新型防護結構在倒虹吸工程中的應用研究

張 欣，張永先

(遼寧省水利水電科學研究院建材巖土試驗研究所，遼寧 沈陽 110003)

新型防護結構在倒虹吸工程中的應用研究

張 欣，張永先

(遼寧省水利水電科學研究院建材巖土試驗研究所，遼寧 沈陽 110003)

文章介紹了遼西地區海濱灌區倒虹吸工程現狀,并分析了倒虹吸混凝土結構破損的主要類型和產生的原因。詳細說明了一種適用于倒虹吸及箱涵式輸水建筑物的新型防沖刷保溫防滲結構,介紹了該結構的組成部分及主要優勢,并在海濱灌區得到了推廣與應用,通過觀測,效果顯著。

倒虹吸;防沖刷;保溫;防滲

1 海濱灌區概況

海濱灌區位于興城市西南方向，煙臺河兩側，是興城市重要商品糧基地之一。灌區地處北溫帶，屬于溫帶大陸性季風氣候區，其特點是冬季以西北季風為主，嚴寒干燥;夏季以東南季風為主炎熱多雨，四季冷暖干濕分明。多年平均降水量為586.8m m;多年平均蒸發量為1519.9m m(E 601);多年平均氣溫在 9.1℃，極端氣溫在 -27.5～40.8℃之間。氣溫由北向南遞增;多年平均風速為2.8m/s，最大風速可達23.7m/s，為西南風。受季風和地形影響，夏季盛行南風，冬季盛行北風。主導風向為北風和西南風。標準凍土深度為1.02m。

2 倒虹吸工程現狀

灌區內建有多種渠系建筑物，其中包括十余座倒虹吸工程，運行以來每年都為農灌輸水發揮了重要作用。倒虹吸是當渠道與道路、河流發生交叉或渠道穿越山谷時經常采用的一種水工建筑物，海濱灌區內倒虹吸形式多數為廂式混凝土結構，大部分運行時間已達到20余年，尤其是2000年后煙臺河采砂造成河床下降，導致有6座倒虹吸已經完全裸露于地表。曾經對灌區2座倒虹吸進行了修復，但大部分倒虹吸由于受到灌區氣候的影響，廂體漏水、混凝土破損等問題仍十分嚴重。

3 混凝土結構破壞類型及原因分析

倒虹吸工程混凝土出現的破壞類型主要為滲漏破壞、水流沖刷侵蝕破壞、凍脹破壞，這3種破壞形式既單獨產生影響，同時又相互加重混凝土的內外損傷。夏季主要體現為滲漏缺陷;冬季主要表現為凍脹破壞，含有水分的裂縫部位和沖刷剝蝕區凍脹破壞尤其嚴重;汛期，過流泥沙對倒虹吸頂部主要產生沖刷侵蝕破壞，在頂部和倒虹吸下游均出現了較為嚴重的淘刷坑和沖刷剝蝕區。

3.1 滲漏破壞

夏季工況下，多數倒虹吸尤其是裸露于地表的6座倒虹吸，不僅經受反復內外壓差交替、突變，而且受河流沖刷、磨蝕的影響，廂體頂部與立面的連接部位多處出現混凝土漏水;裂縫、施工縫、伸縮縫部位也多處滲水。

裂縫、施工縫、伸縮縫長期滲水對結構內部鋼筋不利，將引起鋼筋銹蝕等問題;長期滲水，裂縫、施工縫、伸縮縫處的內部混凝土將會少量發生鈣質析出現象，大量發生縫口附近混凝土局部凍融破壞;裸露于地表的混凝土缺乏任何保護，碳化速度加快，導致混凝土鈣質流失、析出，混凝土變得疏松，失去強度。滲水的部位常常是內水外滲和外水內滲交替發生，倒虹吸內外壓差處于不穩定狀態。

3.2 水流沖刷侵蝕破壞

沖刷、磨蝕引起的混凝土結構體厚度減小，剝蝕深度加大、面積擴大。倒虹吸頂部和下游側立面混凝土剝蝕深度逐年增加。汛期，過流泥沙對倒虹吸頂部和下游側產生嚴重的淘刷，在頂部混凝土表面產生嚴重的剝蝕區域，混凝土表面局部出現鋼筋外露、沖蝕坑洞、表層混凝土剝落等問題，下游側出現較大的淘刷坑，甚至將倒虹吸底部基礎淘刷出坑洞。如果不及時阻斷，采取有效措施防止進一步破壞，混凝土結構體很快就大面積露出鋼筋，普遍發生銹脹破壞，雖然這些破壞目前不太嚴重，曾對少量部位進行過一定程度的修補，但是歷次修補僅僅是使用普通砂漿進行簡單的外保護，鋼筋銹蝕依然會在未來持續發生并擴大范圍，而且如果沒有修補、阻斷、防護措施，剝蝕深度和面積會不斷加深、擴大，新的銹脹和鼓脹破壞將嚴重影響鋼筋混凝土壽命。另外地表徑流沖刷和淘刷引起的基礎變動，常常導致倒虹吸整體受力不均，冬季內外結冰體更是加重了這種不均衡受力。按照鋼筋混凝土建設、維護保養5倍定律，即如果現在不采取有效措施進行表層保護、除銹、阻銹，那么未來3～5年每年將付出5倍于建設期費用的維護費來進行修補防護保養。

3.3 凍脹破壞

冬季工況下，降水和氣候共同影響導致廂體部位混凝土在受到凍脹影響的同時還經受反復凍融破壞。尤其是有滲流的裂縫、施工縫、伸縮縫更是從內部侵蝕凍傷混凝土，內外滲流結冰以及廂體整體處于凍土層以上環境，導致凍融剝蝕帶來的損害十分嚴重，有的表層混凝土基本疏松，個別嚴重的部位出現了鋼筋混凝土結構體局部塌陷、孔洞等嚴重凍害破損。

由于灌區內倒虹吸數量較多，破損率較高，因此對倒虹吸的混凝土結構進行了修補處理。但因缺乏新的材料和先進的技術手段，修補措施僅僅是使用了普通的水泥砂漿進行了簡單維修處理，在經受較長時間的運行后依然損壞嚴重。

4 修補防護措施

鑒于倒虹吸工程出現了較多的內外損傷，因此在修補防護設計中需要考慮一種新型耐用的修補加固與防護技術。

新加固修補后的倒虹吸箱體應當避免出現類似的問題，并且能夠在原有結構的基礎上進行改造，盡量節約建設基金。

首先對裂縫、滲漏、剝蝕破壞的區域進行預處理，然后使用一種新型的結構進行修補防護加固。

基于興城市海濱灌區倒虹吸的現狀及現有修補技術存在的問題，研究了一種新型的防沖刷保溫防滲結構。主要由工程原有混凝土結構、防銹鋼筋網、自流平修補加固砂漿層、錨固鋼筋、聚氨酯防水涂層、擠塑板保溫層組成，如圖1所示。

其施工工藝為:將倒虹吸混凝土結構的兩側立面和底面內側，經鑿毛露出新鮮混凝土表面后涂刷一薄層均勻的界面劑，在界面劑上鋪設防銹鋼筋網?；炷两Y構的兩側立面和底面均勻布設有鉆孔，鉆孔內置錨固劑(植筋膠)，錨固鋼筋置入鉆孔將防銹鋼筋網錨固。于防銹鋼筋網內側放置模板，模板以校緊肋板及連接錨固鋼筋的調位螺絲固定，通過模板在鋪設防銹鋼筋網的新鮮混凝土表面澆筑自流平修補加固砂漿?；炷两Y構的頂面內側依次涂刷第一層界面劑、第二層聚氨酯防水涂層。頂面和立面外側凍層以上向外依次抹布第一層砂漿修補找平層、第二層保溫粘接砂漿，粘貼擠塑板保溫層，并澆筑 C 20混凝土層。在擠塑板保溫層和C 20混凝土層的端部設置有聚氨酯防水涂層。具體如圖1所示。

圖1 新型防護結構示意圖

5 結構適應性分析

該結構不僅適用于倒虹吸結構，同樣適用于箱涵式輸水建筑物，其特點在于:針對箱涵及倒虹吸工程出現的破壞缺陷，該結構具有防沖刷保溫防滲的綜合作用。

滿足箱涵及倒虹吸混凝土結構的防沖刷需求，不使河床抬高過多，就能達到抗沖防護效果，避免使用鉛絲石籠覆蓋頂部結構增加結構體厚度;結構體凍層以上部位粘貼擠塑板，有效解決冬季工況下，河床裸露于地表，箱涵及倒虹吸內部混凝土經受凍害的問題;擠塑板具有較低的吸水率，可以長期有效地起到保溫作用，使受保護混凝土免遭凍脹、凍融破壞;聚氨酯防水涂層減少了外水內滲，使保溫層較為干燥，有利于提高保溫效果;抗沖磨砂漿保護層提高了內部混凝土表面的抗沖刷性能，使結構體不受沖刷破壞;將倒虹吸結構內部涂刷適宜厚度的聚氨酯防水材料，降低了糙率，提高了過流能力。

6 應用效果觀測

通過在興城市海濱灌區應用該種結構防護倒虹吸工程，6處倒虹吸工程均得到較好的防沖刷保護，保護長度累計達到150m，防護效果顯著，大大提升了灌區倒虹吸的使用壽命。通過現場觀測，發現保溫效果顯著，通過對結構體地面以下40c m深度的混凝土溫度進行測試發現，采用10c m厚度的擠塑板保溫層以后，能夠提高結構體溫度3～5℃，可以有效降低結構體發生凍害的幾率;通過運行觀測，發現內部防水和修補砂漿結構層完好，結構體頂部的混凝土有少量的沖刷痕跡，沒有明顯的破壞。

圖2 倒虹吸1

圖3 倒虹吸2

圖4 倒虹吸3

圖5 倒虹吸4

圖6 倒虹吸5

圖7 倒虹吸6

7 結語

通過持續觀測6座倒虹吸工程發現，為了達到預定的防沖刷保溫防滲效果，需要在材料的選擇、施工工藝、結構設計等方面因地制宜地予以充分考慮。采用擠塑板保溫效果就比苯板效果好，擠塑板具有極低的吸水率，既可以保溫又具有防水效果;素混凝土位于擠塑板上層，既對隔熱層予以保護，又可以代替鉛絲石籠，降低覆蓋厚度;在該結構施工開展之前應該先對裂縫、滲漏、剝蝕等缺陷進行預處理，處理完畢后再開展該結構的施工。

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圖4 銅綠微囊藻葉綠素a濃度與藻密度的關系

銅綠微囊藻密度與葉綠素a的具有較好的線性關系，其回歸方程為:y=0.3618x，相關系數R2= 0.9945，其中:y為銅綠微囊藻的密度(107個/L)，x為樣品中葉綠素a的濃度(μ g/L)。

4 討論

浮游生物細胞計數方式有:光學顯微鏡鏡檢、藻類葉綠素a的轉換、分光光度計的光吸收、熒光分光光度計的多波段檢測等，其中藻類的光學顯微鏡檢是最直接的檢測方式，但通常浮游植物在地表水體中浮游生物的密度較低，需要濃縮才能進行測定，固定時間為24～36h，還需要濃縮鏡檢的時間，鏡檢耗時但準確性較好。

分光光度計和葉綠素a的藻類換算計數則僅限于單種(純種)藻類的計數換算，且已知單種藻的換算關系下進行。除少數種類(如銅綠微囊藻)絕大部分的藻類都未探討過其中的換算關系，因自然界中藻類的物種多樣性較大，每一水體都是由幾門的幾百種的浮游植物構成，故探討某一種類的關系有一定的局限性，但在水華期間，單種藻占據水體浮游植物細胞數的95%以上，其線性關系較明顯，簡單的測量能較快地反映水體的細胞數及生物量，節省很多人力物力。此方式也適用于人工培養的藻類水體(如螺旋藻)和實驗室純培養實驗。

熒光分光光度計的多波段檢測能較快反映藻類4門的藻類密度狀況，但也缺乏嚴格校正的換算關系，如藍藻(Bluegreen algae)在德國B B E藻類分類檢測儀的換算關系為1μg的葉綠素a等于1×106個的藻細胞，而通過本次實驗則獲得的銅綠微囊藻的數據為1 μ g的葉綠素a換算成3.62×107個的藻細胞，差別較大。筆者曾用密度為 2.2767×108個/L的微囊藻藻液進行測量，儀器顯示為2.37× 108個/L，誤差為3.93%，在細胞計數方面B B E藻類分類檢測儀的誤差相對較小。

不同的浮游植物中含有種類眾多的色素，其中葉綠素a存在于所有的浮游植物當中。雖然不同種類含有的葉綠素a的量不同，但在反映藻類的總生物量中葉綠素a有一定的優勢。無論是自然的地表水體還是水華期的湖庫，都能比較直觀反映浮游植物的生長狀況，因此在水體富營養化評價當中，葉綠素a是不可缺少的評價工具。

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10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.044

2016-08-10

水利部科技推廣計劃項目(T G 1507)作者簡介:張 欣(1984年—)，女，工程師。