压泵喷涂一层水泥胶砂，使处理后建筑物表面颜色一致.自然养护24 h内确保不受外力硬性冲击等干扰，每道工序过程中或完成后，采取措施保证不受污染或雨水侵蚀，自然养护时间为5 d左右.同时按《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》(CECS146—2003(2007))规定的施工质量现场检验方法，检验证拉粘结强度，并按该方法对施工质量进行判定[9].

5 结 语

采用三维有限元技术,建立预应力矩形渡槽有限元模型,考虑结构自重、预应力、风载、水载对渡槽的影响,按水工混凝土结构设计规范(SL191—2008)要求,分析既有的槽身存在底板纵向裂缝的情况下应力分布及承载力，对槽身的再利用进行评估，为预应力矩形渡槽施工的设计提供一定的理论依据，进一步提出纤维复合材加固法，对类似工程加固提供参考.

[1] 崔恒春.浅谈混凝±裂缝的成因及预防措施[J].江苏商报·建筑界,2013(23):71-72.

[2] 吴才林.水利工程建筑常见裂缝问题与解决方法[J].大科技，2014(19)：164-165.

[3] 黄曙升.桥梁大跨度预应力混凝土裂缝研究[J].江西建材，2012(6)：185-186.

[4] 中华人民共和国水利部.SL482—2011中国标准书号[S].北京：中国水利水电出版社，2011.

[5] 中华人民共和国水利部.SL191—2008中国标准书号[S].北京：中国水利水电出版社，2008.

[6] 柯昌君，朱淳钊.钢筋混凝土梁加固方法研究[J].长江大学学报:自然科学版,2015,12(1)：66-69.

[7] 袁 浩.钢筋混凝土结构加固设计优化研究[D].长沙：湖南大学，2001.

[8] 王声毅.碳纤维布在钢筋混凝土梁中的加固与应用[J].引文版:工程技术，2015(32)：151-151.

[9] 国家工业建筑诊断与构造工程技术研究中心.CECS146—2003(2007) 碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2007.

StudyonEvaluationandReinforcementofAqueductsinHuizeli

XIANG He-ping

(Quzhou City Tongshanyuan Reservoir Administration Bureau, Quzhou 324017, China)

The crack on Huizeli Aqueduct in Tongshanyuan irrigation area was caused by the prestressing tension which led to the big vertical crack on the end and the bottom of the aqueducts body. Through the detection on the width, depth and length of the typical aqueducts floor, the three-dimensional finite element analysis and structural mechanics method are used for the analysis of the stress distribution and bearing capacity calculation under the existing of vertical crack on the aqueducts bottom plate. The reclamation of the aqueducts is evaluated and the measures are studied for the reinforcement of the aqueducts to prevent rebar corrosion at cracks, so as to strengthen the durability of concrete structure, offering reference significance for the future aqueduct project and safe operation of aqueducts.

aqueduct; vertical crack; reclamation evaluation; reinforcement

2017-06-17

项和平(1975-)，男，浙江龙游人，工程师，主要从事水利水电工程建设与管理工作.

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.011

TV544

A

1008-536X(2017)05-0045-05