年夫喜
(湖北省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 武漢 430070)王聯(lián)芳 曾平(荊州市洈水工程管理局 荊州 434000)
洈水灌區(qū)位于湖北省荊州市西南部洈河流域的中下游,地處東徑 111°14′~112°02′、北緯 29°53′~30°22′之間,灌區(qū)西靠洈水水庫,東抵松滋西河,北至木天河,南以湖南涔水為界,東西長46km,南北寬34km,總面積約1300km2。洈水水庫灌區(qū)于1967年開灌,設(shè)計(jì)灌溉面積3.47萬hm2,有效灌溉面積3.33萬 hm2。
洛河渡槽是洈水灌區(qū)的一個(gè)關(guān)鍵性大型建筑物,擔(dān)負(fù)著渡槽下游0.85萬hm2耕地的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水任務(wù),在洈水灌區(qū)中具有重要地位。該渡槽于1967年6月建成,設(shè)計(jì)流量15.1m3/s,相應(yīng)過水深2.37m。渡槽槽身為鋼筋混凝土U形槽,半圓直徑3.0m,直線段長1.35 m,縱坡降1/750。渡槽全長225m,有混凝土墩15個(gè)、重力式漿砌石槽墩4個(gè),平均墩高8.2m,最高12.9m。槽身18跨,跨度12m,槽身高2.65m、寬3.8m,過水?dāng)嗝婷娣e6.1m2。
經(jīng)過40多年的運(yùn)行,渡槽老化破損嚴(yán)重,槽身混凝土表面有大量裂縫,碳化嚴(yán)重,鋼筋裸露銹蝕嚴(yán)重;伸縮縫止水損壞,漏水嚴(yán)重;現(xiàn)有7個(gè)槽墩出現(xiàn)了較大的不均勻沉降,致使槽身向河道上游偏移、錯(cuò)位,實(shí)測偏移最大值達(dá)0.5m。
2009年8月3日16時(shí)30分,洛河渡槽在正常的灌溉輸水過程中,第5節(jié)(從下游計(jì))槽身槽底混凝發(fā)生垮塌事故。事故發(fā)生后,相關(guān)單位及時(shí)趕赴現(xiàn)場,進(jìn)行事故搶險(xiǎn),并連夜召開會(huì)議,研究搶險(xiǎn)應(yīng)急方案。經(jīng)現(xiàn)場勘測,裂縫最寬處達(dá)0.6m,平均寬度0.4m,長12m;渡槽槽身混凝土厚10cm,內(nèi)外層混凝土碳化深度達(dá)3cm。渡槽槽身環(huán)向鋼筋銹蝕嚴(yán)重,且已斷裂,縱向受力鋼筋完好。現(xiàn)場對其他段槽身進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn),多節(jié)槽身存在貫穿裂縫(有水紋痕跡,痕跡處混凝土呈灰黑色),詳見圖1、圖2。
圖1 槽身縱向裂縫
圖2 槽身環(huán)向鋼筋拉斷
以上勘測結(jié)果顯示:
a.渡槽建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低且年久失修是本次險(xiǎn)情發(fā)生的主要原因。洛河渡槽于1966年開工建設(shè),1967年建成運(yùn)行至今,受當(dāng)時(shí)的歷史條件限制,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低;且運(yùn)行期間,管理費(fèi)用沒有著落,致使年久失修,險(xiǎn)象環(huán)生。
b.渡槽槽身出現(xiàn)貫穿性裂縫是導(dǎo)致險(xiǎn)情的直接原因。渡槽槽墩基礎(chǔ)沉降不均勻,槽身受力不勻稱,槽身混凝土碳化嚴(yán)重,致使槽身裂縫環(huán)生,加之長期處于有水和無水的運(yùn)行環(huán)境中,裂縫處環(huán)向鋼筋銹蝕嚴(yán)重,故在該次輸水過程中,發(fā)生事故。
時(shí)值夏季作物的抽穗期,需水量很大。作物能否有效地得到灌溉,是作物能否高產(chǎn)的一個(gè)決定因素。根據(jù)搶險(xiǎn)指揮部的要求∶“須在8月15日之前,保證渡槽除險(xiǎn)……”,故本次設(shè)計(jì)著重考慮了以下因素:?洛河渡槽在2009年的全國大型灌區(qū)整體可行性研究報(bào)告中的方案是拆除改址重建;?在工程實(shí)施以前,原洛河渡槽仍擔(dān)負(fù)著下游近0.85萬hm2耕地的灌溉任務(wù);?保證完成2009年夏季灌溉任務(wù),且投資最??;?工作量大且時(shí)間緊迫。綜合以上因素,本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)如下。
根據(jù)現(xiàn)場勘測,結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn),第5節(jié)(從下游計(jì))槽身采取拆除重建的設(shè)計(jì)方案。對槽身結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),首先在保證槽身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下,主要考慮了以下兩個(gè)因素:?為保證上下游水流順暢,新建第5節(jié)的槽身仍采用U形結(jié)構(gòu);?為盡可能地避免槽墩偏心受壓,故第五節(jié)槽身的重量與上下游槽身重量不能相差太大,并確保在漿砌石槽墩抗拉和抗壓強(qiáng)度允許范圍值以內(nèi)。根據(jù)以上原則,并經(jīng)實(shí)地測量,槽身結(jié)構(gòu)尺寸定為凈寬3m,U形槽直線段長1.35m,圓弧半徑1.54m,圓弧角140°,跨度12m,詳見圖3、圖4。
圖3 新建渡槽橫斷面(單位:c m)
圖4 新建渡槽縱剖面(單位:c m)
經(jīng)計(jì)算,漕渡的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及槽墩偏心受壓強(qiáng)度均滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求。
根據(jù)現(xiàn)場勘測,其他17節(jié)槽身,存在不同程度的裂縫;槽身碳化嚴(yán)重,深度達(dá)3cm,部分槽身出現(xiàn)直徑為5cm的孔洞。針對出現(xiàn)的險(xiǎn)情,本次除險(xiǎn)設(shè)計(jì),首先對槽身的縱向和環(huán)向鋼筋進(jìn)行了復(fù)核,環(huán)向計(jì)算需配筋A(yù)g=6.44cm2,實(shí)際配筋A(yù)g=3.93 cm2;縱向計(jì)算需配筋A(yù)g=54.68cm2(垮中),實(shí)際配筋A(yù)g=58.29 cm2(垮中)。由上面的復(fù)核結(jié)果可知,環(huán)向受力配筋是不夠的,縱向受力鋼筋是滿足要求的。復(fù)核結(jié)果同時(shí)也印證了前述勘測結(jié)果。同時(shí),對存在孔洞的部位進(jìn)行封堵。
3.2.1 加固材料的選取
為保證槽身正常運(yùn)行,現(xiàn)擬采取適當(dāng)措施對槽身環(huán)向強(qiáng)度進(jìn)行加固。加強(qiáng)已建建筑物強(qiáng)度,一般選取柔性相對較好的材料,以適應(yīng)建筑物的外形。結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn),擬采用碳纖維布進(jìn)行加固。碳纖維材料加固補(bǔ)強(qiáng)是近十幾年發(fā)展起來的一種新技術(shù),碳纖維是以聚丙烯(PAN)為原料經(jīng)高溫碳化而成。碳纖維原絲纖維方向的抗拉強(qiáng)度可達(dá)普通碳素鋼的十幾倍,高彈模碳纖維的彈性模量也可達(dá)到鋼材的2~3倍。目前常用于加固結(jié)構(gòu)的碳纖維產(chǎn)品主要有碳纖維布和碳纖維板,二者均可用于不同受力狀態(tài)的構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)加固,如受拉、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)等構(gòu)件。該工程考慮到加固材料與混凝土結(jié)構(gòu)受力變形要協(xié)調(diào),且兩者彈性模量大小應(yīng)相當(dāng),故選用外包碳纖維布予以加固。加固材料選用武漢長江加固技術(shù)有限公司提供的“長江加固”CJ300—Ⅰ型碳纖維布,其主要性能指標(biāo)見表1。
粘貼膠的性能在碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)中的作用十分關(guān)鍵。該工程采用武漢長江加固技術(shù)有限公司提供的“長江加固”YZJ—CQ纖維復(fù)合材料浸漬粘結(jié)用膠,其性能指標(biāo)見表2。
經(jīng)類比計(jì)算,每節(jié)槽身須采用粘貼26.6m2的CJ300-Ⅰ型碳纖維布(抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于3000MPa)進(jìn)行加固。粘貼纖維布條條寬設(shè)為20cm,根據(jù)槽身受力特點(diǎn),靠近肋端3m范圍內(nèi)的布條間距為0.5m,中間為0.4m。具體布置見圖5。
表1 CJ300—Ⅰ型碳纖維布主要性能指標(biāo)
表2 YZJ—CQ纖維復(fù)合材料浸漬粘結(jié)用膠性能指標(biāo)
3.2.2 碳纖維布的施工工藝
a.施工準(zhǔn)備。根據(jù)要求,擬定施工方案和施工計(jì)劃;對所使用的碳纖維片材、配套樹脂、機(jī)具等做好施工前的準(zhǔn)備工作。
b.混凝土表面處理。清除被加固構(gòu)件表面的剝落、疏松、蜂窩、腐蝕等劣化混凝土,露出混凝土結(jié)構(gòu)層,并用修復(fù)材料將表面修復(fù)平整,表面應(yīng)清理干凈并保持干燥;槽身外側(cè)混凝土表面應(yīng)打磨平整,除去表層浮漿、油污等雜質(zhì),直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面.轉(zhuǎn)角粘貼處要進(jìn)行導(dǎo)角處理并打磨成圓弧狀,圓弧半徑不應(yīng)小于2cm。需要注意的是,若混凝土含水率大于4%,則應(yīng)采取相應(yīng)措施,達(dá)到要求后,方可施工。
c.涂刷底膠。將底層樹脂均勻涂抹于混凝土表面,待樹脂表面指觸干燥后立即進(jìn)行下一道工序施工。
d.找平處理。對混凝土表面凹陷部位用找平材料填補(bǔ)平整,且不應(yīng)有棱角;待找平材料表面指觸干燥后立即進(jìn)行下一道工序施工。
e.配膠、粘貼碳纖維布。裁剪碳纖維板,布條寬為20cm,按產(chǎn)品供應(yīng)商提供的工藝規(guī)定配制粘結(jié)樹脂;將碳纖維板表面擦拭干凈至無粉塵并立即涂刷粘結(jié)樹脂,膠層應(yīng)呈凸起狀,平均厚度不小于2mm;將涂有粘結(jié)樹脂的碳纖維板用手輕壓貼于槽身外側(cè),用橡皮滾筒順纖維方向均勻平穩(wěn)壓實(shí),使樹脂從兩邊溢出,保證密實(shí)無空洞。
f.養(yǎng)護(hù)、驗(yàn)收及質(zhì)量檢查。
圖5 碳纖維布布置(單位:c m)
g.表面防護(hù)(碳纖維布表面刷2cm厚膩?zhàn)樱?/p>
由于本次除險(xiǎn)加固僅僅是臨時(shí)性的,對于槽身混凝土的碳化不進(jìn)行處理,僅對有孔洞的槽身采用高等級(jí)混凝土進(jìn)行封堵。
洛河渡槽除險(xiǎn)加固已于2009年8月13日全部完工,較指揮部的要求提前2天??紤]到灌溉的緊迫形勢,新澆筑的槽身暫時(shí)不拆模,混凝土在達(dá)到初期齡期時(shí),即行輸水。現(xiàn)場輸水觀測顯示,經(jīng)碳纖維布加固后的槽體結(jié)構(gòu)無新的裂縫現(xiàn)象。洛河渡槽經(jīng)除險(xiǎn)加固后,運(yùn)行情況正常,達(dá)到了預(yù)期目的。
通過洛河渡槽的險(xiǎn)情,我們應(yīng)看到我國大型灌區(qū)20世紀(jì)六七十年代所建的大型輸水建筑物(以薄殼渡槽為代表)大都到達(dá)了使用年限,隨時(shí)都有發(fā)生險(xiǎn)情的可能。因此,對灌區(qū)較大型建筑物進(jìn)行綜合整治已是勢在必行。
需要注意的是,碳纖維布為導(dǎo)電材料,使用時(shí)應(yīng)注意電源及電器設(shè)備。丙酮、工業(yè)酒精及結(jié)構(gòu)膠為化學(xué)制品,應(yīng)密閉保存,嚴(yán)禁煙火,且在工程完工后,要妥善處理施工廢料。因此,在具體工程實(shí)施中必須由專業(yè)化隊(duì)伍進(jìn)行施工,以確保人員、工程以及生態(tài)安全。■