京密引水渠水工建筑物运行检测和安全评估（赵立庭）

摘要：京密引水梁的水工混凝土建筑物老化病害现象日趋严重, 威胁工程的安全运行。对引水渠沿线的各类闸、涵洞、山洪桥、倒红吸等混凝土建筑物进行全面的普查和检测, 对建筑物的安全状况进行了评估。检浏对了解引水梁混凝土建筑物的真实运行现状具有重要意义, 为下一步的修补加固提供了可靠的依据。

关键词：建筑物 检测 安全评估

京密引水渠是北京市的生命线, 渠上建筑物众多, 这些建筑物大多始建于20世纪60年代, 工程投人运行后, 发挥了巨大效益。但是, 随着运行年限的增长, 工程的老化病害现象日趋严重, 主要病害为混凝土裂缝、冻融剥蚀、碳化、钢筋锈蚀等, 某些涵洞、倒虹吸渗漏也比较严重。引水渠混凝土建筑物的老化病害已直接威胁工程的安全运行,限制了工程效益的发挥。另外, 一些山洪桥上通行车辆, 与原设计标准和要求不符, 部分桥梁严重超负荷运行, 构成极大的安全隐患。

2002年对京密引水渠沿线的60多个水工建筑物进行了普查和检测。对秦屯泄洪闸、雁栖泄洪闸、土城泄洪闸、东流水过渠涵洞、麻峪涵洞、刘各长涵洞、沙河倒虹吸、土城节制闸、颐和园节制闸、3#跌水节制闸及辛庄山洪桥等11个建筑物进行了重点检测和评估。

1 检测的内容和方法

1.1 普查

首先对京密引水渠沿线具备普查条件的60多个水工建筑物的运行现状进行了普查。普查包括外观检查和必要的现场检测, 外观检查主要检查建筑物表面有无疏松层、剥蚀深度和剥蚀面积、裂缝状况、钢筋是否外露及锈蚀等必要的现场检测包括混凝土的强度、碳化深度。

1.2 重点建筑物的检测和评估

根据引水渠建筑物的类别、规模、工作状况等, 对秦屯泄洪闸、雁栖泄洪闸、土城泄洪闸、东流水过渠涵洞、麻峪涵洞、刘各长涵洞、沙河倒虹吸、土城节制闸、颐和园节制闸、3#跌水节制闸及辛庄山洪桥等11个建筑物进行了重点检测和评估。重点建筑物检测的内容如下:

(2)混凝土建筑物的表面剥蚀检测:主要检测混凝土表面有无疏松层、剥蚀深度和剥蚀面积等。

(2)混凝土建筑物裂缝检测:主要检测裂缝的宽度、长度及裂缝发生的部位和分布情况。

(3)混凝土建筑物的碳化和锈蚀检测:主要检测建筑物混凝土的碳化深度、钢筋保护层厚度和钢筋锈蚀情况。

(4)建筑物混凝土的强度检测。

(5)伸缩缝的检测:主要检测伸缩缝的宽度、嵌缝材料的老化状况、漏水情况。

(6)混凝土建筑物的变形检测:通过闸墩、排架变形检测资料的分析, 对闸墩、排架的稳定性进行分析评估。

(7)其他, 包括混凝土的脱空、面渗或点渗等。

1.3 检测方法

混凝土裂缝宽度的检测采用读数显微镜进行, 采用超声波仪检测混凝土裂缝的深度, 对可能贯穿性裂缝还辅以压水试验方法检测混凝土强度采用回弹法和取芯法进行检测混凝土碳化深度的检测按电力行业标准《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)中6.1.3进行。钢筋锈蚀状态采用半电池电位法检测。采用探地雷达检测涵洞顶板混凝土是否脱空、混凝土中是否存在孔洞等缺陷。

1.4 安全评估方法

(1)涵洞和山洪桥的安全复核采用钢筋混凝土理论,根据结构的实际工作状况和功能需求, 只对其进行了极限承载能力的复核计算。复核计算中考虑了钢筋的锈蚀情况。

(2)泄洪闸应力的有限元分析。泄洪闸的应力计算比较复杂, 特别是考虑裂缝后的闸体应力, 本次计算采用空间有限单元法, 计算中考虑了裂缝等对结构应力的影响。

2 检测和评估的主要结果

2.1 跌水闸和节制闸

本次检测共对个11节制闸和6个跌水闸进行了普查和检测, 主要的检查结果为:

(1)冻融剥蚀。在所检测的节制闸和跌水闸中, 几乎所有水闸的混凝土均存在冻融剥蚀, 其中引水渠上游的1#-6#跌水闸和宫庄子、李史山节制闸冻融剥蚀尤为严重, 其他闸则相对较轻。冻融剥蚀的区域集中在水位变化区, 剥蚀的最大深度达5-6cm。冻融剥蚀的主要原因是混凝土的抗冻标号偏低。

(2)裂缝。节制闸和跌水闸中只有部分闸存在严重裂缝, 其中3#跌水闸中墩右侧面顶部有一长50-60cm的水平裂缝。6#跌水闸左侧牛腿处有局部的胀裂。西台上节制闸中墩中部的顶部(上下游方向)有一条从顶延长至2.5m长的垂直贯穿裂缝, 缝宽2mm左右。颐和园节制闸的机架桥左侧第一孔梁存在严重的裂缝, 几乎贯穿, 闸门检修时安全隐患较大。

(3)混凝土强度。经采用无损和取芯检测, 节制闸和跌水闸的混凝土强度均大于设计强度, 满足设计要求。

(4)混凝土碳化和钢筋锈蚀。由于京密沿线的建筑物已运行近40年, 因此, 混凝土碳化比较严重。据检测, 闸墩的碳化深度水下和水位变化区约为2.0-3.0cm, 水上部位为3.0-7.0cm, 机架桥排架混凝土的碳化深度为2.7-4.5cm。因钢筋保护层的厚度厚薄不匀, 局部出现钢筋锈蚀问题。

2.2 泄洪闸

京密引水渠共有泄洪闸6座, 分别为雁栖泄洪闸、秦屯、东沙河、土城、柳林、安河泄洪闸。秦屯泄洪闸为3孔,其余为2孔。除秦屯、雁栖和土城闸外, 其余3座泄洪闸老化病害问题较轻, 存在局部的剥蚀、裂缝, 混凝土碳化深度较深, 需采取措施进行防护。

土城泄洪闸的闸墩状况良好, 但是排架出现了比较严重的裂缝, 混凝土碳化深度超过了钢筋保护层的厚度, 钢筋出现了锈蚀, 排架的侧向变位超出了结构允许的变形,即已经超过正常使用极限状态的要求。综合判断土城泄洪闸的启闭机排架安全状况不满足要求。目前已采取临时措施进行加固。秦屯泄洪闸与雁栖泄洪闸老化病害严重, 病害现象相似, 现仅以秦屯泄洪闸为例简述, 现场检测和复核计算的主要结果如下:

(1)混凝土裂缝严重, 主要裂缝大多为贯穿性裂缝, 破坏了闸墩受力的整体性。右中墩的左右侧面裂缝与脱空区部位、分布和走向基本相同, 2条水平向裂缝, 长约3.0m,缝宽0.7-1.0cm, 从牛腿前部延伸至弧形闸门轨道处,3条沿弧形闸门支臂方向的裂缝, 缝长分别为4.0、3.8和3.0m,缝宽7-10mm, 从牛腿下部延伸至弧形闸门轨道处在牛腿的前后各有1条竖向裂缝, 缝长3m, 缝宽5mm, 竖向裂缝从牛腿高程处基本裂至底部。其他闸墩存在类似的裂缝。造成裂缝的原因为钢筋锈蚀。

(2)碳化深度超过了钢筋保护层的厚度, 钢筋出现了严重锈蚀, 极大影响了钢筋的承载力。

(3)起闭机大梁裂缝严重, 影响正常使用。

(4)闸墩混凝土因胀裂产生的剥蚀、脱空区约占闸墩面积的1/5, 右中墩的脱空区靠近底部, 约5m长, 3m高,最大脱空7-8cm, 其他闸墩也存在类似的脱空现象。因冻融产生的剥蚀严重, 深度达5-6cm。

(5)取芯和无损强度检测表明混凝土强度满足设计要求, 且强度较均匀, 施工质量较好。

(6)在荷载作用下, 与无裂缝时相比, 有裂缝的闸墩的应力状况大为恶化, 在裂缝附近区域出现了1.2MPa左右的拉应力区。

(7)秦屯泄洪闸中墩考虑竖向裂缝时的抗滑稳定是安全的。沿水平缝的抗滑稳定, 当钢筋锈蚀深度达到1.25mm时, 就已经处在失稳边缘, 即使不考虑钢筋的锈蚀, 其稳定安全系数也不满足现行规范的要求, 闸墩在裂缝开展后的受力状态是比较恶劣的。

2.3 过水汤洞

京密引水渠沿线共有涵洞16座, 洞身长35-58m,2-4孔居多, 麻峪涵洞孔数最多, 为8孔。由于运行年限长, 混凝土施工时质量不太好, 目前涵洞的病害比较严重, 特别是位于引水渠中上游的东流水、刘各长、沙峪沟、苏峪沟、麻峪和西村涵洞病害尤为严重。检测和评估的主要结果如下:

(1)渗漏:几乎所有涵洞的伸缩缝均存在漏水现象,接缝止水材料老化, 止水失效。部分涵洞的裂缝漏水, 其中刘各长涵洞中部漏水尤为严重。

(2)施工缺陷:东流水过水涵洞、麻峪涵洞混凝土的施工质量较差, 骨料离析和漏振现象严重, 钢筋保护层的厚度小于规范规定值, 局部钢筋根本无保护层保护。

(3)裂缝:位于引水渠下游的涵洞(西崔村涵洞以下)及赵各庄、范各庄过水涵洞由于高程较低, 洞内基本常年有水, 顶板和墩墙混凝土的裂缝较少。其余涵洞裂缝较多,尤以东流水涵洞、麻峪涵洞的裂缝最为严重。裂缝以环向裂缝和横向裂缝为主, 兼有少量的纵向裂缝。部分裂缝渗水或流白浆, 渗水的裂缝已经贯穿。涵洞的裂缝主要由温度应力引起。

(4)混凝土碳化和钢筋锈蚀:混凝土的碳化深度2.5-5.62cm, 钢筋保护层的厚度为1-2cm, 局部小于1cm,尤以东流水涵洞、麻峪涵洞钢筋锈蚀严重, 造成大面积的脱空或混凝土剥落。钢筋锈蚀造成了有效截面的减小, 局部面积的减小约为5%-10%。钢筋的锈蚀一方面使得钢筋的有效截面减小, 另一方面还使钢筋和混凝土之间的握裹力降低, 混凝土保护层胀裂, 加速结构的破坏。

(5)复核计算表明:在顶板混凝土钢筋保护层脱落或脱空处, 钢筋锈蚀严重, 涵洞处于不安全状态, 在顶板混凝土钢筋保护层未脱落或脱空处, 钢筋锈蚀的直径损失小于5%, 涵洞是安全的。

2.4 山洪桥

京密引水渠共有11座山洪桥, 山洪桥均为4孔, 跨径8m, 桥面宽度从3m至48m不等。经40余年运行后, 山洪桥存在较严重的老化, 检测和评估结果如下:

(1)混凝土桥墩。除辛庄山洪桥外, 其余山洪桥的桥墩裂缝严重, 竖向裂缝居多, 亦有环向裂缝, 裂缝宽度为0.5-5.1mm, , 经检测裂缝多为贯穿性裂缝。小辛峰、棉山东和棉山山洪桥桥墩的竖向裂缝和环向裂缝相切, 严重地破坏了桥墩结构的整体性。

(2)混凝土帽梁。混凝土帽梁存在的主要老化现象为裂缝、混凝土剥落和钢筋锈蚀。裂缝宽度多为0.5-1.0mm,横向裂缝较多。帽梁存在普遍的胀裂现象, 有的胀裂区长达4-5m。经分析为钢筋锈蚀所引起。混凝土碳化检测结果为1.75-2.8cm, 而钢筋保护层的厚度一般为1.0-1.5mm,因此, 帽梁的部分钢筋已经出现锈蚀。

(3)桥面板。在桥面板施工中, 采用土模施工, 混凝土浇筑时一部分在地面铺设油毛毡, 一部分铺设报纸, 对在下面铺设报纸浇筑的桥面板, 混凝土表面平整度较差, 钢筋保护层的厚度较小, 有的钢筋裸露在外, 经检测, 桥面板钢筋锈蚀严重, 有效断面明显减小, 承载能力大大下降而混凝土浇筑时铺设油毛毡的桥面, 混凝土中钢筋锈蚀程度较轻。

(4)辛庄山洪桥的安全评估。通过对辛庄山洪桥的跨中截面抗弯强度和端部斜截面抗剪强度的计算分析, 得到以下结论:①在不考虑结构现有缺陷的情况下, 跨中截面的抗弯能力和端部斜截面的抗剪能力满足规范的要求。②考虑钢筋的实际锈蚀后, 该桥的抗弯和抗剪强度仍满足设计要求。

2.5 倒虹吸

本次对沙河、兴寿、土城和前柳林4座倒虹吸进行了检测, 引水渠倒虹吸为2孔, 结构型式为混凝土方洞, 断面尺寸为（3-5m）×3m。倒虹吸的主要病害是伸缩缝止水材料老化, 漏水严重。沙河倒虹吸有条裂缝, 裂缝主要为横向或环向裂缝, 缝宽多为0.1-0.3mm, 靠洞子的两端裂缝较多, 中部较少, 裂缝的原因是温度作用。

3 结论

通过对京密引水渠沿线水工混凝土建筑物全面、系统的检测和评估, 对建筑物的运行现状和老化病害有了一个全面的了解, 该次检测评估的结果为引水渠建筑物的修补加固提供了可靠依据。

作者简介：赵立庭（1963-）, 男, 工程师。

来源：《北京水利》2005.4