渡槽的病害与加固方法综述

唐卫国,唐 杨2 ,田俊国

(1.国网湖北省电力有限公司五峰县供电公司，湖北 宜昌 443413；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

1 引 言

渡槽又称输水渠、水运桥[1]，是一种输送水流跨越洼地、山谷的架空水槽，也是区别于公路桥、铁路桥、人行桥、管线桥中较为特殊的一种桥梁结构。某水电站修建引水渠为了跨越山谷中的河流而修建渡槽，如图1所示。20世纪50～70年代，为了农业灌溉、水力发电而修建了大量的渡槽，由于当时经济条件差、施工技术落后、设计经验不足以及管理养护不到位[2]，渡槽经过数十年的运行，部分出现了较为严重的病害，严重影响结构的安全运行。

图1 渡槽

本文针对目前渡槽的实际状况，对渡槽的病害形式和主要的病害产生机理进行梳理，同时根据现有文献总结归纳渡槽的加固维修方法，为今后渡槽的维修加固提供参考。

2 渡槽的病害形式及产生机理

2.1 渡槽病害的表现形式

渡槽的病害主要表现为混凝土剥落、渗水、钢筋锈蚀等，具体到渡槽的不同构件上主要有以下几种表现形式。

(1)槽身混凝土表面混凝土碳化严重，混凝土保护层厚度下降，碳化深度甚至超过混凝土保护层厚度。

(2)槽身钢筋裸露，锈蚀严重，导致钢筋有效截面下降。

(3)槽身承载能力偏低，槽身出现多处裂纹，甚至出现贯穿裂缝，漏水渗水严重，影响渡槽的输水能力。

(4)由于预应力管道内部压浆不密实，管内有积水，冰冻膨胀造成槽身竖墙出现空鼓裂纹[3]。

(5)渡槽内部混凝土冻融剥蚀，同时水流冲刷表层混凝土磨损和剥落。处于风日多、气候干燥地带的渡槽，混凝土风蚀严重。

(6)混凝土排架柱出现裂纹，钢筋外露，同时表面碳化严重。

(7)伸缩缝止水失效，水泥砂浆等刚性伸缩缝填料在温度变化作用下已被压碎，或者止水橡皮条年久老化，从而导致伸缩缝位置严重漏水。

(8)渡槽的墩柱出现不均匀沉降，可能伴有水平位移，且有进一步沉降甚至倾覆的风险，槽身同时出现严重的偏移、错位。墩柱基础由于未落到基岩上而是建立在软弱层地基上，基础迎水面被流水冲刷严重。

(9)浆砌块石的渡槽槽墩可能出现块石裂缝，甚至断裂，砌石勾缝砂浆脱落。

(10)渡槽采用拱桥结构形式时，拱肋集中力作用下墩帽混凝土碎裂。对于混凝土斜拉渡槽，斜拉索PE开裂、局部破损、钢丝锈蚀[4]。

2.2 病害产生机理

渡槽病害的产生通常从混凝土开裂产生裂缝开始，裂缝产生之后必然导致渡槽渗水、钢筋锈蚀，而渡槽渗水、钢筋锈蚀又能加速裂缝扩展的速度，这种恶性循环将导致渡槽的输水能力和承载能力逐渐下降，最终导致渡槽的破坏。渡槽混凝土裂缝的产生主要有以下几个方面的原因，第一为结构应力过大引起的裂缝，这可能是由于施工技术不到位和设计考虑欠缺引起；第二为混凝土材料本身的耐久性能差，主要体现在混凝土的抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、混凝土的碳化以及碱-骨料反应[5]。除了混凝土结构裂缝导致的渗水以外，伸缩缝止水材料破坏或者失效也是造成渡槽渗水的重要原因。

沈阳市张沙布渡槽[6]在设计过程中由于没有考虑地基冻胀力的作用而导致排架柱产生裂缝，通过计算在不考虑冻胀力作用下，结构的受力满足规范要求，考虑冻胀力作用后，结构承载能力不足。山西禹门口灌区的14座渡槽经过检测评估，发现渡槽槽身和排架柱的混凝土保护层设计不足，不能满足现行耐久性规范的要求[7]。

除了设计缺陷以外，施工水平不高、检测技术有限也导致结构埋下极大的安全隐患。河北放水河渡槽的槽身为预应力混凝土结构，施工中设置冷水管进行温控，进入冬季后由于冷水管未排水引起冻胀，造成槽身局部开裂。这完全是由于施工组织不当造成的，在冬季施工中应当注意冷水管中的水是否排干净，或者对预应力混凝土构件采取保温措施防止冰冻的发生[8]。对于20世纪70年代到90年代修建的渡槽，很多均由个体施工队完成建造，施工技术良莠不齐，导致部分渡槽施工质量差，主要表现为施工放样误差大、混凝土浇筑不密实等等，这样渡槽的耐久性很难经受时间的考验[9]。现在的施工需要对建筑材料进行严格的检测，而很多渡槽由于修建时间较早，当时对建筑材料的检测技术有限，沙子、砾石中存在的有害物质很难检测出来[9]，同样为渡槽的长期安全运行带来了极大的隐患。

山东聊城的四河头渡槽[10]出现裂缝的主要原因是混凝土内部出现了一定程度的碱-骨料反应和较为严重的混凝土碳化问题。碱-骨料反应是由于当时建设渡槽时未对集料进行专门的试验，集料中含有过量的无定性二氧化硅等活性集料，由于渡槽本身为通水结构，内壁潮湿，无定性二氧化硅与水泥中的碱性氧化物(K2O，Na2O)作用，在骨料表面生成碱-硅酸凝胶，吸水后体积膨胀导致混凝土渡槽产生裂缝[5]。

四河头渡槽在贯穿裂缝的缝端还可以观察到白色的CaCO3。这是由于空气中的CO2在有水存在的条件下，与水泥石中的氢氧化钙发生反应生成碳酸钙和水。

碳化的发生造成混凝土碱度下降，减弱了对钢筋锈蚀的保护作用，使得钢筋更容易发生锈蚀；同时碳化显著增加了混凝土收缩，使混凝土表面产生拉应力，从而导致混凝土产生微裂缝[5]。混凝土材料的耐久性差造成槽身混凝土剥蚀严重，钢筋外露，极易造成槽身、排架柱的局部承载能力不足。除了渡槽本身处于有水环境以外，渡槽施工中由于振捣不密实，存在蜂窝、麻面，将为CO2快速在混凝土中扩散提供了更加快捷的通道，加速渡槽混凝土的碳化[11]。

为了避免温度应力过大，在渡槽的端部必须设置伸缩缝。伸缩缝的破坏主要来自三个方面，一为伸缩缝的选材不当，比如采用水泥砂浆等刚性材料，在温度作用下不能适应伸缩缝的变形幅度，极易挤碎而破坏[7]；二为温度、振动和腐蚀等外界作用导致伸缩缝扩大导致止水失效[12]，同时止水橡胶使用寿命仅有2～4年，没有做到定期检查更换[13]；三为施工时定位不准确，槽身倾斜，同时槽身混凝土较薄，导致橡胶止水带难以达到止水的效果[14]。

3 渡槽的维修加固方法

3.1 槽身维修加固

3.1.1槽身修补处理

赵山渡引水工程[12]对渡槽表面产生的裂缝采取环氧树脂加固处理，工艺流程分为基础面处理、配置环氧基液和裂缝处理，裂缝处理前必须打磨裂缝面和除尘，环氧基液是在60℃时融化的环氧树脂中加入丙酮、丁二脂和乙二胺配制而成，裂缝处理除了用到环氧基液以外还要用到玻璃丝布，涂抹一层基液粘贴一层玻璃丝布，最后一层在基液上撒3mm碎石。石堡川灌区聿津河渡槽[15]在处理渡槽裂缝时同样用到了环氧树脂，实践表明环氧树脂具有高弹性、高耐久性和耐高低温的优良性能，在混凝土裂缝修补上有着广泛的应用。

山西禹门口灌区渡槽针对混凝土冻融剥蚀严重的问题采用聚合物纤维水泥砂浆处理，聚合物纤维水泥砂浆采用水泥砂浆中加入聚合物乳胶改性和纤维材料制成。工艺主要是清除剥蚀混凝土，对锈蚀钢筋除锈，基层处理，聚合物水泥砂浆施工[7]。本溪县东营坊乡渡槽工程中采用了类似的聚合物防水砂浆进行渡槽的修补，聚合物防水砂浆采用丙乳与42.5级硅酸盐水泥、洁净中砂混合配制而成，实践表明这是一种良好的混凝土防渗修补材料[14]。采用丙乳砂浆对混凝土剥落的处理还运用到淠史杭灌区将军山渡槽[16]、焦作市引沁灌区东方红渡槽[17-18]以及济南锦绣川灌区渡槽[19]，由此可见丙乳砂浆在在渡槽防渗修补方面同样有着广泛的应用[20]。除了采用以上聚合物防水砂浆进行防渗以外，在防渗砂浆修补之后，还可在槽身内部贴膜处理，即采用PVC复合防渗膜，它是一种性能优异的高分子防水材料[21-22]。在南水北调洺河渡槽[3]加固工程中，还使用了聚脲防水材料喷涂于碳纤维布之上。

对于渡槽碳化层的处理，赵山渡引水工程[12]的工艺流程为打磨处理至新混凝土层，焊接钢丝网，混凝土表面涂两层界面剂，采用M30砂浆喷浆处理。铁中、翠花沟渡槽[23]的碳化处理与赵山渡引水工程渡槽的处理方法类似。山西禹门口灌区渡槽在防止混凝土碳化的处理上采用VAE柔性防碳化水泥涂料，基本工序为混凝土基底清理，构件残缺部分补全、复原、全面打磨，喷涂防碳化水泥涂料，不低于1mm厚度[24-25]。淠史杭灌区将军山渡槽[16]采用喷涂pcs防碳化柔性涂料防护，该涂料具有一定防渗、封闭混凝土空隙防止混凝土碳化的功能。

3.1.2伸缩缝止水处理

渡槽伸缩缝的止水处理方法较多，运用的材料也较为繁杂，应根据伸缩缝的损坏程度采用不同程度的修补[26]。

在赵山渡引水工程[12]中，伸缩缝的处理方法为切除原来的橡胶止水带更换为钢板止水带，同时对拆除止水带时切断的钢筋重新植筋，砂浆中掺入环氧树脂作为找平层为后期防渗做准备，钢板需要刷漆防腐防锈蚀。

桐溪渡槽的伸缩缝处理时，将止水结构内测采用开槽、嵌填柔性材料、盖片封闭、聚合物砂浆抹平进行处理，外侧采用缝内嵌填柔性材料，缝面安装钢板支撑，防止填料脱落的方法进行处理[27]。

本溪县东营坊乡渡槽也对伸缩缝位置进行了修缮，先用聚合物水泥砂浆修补了伸缩缝位置的混凝土破损，然后在伸缩缝内紧贴橡胶止水带设置注浆通道，灌注水溶性聚氨酯堵漏剂，最后用环氧树脂加固胶粘贴钢边橡胶止水带，并用不锈钢钉锚固[14]。

3.1.3槽身加固处理

渡槽槽身的加固方法主要有贴钢板、贴碳纤维布、贴玻璃钢等，还有采用化学反应增强混凝土受力性能的方法、根据结构力学改善渡槽受力的方法，对于石砌渡槽主要采用挂网喷浆的办法加固。

雷州青年运河塘口渡槽[28]通过现场检测和有限元计算复核，发现槽身侧壁在两端主梁支撑部位不满足正截面受弯承载力的要求，采用4mm厚Q235钢板加固。钢板加固的工艺流程为混凝土表面打磨，钢板放样打磨，钢板与混凝土表面涂结构胶，钢板加压粘贴固化，钢板表面涂WSP涂料，粘粗砂，抹防水砂浆。

山西禹门口灌区渡槽采用槽身受拉区域粘贴碳纤维布进行加固处理，碳纤维布的抗拉强度为钢材的7～10倍，粘贴后与渡槽共同承受荷载，降低了钢筋混凝土槽身的拉应力[7]。碳纤维布在渡槽的加固同样应用于桐溪渡槽[27]、湖北排子河渡槽[19-30]、湖北洛河渡槽[31]、甘肃庄浪河渡槽[32]、赵山渡引水渠工程某渡槽[33]以及山东王铺渡槽[34]。

除了钢板加固、碳纤维布加固，还有玻璃钢加固。玻璃钢又称玻璃纤维增强材料，它以玻璃纤维及其制品为增强材料，以合成树脂为胶粘剂，加入多种辅助材料，经过一定成型工艺制作而成的复合材料[35]。玻璃钢具有增强结构承载能力，同时兼有防渗功能，在桃花江渡槽的补强加固中已经得到应用。

针对渡槽运行时间较长，混凝土强度不高，本溪县东营坊乡渡槽工程中采用EC400起砂地面处理剂1#料，对混凝土基层进行增强增硬处理，这种材料可以渗透到混凝土材料中进行化学反应，形成致密的结晶体，使得混凝土抗压强度提高40%，同时提升混凝土的抗渗性和抗冲磨能力[14]。

渡槽的加固一般都在原有的结构上进行，也有根据结构力学原理对结构进行改变的。温州沙门渡槽[36]为了解决槽身局部应力过大的问题，将原设计的双悬臂支承结构改变为5支座的连续梁结构。

对于某些砌石渡槽，由于年久失修，造成槽身渗水、砌石松动，整体强度下降严重。胜利渠渡槽段采用喷射混凝土对槽身进行加固处理，为了提高混凝土的抗裂性能，减少喷射混凝土的回弹量，槽身内侧采用挂网喷射混凝土[37-38]。

3.2 排架维修加固

由于排架柱为下部结构，拆除重建几乎不可能。沈阳市张沙布渡槽[6]采用凿掉混凝土腐蚀层，立模、植筋，然后重新浇筑混凝土。甘肃省庄浪河渡槽[39]将原来渡槽的4根立柱加固为一个整体的钢筋混凝土空心截面墩。

以上加固方法增加了排架柱的截面面积而增强了结构的承载能力，在湖南省石洞江渡槽[40]的排架加固中将原先的钢筋混凝土框架柱加固为外包钢-预应力桁架结构，首先对原来的立柱外包钢，然后增加桁架腹杆，同时对桁架腹杆施加预应力。除了这种复杂的加固方式，也有简单的外包钢板加固的方式，为了节省钢材，在排架四个棱角采用角钢螺栓锚固，钢板采用条带式，采用螺栓加压固化的方式锚固钢板，钢板围固完成后采用环氧砂浆抹面[41]。

石砌排架由于年久失修，勾缝处砂浆剥落，砌石松动，严重影响排架结构的承载能力，采用喷射混凝土的方法可以对排架进行有效地加固[36]，喷射混凝土之前最好将失效的勾缝砂浆剔除[16]。

综合以上排架的加固方法来看，混凝土排架主要采用加大截面面积、外包钢板的形式加固，砌石排架主要采用喷射混凝土的形式加固。由于混凝土排架的碳化处理与槽身类似，故此不再累述。

3.3 基础维修加固

甘肃的庄浪河渡槽将明挖板式扩大基础加固为桩基础，对原有基础采用钢筋混凝土承台包裹，在原有基础四周设置8根灌注桩，桩长18m，桩底置于土质较好的圆砾土层[39]。甘肃的四湾沟渡槽[42]采用了类似的方法对基础加固，从而降低排架基础的沉降量。

当地下水中含有硫酸盐时，会对混凝土基础造成侵蚀，硫酸盐与水泥石中的水化铝酸钙作用会生成高硫型水化铝酸钙，由于体积增大1.5倍，产生的膨胀应力会造成水泥石开裂。景电灌区渡槽加固工程中将已经侵蚀的混凝土基础凿掉，腐蚀的钢筋打磨光亮，植筋后重新浇筑混凝土，混凝土需要采用抗硫酸盐硅酸盐水泥[43]。

3.4 地基处理

地基的好坏直接影响基础的受力和变形，从而影响到上部结构以至整个渡槽结构的受力。

地基土的冻胀力对结构的受力存在较大的影响，可以将基础周围的粉质黏土换填为弱冻胀力的粗砂、砾石等，注意换填深度必须超过冻深，换填范围要超过冻深的0.8倍[6]。

由于地基土质承载能力不够导致基础发生较大变形，可以采用固结灌浆的方式对地基进行加固，灌浆材料采用普通硅酸盐水泥[44]。

4 结 语

中国经过数十年的基础设施建设，包括渡槽在内的许多桥梁结构都已经进入老龄化，在今后很长的一段时间桥梁维修加固将成为热门的研究主题。本文梳理了现阶段渡槽结构的主要病害以及维修加固处理方法，可以为今后渡槽结构的维修加固设计提供的一定参考。同时根据现有的维修加固方法，为新技术、新方法的产生起到一定的促进作用。