禹门口灌区固镇输水暗涵维修降糙方案探讨

南江江

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

0 引言

山西禹门口水利工程是一个集泵站、水库、灌区等为一体的大型综合性水利工程，整个工程主要由枢纽工程、北干线工程、南干线工程、调蓄工程和灌区五部分组成。北干线工程的起点是禹门口枢纽一级站，终点是临汾翼城县的北常水库，全长135 km，其中渠道78 km，管道57 km。渠道部分利用原禹门口灌区二级干渠输水，长度67.2 km。由于原二级干渠增加禹门口东扩工程供水任务和现状二级干渠分水口位置与原规划有所变化，故禹门口北干线二级干渠设计输水流量增大，须提高原二级干渠67.2 km 渠道的输水能力，对工程安全运行提出更高要求，以满足整个禹门口水利工程的供水需求。

固镇暗涵属于二级干渠配套建筑物，位于二级干渠桩号8+613 至9+829 处，其输水能力须从现状12.47 m3/s 提高到16.0 m3/s。

1 现状固镇暗涵

现状固镇暗涵设计过流量12.47 m3/s，洞身全长1 216 m，建于20 世纪90年代，线路从固镇村穿过，采用200#混凝土（相当于现行C18 混凝土）衬砌，弧底马蹄形断面，弧底和侧弧半径均为5.25 m，顶拱为半圆形，半径1.75 m，底宽3.14 m，净高3.35 m。原设计过流能力12.47 m3/s，底坡1/2 000，糙率0.014，设计水深2.38 m，设计流速1.61 m/s。进出口明挖埋涵段混凝土衬砌厚度35 cm，洞挖段底板衬砌厚35 cm，侧墙及顶拱喷8 cm 厚200#混凝土再内衬25 cm 厚200#混凝土。现状暗涵每8 m 设置了一道横向伸缩缝，另外在暗涵底板左右两侧各设置了一道纵缝，缝内采用镀锌铁皮止水。现状固镇暗涵横断面见图1。

图1 固镇暗涵横断面图

2 暗涵存在的主要问题

固镇暗涵已建成20 多年，现状存在以下主要问题：1）暗涵内部淤积比较严重，平均淤积厚度在40～50 cm 左右；2）暗涵伸缩缝表面填充物破损严重，致使暗涵存在渗漏水现象；3）由于长期运行，暗涵迎水面局部混凝土衬砌不平整，存在混凝土剥蚀和冲蚀破坏；4）由于二级干渠增加禹门口东扩工程供水任务和规划分水口位置变化，致使暗涵过流能力不能满足工程需求。

3 暗涵维修降糙

固镇暗涵由于长期运行及混凝土表面剥蚀老化，表面糙率增加，暗涵改造设计要求设计输水流量由12.47 m3/s 提高到16.0 m3/s。

固镇暗涵从固镇村穿过，从现场地形、地貌和暗涵上、下游衔接等因素考虑，在该位置通过扩建工程增大供水规模，投资大且对村民的生活影响较大，故在不扩建或改建工程的前提下，采取对暗涵维修、降糙措施来提高其过流能力是最简洁和投资最省的方法。

3.1 暗涵过流能力计算

由于暗涵总长1 216 m，大于8H（H 为进口矩形渠道水深2.29 m），故为长洞。无压长洞暗涵过流能力计算采用明渠均匀流公式：

式中：Q——设计流量，m3/s；

A——过水断面面积，m2；

R——水力半径，m；

i——洞底纵坡，1/2 000；

n——暗涵糙率，混凝土结构取0.014，涂层取0.01。

固镇暗涵维修降糙前后水力要素计算对比见表1。

表1 固镇暗涵维修降糙前后水力要素对比表

固镇暗涵维修降糙后，设计水面以上的净空面积占涵内横断面面积的27.7%，大于10%且小于30%，净宽高度1.15 m 大于0.75 m，均满足现行规范要求，故采用涂层降糙其过流能力能满足设计要求。

3.2 暗涵迎水面维修

对暗涵迎水面混凝土衬砌表面不平整及衬砌破损部位，先去除衬砌表面的粉尘、油污等杂质，对需要修补的部位进行凿毛处理并冲洗干净，再用聚合物纤维水泥砂浆进行修复，厚度2～3 cm。

聚合物纤维水泥砂浆是通过向水泥砂浆中掺入聚合物乳胶改性及纤维材料而制成的一种有机无机复合材料，与普通水泥砂浆相比，聚合物水泥砂浆的弹性模量低、抗拉强度高、极限拉伸率高、与老混凝土的粘接强度高，因此聚合物水泥砂浆适用于水工混凝土结构的薄层表面修补。

因聚合物纤维水泥砂浆具有较好的粘接性能，故对暗涵迎水面存在混凝土剥蚀或局部冲蚀破坏的区域，采用聚合物纤维水泥砂浆对表面进行修补。采用聚合物纤维水泥砂浆修复工序为：剥蚀混凝土的清除、基层处理及聚合物纤维水泥砂浆施工。

当剥蚀深度大于0.5 cm 时，先凿除脱空的混凝土，直至出露新鲜坚硬的混凝土面，凿除深度应大于1 cm，且凿除厚度宜均匀，凿除坑的周边应垂直，轮廓线宜构成凸多边形。出露的钢筋如发生锈蚀，应进行除锈处理，然后涂刷阻锈剂。

对需采用聚合物水泥砂浆修补的部位，在聚合物水泥砂浆修复前，应在处理好的基层表面涂刷界面剂，界面剂可选聚合物水泥净浆或水溶性环氧类粘结剂等。涂刷界面剂厚薄应均匀，界面剂涂刷对基面的要求及涂刷后至修补材料覆盖的时间间隔应通过现场试验确定。

聚合物纤维水泥砂浆修复的主要技术要求如下：

1）聚合物纤维水泥砂浆的材料配比（重量比）

水泥∶砂∶乳液∶水∶减水剂∶纤维＝1∶2∶20%∶2.8%∶0.7%∶0.25%

2）界面剂配比（重量比）

乳液∶水泥＝1∶2

3）聚合物水泥砂浆的主要性能

聚合物水泥砂浆主要性能指标见表2。

表2 聚合物水泥砂浆主要技术指标

3.3 伸缩缝维修

针对暗涵伸缩缝填充物破损严重，首先剔除破损的填充物，回填GB 柔性止水填料，然后沿伸缩缝粘贴宽5 cm、厚1 mm 的GB 止水板，最后在伸缩缝表面刮涂宽30 cm、厚4 mm 的SK 单组份手刮聚脲涂层。暗涵伸缩缝止水修复大样见图2。

图2 暗涵伸缩缝止水修复大样图

3.4 暗涵洞身降糙

暗涵洞身降糙采用涂层处理的方法进行，根据设计经验，选用YEC 环氧涂层或手刮聚脲涂层对暗涵进行降糙处理，均可提高暗涵的防渗性及耐久性，同时降低暗涵的糙率，提高其过流能力。

3.4.1 涂层材料

1）YEC 环氧涂层

YEC 系列环氧防护涂层材料是新系列混凝土修补材料之一，采用了新型的环氧配合体系，并结合水工混凝土及运行工况等特点，高温高湿环境下，通过分子结构设计，提高材料的裂纹阻断能力，并减少材料内应力，具有粘结效果好、高强高韧、抗开裂能力强、长期耐水性能优异等特点。

YEC 环氧涂层的性能特点：

（1）在水工混凝土高湿环境下施工优势明显；

（2）适用于混凝土表面的封闭处理及薄层防护，具有优异的抗渗、抗冲磨、抗气蚀及防冻融等防护效果，并具有较好的抗背水渗透能力，是水工混凝土表面防护的一种理想材料；

（3）具有优异的对基层混凝土粘结性能和良好的抗冲磨性能；

（4）长期耐水性能极佳；

（5）防护涂层韧性大，具有优异的裂纹阻断能力，可以降低应用中的开裂、脱空等现象；

（6）施工性能好：常温固化，施工温度大于5℃即可，施工快速方便，高湿条件下施工质量可靠；

（7）环境友好：该产品无挥发性组份、无污染，固化物无毒、耐介质性好。

YEC 环氧防护涂层性能指标见表3。

表3 YEC 环氧涂层材料主要技术指标

2）单组份手刮聚脲涂层

单组份手刮聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防渗、裂缝和伸缩缝表层防渗，以及流速小于30 m/s 的过流面的抗冲磨防护与表面耐久性防护。

单组份手刮聚脲涂层的性能特点：

（1）材料为脂肪族，耐老化性能好，不变色；

（2）材料适应：环境因素变化不稳定、低温和高湿环境；

（3）抗冲磨性能好；

（4）与基础混凝土粘接强度高，一般在基层混凝土允许的情况下大于2.5 MPa；

（5）为单组份材料，避免了施工中配合比不当造成质量缺陷，不需要专门的设备，分层施工，能保证涂层厚度的均匀性及宽度；

（6）防渗、抗冻效果好，耐化学腐蚀；

（7）人工刮涂，一次涂刷厚度为1 mm，需要分层涂刷，固化时间较长；

（8）施工性能好：施工温度大于5℃，至少养护72 h，施工工艺简单，可以多个工作面同时施工；

（9）容易控制材料质量。

单组份手刮聚脲涂层性能指标见表4。

表4 单组份手刮聚脲涂层性能指标

3.4.2 涂层对比

涂层对比见表5。

表5 涂层对比表

3.4.3 洞身降糙方案分析

暗涵混凝土过水断面原设计糙率0.014，YEC 系列环氧防护涂层和单组份手刮聚脲涂层的糙率试验结果为0.089～0.010，暗涵迎水面采用涂层处理后综合糙率取0.010，经涂层处理后暗涵设计过流量16.0 m3/s 对应设计水深2.2 m，小于改造前设计水深2.38 m。

暗涵进口及出口渠道改造后设计流量均为16 m3/s，进口矩形渠道设计水深2.29 m，出口矩形渠道设计水深2.28 m，暗涵维修降糙后设计水深2.20 m，其进口水流可平顺衔接，出口会存在小范围的轻微壅水现象，不影响整个二级干渠的过流。

由于本工程暗涵水流设计流速2.24 m/s，为非高速水流，设计涂层厚度按平均厚2 mm。根据各涂层性能特点和对比表5，暗涵进、出口洞身由于冬季输水气温低，受外界光照、紫外线、温度、湿度和刮风等外界环境因素影响较大，故其进、出口各100 m 范围内暗涵迎水面选用厚2 mm 单组份SK 手刮聚脲涂层进行降糙处理；暗涵中段由于内部环境比较稳定，湿度大，受外界环境变化因素影响小，考虑到尽量节省投资，暗涵中段迎水面选用厚2 mmYEC 环氧防护涂层进行降糙处理。这样在不扩建或改建暗涵的前提下，提高了其过流能力，并满足工程防渗及过流要求，节省了工程投资。

4 结语

禹门口灌区固镇暗涵通过维修、降糙处理后，经过通水运行观察，相关病害得到有效处理，渗漏问题得到彻底解决，暗涵运行水位下降、流速增大，过流能力明显提高，工程处理效果良好。