禹門口灌區(qū)固鎮(zhèn)輸水暗涵維修降糙方案探討

南江江

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原030024）

0 引言

山西禹門口水利工程是一個集泵站、水庫、灌區(qū)等為一體的大型綜合性水利工程，整個工程主要由樞紐工程、北干線工程、南干線工程、調(diào)蓄工程和灌區(qū)五部分組成。北干線工程的起點(diǎn)是禹門口樞紐一級站，終點(diǎn)是臨汾翼城縣的北常水庫，全長135 km，其中渠道78 km，管道57 km。渠道部分利用原禹門口灌區(qū)二級干渠輸水，長度67.2 km。由于原二級干渠增加禹門口東擴(kuò)工程供水任務(wù)和現(xiàn)狀二級干渠分水口位置與原規(guī)劃有所變化，故禹門口北干線二級干渠設(shè)計(jì)輸水流量增大，須提高原二級干渠67.2 km 渠道的輸水能力，對工程安全運(yùn)行提出更高要求，以滿足整個禹門口水利工程的供水需求。

固鎮(zhèn)暗涵屬于二級干渠配套建筑物，位于二級干渠樁號8+613 至9+829 處，其輸水能力須從現(xiàn)狀12.47 m3/s 提高到16.0 m3/s。

1 現(xiàn)狀固鎮(zhèn)暗涵

現(xiàn)狀固鎮(zhèn)暗涵設(shè)計(jì)過流量12.47 m3/s，洞身全長1 216 m，建于20 世紀(jì)90年代，線路從固鎮(zhèn)村穿過，采用200#混凝土（相當(dāng)于現(xiàn)行C18 混凝土）襯砌，弧底馬蹄形斷面，弧底和側(cè)弧半徑均為5.25 m，頂拱為半圓形，半徑1.75 m，底寬3.14 m，凈高3.35 m。原設(shè)計(jì)過流能力12.47 m3/s，底坡1/2 000，糙率0.014，設(shè)計(jì)水深2.38 m，設(shè)計(jì)流速1.61 m/s。進(jìn)出口明挖埋涵段混凝土襯砌厚度35 cm，洞挖段底板襯砌厚35 cm，側(cè)墻及頂拱噴8 cm 厚200#混凝土再內(nèi)襯25 cm 厚200#混凝土?，F(xiàn)狀暗涵每8 m 設(shè)置了一道橫向伸縮縫，另外在暗涵底板左右兩側(cè)各設(shè)置了一道縱縫，縫內(nèi)采用鍍鋅鐵皮止水?，F(xiàn)狀固鎮(zhèn)暗涵橫斷面見圖1。

圖1 固鎮(zhèn)暗涵橫斷面圖

2 暗涵存在的主要問題

固鎮(zhèn)暗涵已建成20 多年，現(xiàn)狀存在以下主要問題：1）暗涵內(nèi)部淤積比較嚴(yán)重，平均淤積厚度在40～50 cm 左右；2）暗涵伸縮縫表面填充物破損嚴(yán)重，致使暗涵存在滲漏水現(xiàn)象；3）由于長期運(yùn)行，暗涵迎水面局部混凝土襯砌不平整，存在混凝土剝蝕和沖蝕破壞；4）由于二級干渠增加禹門口東擴(kuò)工程供水任務(wù)和規(guī)劃分水口位置變化，致使暗涵過流能力不能滿足工程需求。

3 暗涵維修降糙

固鎮(zhèn)暗涵由于長期運(yùn)行及混凝土表面剝蝕老化，表面糙率增加，暗涵改造設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)輸水流量由12.47 m3/s 提高到16.0 m3/s。

固鎮(zhèn)暗涵從固鎮(zhèn)村穿過，從現(xiàn)場地形、地貌和暗涵上、下游銜接等因素考慮，在該位置通過擴(kuò)建工程增大供水規(guī)模，投資大且對村民的生活影響較大，故在不擴(kuò)建或改建工程的前提下，采取對暗涵維修、降糙措施來提高其過流能力是最簡潔和投資最省的方法。

3.1 暗涵過流能力計(jì)算

由于暗涵總長1 216 m，大于8H（H 為進(jìn)口矩形渠道水深2.29 m），故為長洞。無壓長洞暗涵過流能力計(jì)算采用明渠均勻流公式：

式中：Q——設(shè)計(jì)流量，m3/s；

A——過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

R——水力半徑，m；

i——洞底縱坡，1/2 000；

n——暗涵糙率，混凝土結(jié)構(gòu)取0.014，涂層取0.01。

固鎮(zhèn)暗涵維修降糙前后水力要素計(jì)算對比見表1。

表1 固鎮(zhèn)暗涵維修降糙前后水力要素對比表

固鎮(zhèn)暗涵維修降糙后，設(shè)計(jì)水面以上的凈空面積占涵內(nèi)橫斷面面積的27.7%，大于10%且小于30%，凈寬高度1.15 m 大于0.75 m，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，故采用涂層降糙其過流能力能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 暗涵迎水面維修

對暗涵迎水面混凝土襯砌表面不平整及襯砌破損部位，先去除襯砌表面的粉塵、油污等雜質(zhì)，對需要修補(bǔ)的部位進(jìn)行鑿毛處理并沖洗干凈，再用聚合物纖維水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)，厚度2～3 cm。

聚合物纖維水泥砂漿是通過向水泥砂漿中摻入聚合物乳膠改性及纖維材料而制成的一種有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料，與普通水泥砂漿相比，聚合物水泥砂漿的彈性模量低、抗拉強(qiáng)度高、極限拉伸率高、與老混凝土的粘接強(qiáng)度高，因此聚合物水泥砂漿適用于水工混凝土結(jié)構(gòu)的薄層表面修補(bǔ)。

因聚合物纖維水泥砂漿具有較好的粘接性能，故對暗涵迎水面存在混凝土剝蝕或局部沖蝕破壞的區(qū)域，采用聚合物纖維水泥砂漿對表面進(jìn)行修補(bǔ)。采用聚合物纖維水泥砂漿修復(fù)工序?yàn)椋簞兾g混凝土的清除、基層處理及聚合物纖維水泥砂漿施工。

當(dāng)剝蝕深度大于0.5 cm 時，先鑿除脫空的混凝土，直至出露新鮮堅(jiān)硬的混凝土面，鑿除深度應(yīng)大于1 cm，且鑿除厚度宜均勻，鑿除坑的周邊應(yīng)垂直，輪廓線宜構(gòu)成凸多邊形。出露的鋼筋如發(fā)生銹蝕，應(yīng)進(jìn)行除銹處理，然后涂刷阻銹劑。

對需采用聚合物水泥砂漿修補(bǔ)的部位，在聚合物水泥砂漿修復(fù)前，應(yīng)在處理好的基層表面涂刷界面劑，界面劑可選聚合物水泥凈漿或水溶性環(huán)氧類粘結(jié)劑等。涂刷界面劑厚薄應(yīng)均勻，界面劑涂刷對基面的要求及涂刷后至修補(bǔ)材料覆蓋的時間間隔應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

聚合物纖維水泥砂漿修復(fù)的主要技術(shù)要求如下：

1）聚合物纖維水泥砂漿的材料配比（重量比）

水泥∶砂∶乳液∶水∶減水劑∶纖維＝1∶2∶20%∶2.8%∶0.7%∶0.25%

2）界面劑配比（重量比）

乳液∶水泥＝1∶2

3）聚合物水泥砂漿的主要性能

聚合物水泥砂漿主要性能指標(biāo)見表2。

表2 聚合物水泥砂漿主要技術(shù)指標(biāo)

3.3 伸縮縫維修

針對暗涵伸縮縫填充物破損嚴(yán)重，首先剔除破損的填充物，回填GB 柔性止水填料，然后沿伸縮縫粘貼寬5 cm、厚1 mm 的GB 止水板，最后在伸縮縫表面刮涂寬30 cm、厚4 mm 的SK 單組份手刮聚脲涂層。暗涵伸縮縫止水修復(fù)大樣見圖2。

圖2 暗涵伸縮縫止水修復(fù)大樣圖

3.4 暗涵洞身降糙

暗涵洞身降糙采用涂層處理的方法進(jìn)行，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選用YEC 環(huán)氧涂層或手刮聚脲涂層對暗涵進(jìn)行降糙處理，均可提高暗涵的防滲性及耐久性，同時降低暗涵的糙率，提高其過流能力。

3.4.1 涂層材料

1）YEC 環(huán)氧涂層

YEC 系列環(huán)氧防護(hù)涂層材料是新系列混凝土修補(bǔ)材料之一，采用了新型的環(huán)氧配合體系，并結(jié)合水工混凝土及運(yùn)行工況等特點(diǎn)，高溫高濕環(huán)境下，通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高材料的裂紋阻斷能力，并減少材料內(nèi)應(yīng)力，具有粘結(jié)效果好、高強(qiáng)高韌、抗開裂能力強(qiáng)、長期耐水性能優(yōu)異等特點(diǎn)。

YEC 環(huán)氧涂層的性能特點(diǎn)：

（1）在水工混凝土高濕環(huán)境下施工優(yōu)勢明顯；

（2）適用于混凝土表面的封閉處理及薄層防護(hù)，具有優(yōu)異的抗?jié)B、抗沖磨、抗氣蝕及防凍融等防護(hù)效果，并具有較好的抗背水滲透能力，是水工混凝土表面防護(hù)的一種理想材料；

（3）具有優(yōu)異的對基層混凝土粘結(jié)性能和良好的抗沖磨性能；

（4）長期耐水性能極佳；

（5）防護(hù)涂層韌性大，具有優(yōu)異的裂紋阻斷能力，可以降低應(yīng)用中的開裂、脫空等現(xiàn)象；

（6）施工性能好：常溫固化，施工溫度大于5℃即可，施工快速方便，高濕條件下施工質(zhì)量可靠；

（7）環(huán)境友好：該產(chǎn)品無揮發(fā)性組份、無污染，固化物無毒、耐介質(zhì)性好。

YEC 環(huán)氧防護(hù)涂層性能指標(biāo)見表3。

表3 YEC 環(huán)氧涂層材料主要技術(shù)指標(biāo)

2）單組份手刮聚脲涂層

單組份手刮聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防滲、裂縫和伸縮縫表層防滲，以及流速小于30 m/s 的過流面的抗沖磨防護(hù)與表面耐久性防護(hù)。

單組份手刮聚脲涂層的性能特點(diǎn)：

（1）材料為脂肪族，耐老化性能好，不變色；

（2）材料適應(yīng)：環(huán)境因素變化不穩(wěn)定、低溫和高濕環(huán)境；

（3）抗沖磨性能好；

（4）與基礎(chǔ)混凝土粘接強(qiáng)度高，一般在基層混凝土允許的情況下大于2.5 MPa；

（5）為單組份材料，避免了施工中配合比不當(dāng)造成質(zhì)量缺陷，不需要專門的設(shè)備，分層施工，能保證涂層厚度的均勻性及寬度；

（6）防滲、抗凍效果好，耐化學(xué)腐蝕；

（7）人工刮涂，一次涂刷厚度為1 mm，需要分層涂刷，固化時間較長；

（8）施工性能好：施工溫度大于5℃，至少養(yǎng)護(hù)72 h，施工工藝簡單，可以多個工作面同時施工；

（9）容易控制材料質(zhì)量。

單組份手刮聚脲涂層性能指標(biāo)見表4。

表4 單組份手刮聚脲涂層性能指標(biāo)

3.4.2 涂層對比

涂層對比見表5。

表5 涂層對比表

3.4.3 洞身降糙方案分析

暗涵混凝土過水?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)糙率0.014，YEC 系列環(huán)氧防護(hù)涂層和單組份手刮聚脲涂層的糙率試驗(yàn)結(jié)果為0.089～0.010，暗涵迎水面采用涂層處理后綜合糙率取0.010，經(jīng)涂層處理后暗涵設(shè)計(jì)過流量16.0 m3/s 對應(yīng)設(shè)計(jì)水深2.2 m，小于改造前設(shè)計(jì)水深2.38 m。

暗涵進(jìn)口及出口渠道改造后設(shè)計(jì)流量均為16 m3/s，進(jìn)口矩形渠道設(shè)計(jì)水深2.29 m，出口矩形渠道設(shè)計(jì)水深2.28 m，暗涵維修降糙后設(shè)計(jì)水深2.20 m，其進(jìn)口水流可平順銜接，出口會存在小范圍的輕微壅水現(xiàn)象，不影響整個二級干渠的過流。

由于本工程暗涵水流設(shè)計(jì)流速2.24 m/s，為非高速水流，設(shè)計(jì)涂層厚度按平均厚2 mm。根據(jù)各涂層性能特點(diǎn)和對比表5，暗涵進(jìn)、出口洞身由于冬季輸水氣溫低，受外界光照、紫外線、溫度、濕度和刮風(fēng)等外界環(huán)境因素影響較大，故其進(jìn)、出口各100 m 范圍內(nèi)暗涵迎水面選用厚2 mm 單組份SK 手刮聚脲涂層進(jìn)行降糙處理；暗涵中段由于內(nèi)部環(huán)境比較穩(wěn)定，濕度大，受外界環(huán)境變化因素影響小，考慮到盡量節(jié)省投資，暗涵中段迎水面選用厚2 mmYEC 環(huán)氧防護(hù)涂層進(jìn)行降糙處理。這樣在不擴(kuò)建或改建暗涵的前提下，提高了其過流能力，并滿足工程防滲及過流要求，節(jié)省了工程投資。

4 結(jié)語

禹門口灌區(qū)固鎮(zhèn)暗涵通過維修、降糙處理后，經(jīng)過通水運(yùn)行觀察，相關(guān)病害得到有效處理，滲漏問題得到徹底解決，暗涵運(yùn)行水位下降、流速增大，過流能力明顯提高，工程處理效果良好。