基于水闸除险加固工程的耐久性检测与分析

张丽静

(盘锦禹泰水利工程质量检测有限公司，辽宁 盘锦 124200)

钢筋锈蚀是水工建筑物安全鉴定以及钢筋混凝土耐久性分析经常遇到的问题，因耐久性不良造成水工建筑物损坏的事例时有发生，甚至带来人员伤亡和巨大的经济损失[1-2]。由于钢筋锈蚀，水闸大坝等实际工程极易出现混凝土开裂等病害，工程结构承载力下降，对水工建筑物安全构成潜在威胁，对此必须给予高度重视[3]。

辽河盘锦城市防洪段水闸承担着盘锦市部分工业用水、城市居民用水、西郊近4.33万hm2苇田及两岸4.93万hm2水田的灌溉用水任务，枢纽工程发挥着提高闸上水位、改善水质、水量调蓄等重要功能。该工程于1969年建成投入运行，工程等别定Ⅰ等，深孔闸、进水闸、船闸、浅孔闸、左右岸连接段等主要建筑物为1级，下游防护堤、过水横堤等次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。水闸设计和校核洪水位8.10m、9.08m，正常蓄水位4.3m。经长期运行，水闸老化失修、结构破损、钢筋锈蚀、混凝土碳化严重。因此，文章依据相关规范检测分析了混凝土结构耐久性，旨在为水闸除险加固工程设计和安全运行提供一定技术支持。

1 检测内容、依据

1.1 检测内容

1)全面检查水闸水上部分的外观质量，检查项目有混凝土破损、异常变形和表面缺陷，并检测水下部分的护坦、消力池、闸底板、闸墩等混凝土结构。

2)重点检测典型的扎孔，检测内容主要有钢筋锈蚀、保护层厚度、碳化深度和构件强度。

1.2 检测依据

检测依据和检测规范有回弹法、钻芯法、《水工混凝土试验规程》、《水闸设计规范》、《水工混凝土结构设计规范》和《水闸安全鉴定规定》等。

2 检测结果

2.1 外观质量检测

测试工具有照相机、显微镜、水下电视和测试等，应用局部打开、拍照、外观质量描述、直观量测等方式检测混凝土剥落、裂缝、施工缺陷等分布及其破损程度。

1)闸墩。水位变化区混凝土裸露、闸墩石子外露，分缝内的沥青脱落及老化明显，并出现一定程度的拉开现象，最大拉开处分缝达到5.0cm。下游5#边墩上部存在混凝土剥落、局部钢筋锈蚀、钢筋裸露等情况，上游1#孔右墩部位出现破损。

2)钢筋混凝土闸门。闸门底部普遍出现比较严重的混凝土剥落现象，3#孔闸门4号梁的混凝土松散不密实，局部存在蜂窝，5#孔闸门顶梁破损且主筋出现比较严重的锈蚀、裸露。

3)胸墙。3#孔胸墙横向钢筋严重锈蚀并且已经露出，上部局部破损；3#孔胸墙混凝土剥落且钢筋锈蚀，出现严重锈蚀且裸露的纵向钢筋就有10根。总体而言，各孔胸墙石子裸露、混凝土剥落。

4)工作桥。桥面石子裸露严重，混凝土剥落，桥梁底面普遍存在钢筋锈蚀、露筋、钢筋锈涨以及混凝土成片剥落现象。

5)启闭机大量。各孔启闭机大量底面混凝土剥落，钢筋锈蚀、箍筋和主筋裸露，钢筋锈蚀并出现成片剥落。

6)启闭机大梁下排架。排架柱及其联系梁之间的联系梁石子严重裸露，局部混凝土剥落，3#孔左排架柱混凝土严重剥落，钢筋存在锈涨现象。

7)公路桥。各孔公路桥桥梁地面的钢筋锈蚀严重、箍筋或主筋露出，混凝土剥落、钢筋涨锈成片剥落，个别箍筋出现锈断现象。

8)翼墙。水位变化区上下游左、右翼墙局部混凝土石子裸露、蜂窝、剥落，翼墙分缝最大拉开达到8cm，大部分翼墙分缝都拉开，上部挡墙最大分缝拉开达到10cm。上部混凝土栏板破损长度达到3.8m，栏板破损，下游左岸翼墙出现1条峰宽2cm的垂直裂缝，上部挡墙出现3条峰宽0.2～0.5mm的裂缝，翼墙混凝土局部破损严重。

9)启闭机控制房。各孔间立柱分缝最大峰宽达到4.0cm，拉开比较明显，左、右侧地面的横向裂缝明显，上下游出现贯穿分缝，最大峰宽0.6mm。4#孔左侧上游出现1条峰宽0.4mm的斜裂缝，启闭机控制房楼板地面混凝土剥落严重，钢筋锈蚀并明显露出。

10)水下部位的护坦、消力池、闸底板和闸墩。上游护坦分缝与1#孔查底板处出现约2cm的错位错峰，长度接近3.0m，上游右墩分缝与3#孔闸室底板沥青脱落、拉开，峰宽处于2.0～4.0cm范围，上游左墩分缝与5#孔闸室底板处沥青脱落、拉开，峰宽处于2.0～3.0cm范围。消力池分缝与下游1#孔闸室底板处局部冲刷脱落，沥青老化且出现明显拉开，峰宽处于2.0～5.0cm之间；顺水流方向3#孔消力池右侧底板出现深2.0～3.0cm、宽0.2～0.5m、长约0.8m的冲刷槽。下游5#孔闸室底板与左、右墩分缝处峰宽处于2.0～3.0cm范围，沥青脱落且出现拉开。

2.2 重点检测

2.2.1 混凝土强度

采用钻孔取芯法检测水闸闸墩混凝土抗压强度，结果见表1。然后利用回弹法检测公路桥排架柱、公路桥桥梁、启闭机大梁下排架柱、启闭机大梁、工作桥桥梁、侧立柱、挡浪墙、胸墙、闸门顶梁等混凝土抗压强度，检测结果见表2。

表1 钻芯法检测结果

表2 回弹法检测结果

由表1可知，钻孔取芯检测的闸墩混凝土符合现行规范SL191-2008要求，满足抗压强度设计要求。结合表2的数据，测试龄期内被检测构件的回弹强度推定值均符合设计要求，测试龄期内除1#孔侧立柱、公路桥桥梁外其余构件回弹强度推定值均符合规范规定的耐久性要求。强度测量数据表现出明显的离散性，即同一构件不同测区及同一类结构不同构件的强度测量值明显不同[4-5]。不同结构的强度离散程度存在较大差异，如侧立柱、公路桥排架柱、胸墙等构件具有较大的离差系数，这可能与混凝土质量状况不匀、所受老化侵害程度不同、当时施工质量控制不严等因素有关，并且1#侧立柱、公路桥桥梁不符合耐久性要求。

2.2.2 混凝土碳化深度

首先，对被测试构件表面用冲击钻打孔，然后将钻孔内粉末清除干净，用酚酞试剂喷涂孔内，碳化深度即为不变色的厚度，厚度用游标卡尺测量，测区内闸孔混凝土的碳化深度见表3。

结合表3中的数据，除闸门、闸墩外其它结构均出现比较严重的混凝土碳化，碳化深度整体处于10mm以上。同一构件不同部位甚至同一结构的不同构件的碳化深度差异明显，这表明混凝土质量不均匀且密实性差异显著[6]。

表3 混凝土碳化深度检测值 mm

2.2.3 钢筋锈蚀率

首先，将不同破坏程度的构件表层混凝土凿去直至已锈蚀钢筋露出，然后将表面锈蚀产物清理干净，利用游标卡尺测量钢筋锈蚀后的直径，对照钢筋设计值确定损失率，抽样检测结果见表4。

表4 抽样检测钢筋锈蚀损失率

从表4可以看出，各结构部位均存在一定程度的钢筋锈蚀，其中钢筋锈蚀最为严重的是3#公路桥桥梁，主筋截面最大损失率17.22%，箍筋截面最大损失率达到100%，即已经锈断。5#启闭机大梁主筋和箍筋的截面最大损失率达到13.09%、24.00%，4#孔胸墙、4#孔侧立柱、5#孔工作桥桥梁主筋的截面最大损失率达到14.25%、15.68%、9.72%。

2.2.4 钢筋保护层厚度

首先，将主要构件的表面混凝土用冲击钻除去，对保护层厚度部位特点用钢筋保护层厚度测定仪测定，检测结果如表5。

表5 钢筋保护层厚度测量值 mm

由表5可知，测量的钢筋保护层厚度具有较大的离散性，挡浪墙、侧立柱、公路桥排架柱、启闭机大梁下排家住、闸墩的钢筋保护层厚度满足现行规范要求，而工作桥桥梁、公路桥桥梁、胸墙、闸门顶梁、启闭机大梁不符合现行规范要求。

2.3 结果分析

结合检测结果，辽河盘锦城市防洪段水闸混凝土结构的破坏形式以混凝土剥落、钢筋锈蚀、露砂露石、顺筋裂缝等耐久性问题为主，此外还存在闸底板、翼墙、闸墩等结构不均匀沉降和轻微位移现象，水流冲刷引起不同程度的磨蚀破损。

测量的钢筋保护层厚度具有较大离散性，工作桥桥梁、公路桥桥梁、胸墙、闸门定量、启闭机大量不符合现行规范要求。依据碳化值检测结果，这些结构的最小保护层厚度均小于测点碳化深度。所以，保护层厚度不足、施工控制不严、碳化深度较大、偏筋等为引起钢筋锈蚀的关键原因[7]。

变形钢筋的横肋对混凝土的咬合作用及混凝土与钢筋的黏结为两者锚固力的来源，锈蚀减少了钢筋截面积，并进一步降低了力学性能。研究表明，截面积损失处于10%～60%范围时钢筋的力学性能明显下降[8-9]。结合检测结果，该水工结构各部位钢筋出现了一定的锈蚀，其中工作桥桥梁、侧立柱、胸墙、启闭机大梁、公路桥桥梁钢筋严重锈蚀，部分构件出现成片剥落的现象。钢筋锈蚀最为严重的是3#公路桥桥梁，主筋截面最大损失率17.22%，箍筋截面最大损失率达到100%，即已经锈断。因此，必须对钢筋锈蚀较严重的工作桥桥梁、侧立柱、胸墙、启闭机大梁、公路桥桥梁等构件实施维修加固。

总体而言，碳化导致钢筋锈蚀胀裂、碳化深度超过保护层厚度、钢筋保护层厚度不足和混凝土质量控制不严等导致耐久性不足、混凝土破坏的主要原因。因此，为保证结构耐久性和抗碳化能力，设计和施工必须严格执行现行标准，尽可能选用高抗渗混凝土；为防止偏筋、钢筋跑位等应采取有效的防护措施；在安装预制构件时先检测保护层厚度，保证其满足设计要求[10-13]。

3 结 论

1)经长期运行，辽河盘锦城市防洪段水闸整体老化失修，安全隐患较多，如闸底板、翼墙、闸墩等结构出现不均匀沉降和轻微的位移，水流冲刷致使过流结构出现不同的磨蚀。

2)水上钢筋混凝土结构出现钢筋锈蚀、露砂露石、顺筋裂缝、剥落破损等外观缺陷，局部非常明显。抽样检测的混凝土保护层厚度、碳化深度、抗压强度等参数具有较大离散性，表明辽河盘锦城市防洪段水闸建造时施工质量较差，整体质量不均衡。

3)局部钢筋保护层厚度不足、偏筋严重、混凝土质量控制不严等是水闸水上(大气中)部位耐久性不足和结构破损的主要原因，局部保护层厚度小于混凝土碳化深度并导致钢筋的锈蚀胀裂。此外，必须对钢筋锈蚀较严重的工作桥桥梁、侧立柱、胸墙、启闭机大梁、公路桥桥梁等构件实施维修加固。