基于水閘除險加固工程的耐久性檢測與分析

張麗靜

(盤錦禹泰水利工程質(zhì)量檢測有限公司，遼寧 盤錦 124200)

鋼筋銹蝕是水工建筑物安全鑒定以及鋼筋混凝土耐久性分析經(jīng)常遇到的問題，因耐久性不良造成水工建筑物損壞的事例時有發(fā)生，甚至帶來人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。由于鋼筋銹蝕，水閘大壩等實(shí)際工程極易出現(xiàn)混凝土開裂等病害，工程結(jié)構(gòu)承載力下降，對水工建筑物安全構(gòu)成潛在威脅，對此必須給予高度重視[3]。

遼河盤錦城市防洪段水閘承擔(dān)著盤錦市部分工業(yè)用水、城市居民用水、西郊近4.33萬hm2葦田及兩岸4.93萬hm2水田的灌溉用水任務(wù)，樞紐工程發(fā)揮著提高閘上水位、改善水質(zhì)、水量調(diào)蓄等重要功能。該工程于1969年建成投入運(yùn)行，工程等別定Ⅰ等，深孔閘、進(jìn)水閘、船閘、淺孔閘、左右岸連接段等主要建筑物為1級，下游防護(hù)堤、過水橫堤等次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。水閘設(shè)計和校核洪水位8.10m、9.08m，正常蓄水位4.3m。經(jīng)長期運(yùn)行，水閘老化失修、結(jié)構(gòu)破損、鋼筋銹蝕、混凝土碳化嚴(yán)重。因此，文章依據(jù)相關(guān)規(guī)范檢測分析了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性，旨在為水閘除險加固工程設(shè)計和安全運(yùn)行提供一定技術(shù)支持。

1 檢測內(nèi)容、依據(jù)

1.1 檢測內(nèi)容

1)全面檢查水閘水上部分的外觀質(zhì)量，檢查項(xiàng)目有混凝土破損、異常變形和表面缺陷，并檢測水下部分的護(hù)坦、消力池、閘底板、閘墩等混凝土結(jié)構(gòu)。

2)重點(diǎn)檢測典型的扎孔，檢測內(nèi)容主要有鋼筋銹蝕、保護(hù)層厚度、碳化深度和構(gòu)件強(qiáng)度。

1.2 檢測依據(jù)

檢測依據(jù)和檢測規(guī)范有回彈法、鉆芯法、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、《水閘設(shè)計規(guī)范》、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《水閘安全鑒定規(guī)定》等。

2 檢測結(jié)果

2.1 外觀質(zhì)量檢測

測試工具有照相機(jī)、顯微鏡、水下電視和測試等，應(yīng)用局部打開、拍照、外觀質(zhì)量描述、直觀量測等方式檢測混凝土剝落、裂縫、施工缺陷等分布及其破損程度。

1)閘墩。水位變化區(qū)混凝土裸露、閘墩石子外露，分縫內(nèi)的瀝青脫落及老化明顯，并出現(xiàn)一定程度的拉開現(xiàn)象，最大拉開處分縫達(dá)到5.0cm。下游5#邊墩上部存在混凝土剝落、局部鋼筋銹蝕、鋼筋裸露等情況，上游1#孔右墩部位出現(xiàn)破損。

2)鋼筋混凝土閘門。閘門底部普遍出現(xiàn)比較嚴(yán)重的混凝土剝落現(xiàn)象，3#孔閘門4號梁的混凝土松散不密實(shí)，局部存在蜂窩，5#孔閘門頂梁破損且主筋出現(xiàn)比較嚴(yán)重的銹蝕、裸露。

3)胸墻。3#孔胸墻橫向鋼筋嚴(yán)重銹蝕并且已經(jīng)露出，上部局部破損；3#孔胸墻混凝土剝落且鋼筋銹蝕，出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕且裸露的縱向鋼筋就有10根?？傮w而言，各孔胸墻石子裸露、混凝土剝落。

4)工作橋。橋面石子裸露嚴(yán)重，混凝土剝落，橋梁底面普遍存在鋼筋銹蝕、露筋、鋼筋銹漲以及混凝土成片剝落現(xiàn)象。

5)啟閉機(jī)大量。各孔啟閉機(jī)大量底面混凝土剝落，鋼筋銹蝕、箍筋和主筋裸露，鋼筋銹蝕并出現(xiàn)成片剝落。

6)啟閉機(jī)大梁下排架。排架柱及其聯(lián)系梁之間的聯(lián)系梁石子嚴(yán)重裸露，局部混凝土剝落，3#孔左排架柱混凝土嚴(yán)重剝落，鋼筋存在銹漲現(xiàn)象。

7)公路橋。各孔公路橋橋梁地面的鋼筋銹蝕嚴(yán)重、箍筋或主筋露出，混凝土剝落、鋼筋漲銹成片剝落，個別箍筋出現(xiàn)銹斷現(xiàn)象。

8)翼墻。水位變化區(qū)上下游左、右翼墻局部混凝土石子裸露、蜂窩、剝落，翼墻分縫最大拉開達(dá)到8cm，大部分翼墻分縫都拉開，上部擋墻最大分縫拉開達(dá)到10cm。上部混凝土欄板破損長度達(dá)到3.8m，欄板破損，下游左岸翼墻出現(xiàn)1條峰寬2cm的垂直裂縫，上部擋墻出現(xiàn)3條峰寬0.2～0.5mm的裂縫，翼墻混凝土局部破損嚴(yán)重。

9)啟閉機(jī)控制房。各孔間立柱分縫最大峰寬達(dá)到4.0cm，拉開比較明顯，左、右側(cè)地面的橫向裂縫明顯，上下游出現(xiàn)貫穿分縫，最大峰寬0.6mm。4#孔左側(cè)上游出現(xiàn)1條峰寬0.4mm的斜裂縫，啟閉機(jī)控制房樓板地面混凝土剝落嚴(yán)重，鋼筋銹蝕并明顯露出。

10)水下部位的護(hù)坦、消力池、閘底板和閘墩。上游護(hù)坦分縫與1#孔查底板處出現(xiàn)約2cm的錯位錯峰，長度接近3.0m，上游右墩分縫與3#孔閘室底板瀝青脫落、拉開，峰寬處于2.0～4.0cm范圍，上游左墩分縫與5#孔閘室底板處瀝青脫落、拉開，峰寬處于2.0～3.0cm范圍。消力池分縫與下游1#孔閘室底板處局部沖刷脫落，瀝青老化且出現(xiàn)明顯拉開，峰寬處于2.0～5.0cm之間；順?biāo)鞣较?#孔消力池右側(cè)底板出現(xiàn)深2.0～3.0cm、寬0.2～0.5m、長約0.8m的沖刷槽。下游5#孔閘室底板與左、右墩分縫處峰寬處于2.0～3.0cm范圍，瀝青脫落且出現(xiàn)拉開。

2.2 重點(diǎn)檢測

2.2.1 混凝土強(qiáng)度

采用鉆孔取芯法檢測水閘閘墩混凝土抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表1。然后利用回彈法檢測公路橋排架柱、公路橋橋梁、啟閉機(jī)大梁下排架柱、啟閉機(jī)大梁、工作橋橋梁、側(cè)立柱、擋浪墻、胸墻、閘門頂梁等混凝土抗壓強(qiáng)度，檢測結(jié)果見表2。

表1 鉆芯法檢測結(jié)果

表2 回彈法檢測結(jié)果

由表1可知，鉆孔取芯檢測的閘墩混凝土符合現(xiàn)行規(guī)范SL191-2008要求，滿足抗壓強(qiáng)度設(shè)計要求。結(jié)合表2的數(shù)據(jù)，測試齡期內(nèi)被檢測構(gòu)件的回彈強(qiáng)度推定值均符合設(shè)計要求，測試齡期內(nèi)除1#孔側(cè)立柱、公路橋橋梁外其余構(gòu)件回彈強(qiáng)度推定值均符合規(guī)范規(guī)定的耐久性要求。強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)表現(xiàn)出明顯的離散性，即同一構(gòu)件不同測區(qū)及同一類結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件的強(qiáng)度測量值明顯不同[4-5]。不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度離散程度存在較大差異，如側(cè)立柱、公路橋排架柱、胸墻等構(gòu)件具有較大的離差系數(shù)，這可能與混凝土質(zhì)量狀況不勻、所受老化侵害程度不同、當(dāng)時施工質(zhì)量控制不嚴(yán)等因素有關(guān)，并且1#側(cè)立柱、公路橋橋梁不符合耐久性要求。

2.2.2 混凝土碳化深度

首先，對被測試構(gòu)件表面用沖擊鉆打孔，然后將鉆孔內(nèi)粉末清除干凈，用酚酞試劑噴涂孔內(nèi)，碳化深度即為不變色的厚度，厚度用游標(biāo)卡尺測量，測區(qū)內(nèi)閘孔混凝土的碳化深度見表3。

結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)，除閘門、閘墩外其它結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)比較嚴(yán)重的混凝土碳化，碳化深度整體處于10mm以上。同一構(gòu)件不同部位甚至同一結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件的碳化深度差異明顯，這表明混凝土質(zhì)量不均勻且密實(shí)性差異顯著[6]。

表3 混凝土碳化深度檢測值 mm

2.2.3 鋼筋銹蝕率

首先，將不同破壞程度的構(gòu)件表層混凝土鑿去直至已銹蝕鋼筋露出，然后將表面銹蝕產(chǎn)物清理干凈，利用游標(biāo)卡尺測量鋼筋銹蝕后的直徑，對照鋼筋設(shè)計值確定損失率，抽樣檢測結(jié)果見表4。

表4 抽樣檢測鋼筋銹蝕損失率

從表4可以看出，各結(jié)構(gòu)部位均存在一定程度的鋼筋銹蝕，其中鋼筋銹蝕最為嚴(yán)重的是3#公路橋橋梁，主筋截面最大損失率17.22%，箍筋截面最大損失率達(dá)到100%，即已經(jīng)銹斷。5#啟閉機(jī)大梁主筋和箍筋的截面最大損失率達(dá)到13.09%、24.00%，4#孔胸墻、4#孔側(cè)立柱、5#孔工作橋橋梁主筋的截面最大損失率達(dá)到14.25%、15.68%、9.72%。

2.2.4 鋼筋保護(hù)層厚度

首先，將主要構(gòu)件的表面混凝土用沖擊鉆除去，對保護(hù)層厚度部位特點(diǎn)用鋼筋保護(hù)層厚度測定儀測定，檢測結(jié)果如表5。

表5 鋼筋保護(hù)層厚度測量值 mm

由表5可知，測量的鋼筋保護(hù)層厚度具有較大的離散性，擋浪墻、側(cè)立柱、公路橋排架柱、啟閉機(jī)大梁下排家住、閘墩的鋼筋保護(hù)層厚度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，而工作橋橋梁、公路橋橋梁、胸墻、閘門頂梁、啟閉機(jī)大梁不符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

2.3 結(jié)果分析

結(jié)合檢測結(jié)果，遼河盤錦城市防洪段水閘混凝土結(jié)構(gòu)的破壞形式以混凝土剝落、鋼筋銹蝕、露砂露石、順筋裂縫等耐久性問題為主，此外還存在閘底板、翼墻、閘墩等結(jié)構(gòu)不均勻沉降和輕微位移現(xiàn)象，水流沖刷引起不同程度的磨蝕破損。

測量的鋼筋保護(hù)層厚度具有較大離散性，工作橋橋梁、公路橋橋梁、胸墻、閘門定量、啟閉機(jī)大量不符合現(xiàn)行規(guī)范要求。依據(jù)碳化值檢測結(jié)果，這些結(jié)構(gòu)的最小保護(hù)層厚度均小于測點(diǎn)碳化深度。所以，保護(hù)層厚度不足、施工控制不嚴(yán)、碳化深度較大、偏筋等為引起鋼筋銹蝕的關(guān)鍵原因[7]。

變形鋼筋的橫肋對混凝土的咬合作用及混凝土與鋼筋的黏結(jié)為兩者錨固力的來源，銹蝕減少了鋼筋截面積，并進(jìn)一步降低了力學(xué)性能。研究表明，截面積損失處于10%～60%范圍時鋼筋的力學(xué)性能明顯下降[8-9]。結(jié)合檢測結(jié)果，該水工結(jié)構(gòu)各部位鋼筋出現(xiàn)了一定的銹蝕，其中工作橋橋梁、側(cè)立柱、胸墻、啟閉機(jī)大梁、公路橋橋梁鋼筋嚴(yán)重銹蝕，部分構(gòu)件出現(xiàn)成片剝落的現(xiàn)象。鋼筋銹蝕最為嚴(yán)重的是3#公路橋橋梁，主筋截面最大損失率17.22%，箍筋截面最大損失率達(dá)到100%，即已經(jīng)銹斷。因此，必須對鋼筋銹蝕較嚴(yán)重的工作橋橋梁、側(cè)立柱、胸墻、啟閉機(jī)大梁、公路橋橋梁等構(gòu)件實(shí)施維修加固。

總體而言，碳化導(dǎo)致鋼筋銹蝕脹裂、碳化深度超過保護(hù)層厚度、鋼筋保護(hù)層厚度不足和混凝土質(zhì)量控制不嚴(yán)等導(dǎo)致耐久性不足、混凝土破壞的主要原因。因此，為保證結(jié)構(gòu)耐久性和抗碳化能力，設(shè)計和施工必須嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，盡可能選用高抗?jié)B混凝土；為防止偏筋、鋼筋跑位等應(yīng)采取有效的防護(hù)措施；在安裝預(yù)制構(gòu)件時先檢測保護(hù)層厚度，保證其滿足設(shè)計要求[10-13]。

3 結(jié) 論

1)經(jīng)長期運(yùn)行，遼河盤錦城市防洪段水閘整體老化失修，安全隱患較多，如閘底板、翼墻、閘墩等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降和輕微的位移，水流沖刷致使過流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同的磨蝕。

2)水上鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)鋼筋銹蝕、露砂露石、順筋裂縫、剝落破損等外觀缺陷，局部非常明顯。抽樣檢測的混凝土保護(hù)層厚度、碳化深度、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)具有較大離散性，表明遼河盤錦城市防洪段水閘建造時施工質(zhì)量較差，整體質(zhì)量不均衡。

3)局部鋼筋保護(hù)層厚度不足、偏筋嚴(yán)重、混凝土質(zhì)量控制不嚴(yán)等是水閘水上(大氣中)部位耐久性不足和結(jié)構(gòu)破損的主要原因，局部保護(hù)層厚度小于混凝土碳化深度并導(dǎo)致鋼筋的銹蝕脹裂。此外，必須對鋼筋銹蝕較嚴(yán)重的工作橋橋梁、側(cè)立柱、胸墻、啟閉機(jī)大梁、公路橋橋梁等構(gòu)件實(shí)施維修加固。