基于文物保護視角的上吳渡槽修復研究

葉俊飛,邵志平,季哲丞,丁春梅

(1.義烏市水務局,浙江 義烏 322000;2.義烏市赤岸鎮人民政府,浙江 義烏 322000;3.浙江水利水電學院 水利與環境工程學院,浙江 杭州 310018)

中國擁有豐富的淡水資源,但水資源的地域分布卻存在不均衡的情況,無法很好地解決農田灌溉問題。為了解決這個問題,在二十世紀六七十年代,我國修建了大量的渡槽工程。這些渡槽至今仍在使用,大部分已超過設計年限,存在著一定的安全隱患[1],需要對其進行修繕。

部分老舊渡槽承載著當地水利工程的發展和歷史變遷,反映了特定的歷史和文化環境。這些渡槽具有獨特的建造技術、設計風格和歷史背景,對于研究和保護水利工程的歷史和文化遺產具有重要意義。因此,筆者研究老舊渡槽的病理狀況以及老化成因,并提出適宜的修復措施,以期為類似渡槽的修復提供借鑒。

1 工程概況

上吳渡槽位于浙江省義烏市赤岸鎮,為U形薄殼渡槽,全長600 m。渡槽由49榀排架及50節槽身組成,排架高度為24 m,寬度為2.8 m,槽身為薄殼渡槽,厚度為35 mm。

渡槽于1972年6月開始動工修建,1973年2月竣工,工程建成至今已有50余年(圖1)。由于受限于渡槽建設時的經濟條件,再加上渡槽已服役多年,現在的渡槽各部分已經出現了不同程度的老化以及破損情況。

圖1 上吳渡槽側視圖

2 水利工程視角下渡槽修復工作的特點

渡槽作為一種輸水建筑物,常用于引導河流、溪流或運河水流,用于供水、灌溉、發電和排水等,長期使用可能出現腐蝕與漏水的問題,因此對病害渡槽進行加固非常有必要。由于渡槽結構的復雜性,在修復過程中需要綜合考慮多方面的因素,以確保渡槽的正常運行和長期穩定。從水利工程視角出發,渡槽修復的主要目的是滿足安全性和耐久性。

2.1 安 全 性

首先,確保渡槽修復過程不會影響渡槽的整體穩定性;其次,確保渡槽在完成工程修復后能夠減輕病害程度,并滿足現有的規范要求,確保渡槽的安全運行。

2.2 耐 久 性

上吳渡槽服役多年,渡槽各部分已經出現了不同程度的老化以及破損情況,影響到渡槽的正常使用。通過對渡槽槽身和排架柱等部位進行合理的修復,可以提高渡槽結構的強度和耐久性,延長渡槽的使用壽命。

3 文物保護視角下渡槽修復的特點

上吳渡槽建設時間久遠,作為柏峰水庫水利工程西干渠的一部分,上吳渡槽持續存在和使用的歷史可以追溯到20世紀70年代,作為保存至今的水利工程項目[2],上吳渡槽的存在反映了義烏市水利發展的歷史過程,既代表了我國在20世紀的水利工程發展情況,也展示了當時人們解決農田灌溉工程問題的技術和能力。渡槽的設計、建造和維護,以及所應用的材料和技術,對未來研究水利工程歷史和發展具有重要參考價值。另外,作為義烏市的標志性建筑,上吳渡槽也是當地文化遺產的象征。通過修繕和保護上吳渡槽,進一步挖掘渡槽相關的旅游資源,可以增進公眾對渡槽歷史和文化背景的了解,提高公眾對水利工程的認識和對渡槽的保護意識。

上吳渡槽的修復工作應從文物保護的視角出發,盡可能確保渡槽的穩定性及完整性,修復原則可概括為:保護為主、修舊如舊和無損加固[3]。

3.1 保護為主

修復的過程中應最大限度地尊重歷史原貌和保留歷史信息。保護修復設計并不是對文物建筑進行重新設計,也不是將其轉變成古建筑設計,而是通過遵循修復原則,采取合理的修復措施和技術手段,解決文物建筑存在的問題。修復時應最大限度地保持建筑原始風貌,不破壞渡槽原有外觀,盡量減少使用鉆孔工藝;同時采用外包鋼、粘碳纖維、環抱箍緊等措施,避免破壞原有的結構,確保修復后的渡槽能夠保持其原有的歷史特征和文化價值,同時提高其安全性和耐久性。通過合理的修復設計和技術手段,可以解決渡槽存在的問題,延長其使用壽命,并保留渡槽作為文化遺產的重要價值。

3.2 修舊如舊、無損加固

修復的主要目的是保留上吳渡槽的歷史原貌和建筑特征,以維持其獨特價值和真實性。修復過程中,應采用恰當的材料和工藝。選擇修復材料時,優先考慮與原渡槽相同或相似的材料,以確保修復后的渡槽與原建筑保持一致,在無法使用和原有渡槽相同的材料的情況下,可尋找具有相似顏色、紋理和質感的替代品。

此外,除了外觀上的修復,恢復渡槽原有的輸水功能也是修復的目的之一,以使渡槽在修復后能夠繼續發揮使用價值。

以上修復策略旨在最大限度地保留渡槽的歷史原貌和建筑特征,使渡槽在修復后能展示其歷史背景,并具有重要的文化遺產和學術研究價值。

4 上吳渡槽老化病害的主要表現形式

上吳渡槽歷經多年服役之后,目前的病害主要表現為部分槽身砂漿脫落、鋼絲網裸露銹蝕、橡膠止水帶破損、渡槽混凝土碳化嚴重、部分渡槽產生整體位移以及鋼筋銹蝕等問題。

4.1 橡膠止水帶破損

經歷了長達50余年的使用,上吳渡槽槽身內部沖蝕嚴重,水流及水流所攜帶的泥沙不斷沖刷磨損止水帶,另外受到夏日太陽暴曬與冬季嚴寒等多種因素的影響,導致橡膠材料逐漸老化、變硬、變脆和破損。

4.2 渡槽排架混凝土保護層破壞

上吳渡槽排架表面已出現明顯碳化痕跡。此外,排架還存在大面積的剝蝕和脫落現象,鋼筋裸露在外,出現了嚴重的銹蝕。

4.3 部分槽身產生整體側移

受建設時的技術條件限制以及多年的老化和外部環境影響,上吳渡槽的部分槽身發生了整體側移。

4.4 槽身強度降低

渡槽因建造年代久遠,且局限于建造初期的物資條件等因素,上吳渡槽槽身厚度只有35 mm,屬于薄殼渡槽,因此經過50余年的使用,槽身已發生了不同程度的劣化。根據測算,在設計水位條件下,槽身已無法滿足安全使用的要求。

5 上吳渡槽修補加固技術

混凝土大面積剝落、碳化嚴重、止水帶破損、槽身側向位移是上吳渡槽的基本病害之一,因此,渡槽加固應該從渡槽槽身加固、排架加固和基礎加固三個方面進行。

5.1 渡槽槽身加固技術

上吳渡槽屬于U型薄殼渡槽,經過50余年的使用,槽身已經出現了不同程度的漏水現象,施工部位的表面裝飾層及抹灰層存在不同程度的破損,經過有限元計算,槽身在原設計水位工況下存在傾覆風險。因此,為增強渡槽槽身強度,采用粘貼碳纖維布的方式對渡槽槽身混凝土進行補強。具體操作步驟如下。

5.1.1 槽身清理、表面修復

首先,對渡槽槽身進行打磨,清除加固構件表面的劣化混凝土,并使用高壓水槍對槽身表面進行沖洗,去除表層的浮漿、油污等污垢,使新的混凝土結構面露出來,為進行表面修復施工做好準備。沖洗的目的是更好地粘貼碳纖維片材,因此,在清理槽身后,需要進一步檢查混凝土表面是否存在孔隙、蜂窩等問題。其次,對于有孔隙、蜂窩的混凝土表面,應使用環氧樹脂水泥砂漿進行修復;對于出現大面積混凝土缺失的情況,采用無收縮水泥進行修復[4]。最后,對修復后的槽身表面進行補平。

5.1.2 粘貼碳纖維片材

碳纖維片材作為一種碳纖維復合材料,常與浸漬樹脂結合使用。相較于其他槽身修復材料,碳纖維片材具有優異的抗腐蝕性能,能夠有效抵抗化學物質、水分等環境因素的侵蝕。首先,碳纖維片材具有卓越的耐腐蝕特性,使用其進行槽身修復可以更好地延長結構的使用壽命。其次,碳纖維片材本身對槽身結構無腐蝕作用。相較于傳統金屬材料,碳纖維不會引發二次腐蝕,從而避免了進一步損害結構的風險。此外,碳纖維片材的施工方便快捷。由于其輕質且柔性的特點,碳纖維片材可以適應輕度不規則形狀的槽身表面,并能夠有效覆蓋槽身的各個部位[5]。粘貼碳纖維片材施工過程簡單高效,可以提高修復工作的進度和效率,其性能指標如表1所示。

表1 修補材料性能指標表

在粘貼碳纖維片材之前,應先對渡槽槽身涂刷浸漬樹脂作為底層涂料,以增強碳纖維布與渡槽槽身之間的黏著力。此外,應根據設計要求對碳纖維片材進行裁剪,以達到所需面積,滿足補強作用的要求。進行材料的粘接時,應貼合緊密,以確保黏結劑充分浸潤碳纖維片材。待碳纖維片材表面的浸漬樹脂指觸干燥后,才能進行下一道工序。對于出現空鼓情況的部位,采取注膠的方式進行修補。如果空鼓部位過大,應切除該部位的碳纖維片,重新進行覆蓋。在最后一層碳纖維片施工完成后,應在碳纖維表層涂抹一層浸漬樹脂。在樹脂初凝之前,撒上一層粗砂,并在其表面涂抹15 mm厚的M10抗裂砂漿。

5.1.3 槽身防腐涂料施工

為了保持施工后的渡槽與最初渡槽槽身的一致性,并提高混凝土的耐久性和美觀性,需要對渡槽槽身表面進行防護涂裝,共進行三層涂裝:底漆層使用環氧封閉漆,中間層使用環氧樹脂漆,面漆層使用丙烯酸聚氨酯漆。使用環氧封閉漆作為底漆是因其具有良好的附著性和密封性,能夠有效地保護渡槽槽身表面;中漆層使用環氧樹脂漆,因其具有耐化學性和耐磨性等良好性能,能夠增加渡槽槽身的耐久性,并提供一定的防護效果;面漆層選用丙烯酸聚氨酯漆,因其具有優良的耐候性和外觀性。

5.1.4 槽身粘鋼施工

根據渡槽安全鑒定報告,在正常過水工況下,槽身受拉區存在毀壞的風險。因此,在施工中采用了粘鋼施工工藝對槽身受拉區進行加固。這種施工工藝與排架粘鋼施工工藝大致相同。

5.2 排架加固技術

為了增強上吳渡槽的排架支撐力,確保渡槽的穩定性,針對排架混凝土碳化嚴重、混凝土塊掉落的問題,對排架柱進行了粘鋼施工。具體方法是采用外包鋼加固排架柱的柱榫接頭,然后使用聚合物砂漿進行包覆,以加強保護和支撐力。

5.2.1 鑿除排架混凝土碳化層

采用鑿除法對排架柱混凝土表面碳化層進行拆除,鑿進深度根據渡槽混凝土的碳化深度而定,阿列克謝耶夫[6]根據環境中CO2濃度、混凝土中CO2的擴散速率與混凝土吸收CO2的能力提出了FICK定律?；炷撂蓟疃扔嬎闶綖?/p>

(1)

式(1)中:X(t)為混凝土碳化深度,mm;Dc為混凝土中CO2擴散系數;C0為所處環境CO2濃度,%;m0為單位混凝土CO2吸收量,g/dm3;t為碳化時間,年。

渡槽排架處混凝土強度為C18,Dc取值[7]為

(2)

式(2)中,fcuk為混凝土抗壓強度,MPa。

排架柱混凝土抗壓強度為24 kPa,因此混凝土中CO2擴散系數為0.768 5。查閱義烏市平均二氧化碳濃度與單位混凝土CO2吸收量后,最后得出排架處混凝土理論碳化深度為14.01 mm, 與近期實際測得的渡槽排架碳化深度平均值(表2)相接近。

表2 上吳渡槽排架混凝土碳化深度表 單位:mm

根據計算數據與現場實測數據,將混凝土表面鑿除深度定為20 mm。清理完成后,采用砂磨機對排架表面進行二次清理,并采用無油壓縮空氣清除粉粒,以便后期進行修復操作。

5.2.2 扁鋼輟板施工

在扁鋼輟板施工之前,對排架表面進行進一步處理,如果鑿除的混凝土表面出現嚴重的凹凸不平,就需要使用環氧樹脂砂漿對其進行補平,然后使用砂輪機對鋼材進行表面處理,確保表面無銹,并具有足夠的粗糙度[8]。

處理完表面后,將扁鋼定位并貼合于混凝土表面,使用螺桿將角鋼與排架柱固定。對于孔洞和螺桿,應使用化學植筋膠錨進行固定。隨后焊接輟板與角鋼,固定后使用封邊材料將扁鋼輟板進行封邊,隨后進行注膠施工。

5.2.3 注膠施工

注膠施工采用的膠水為專用粘鋼結構膠,按規定比例進行配制,配制完成后,將結構膠涂抹在已處理的混凝土表面與鋼板的貼合面上,厚度要求為1～3 mm。為避免結構膠流淌,可添加脫脂玻絲布,等待24 h至結構膠固化后,在鋼板及扁鋼輟板表面掛鋼絲網片并抹聚合物砂漿保護。該操作可在保留渡槽原始外貌的基礎上,提升鋼材表面的防腐效果。

5.3 基礎加固技術

自1973年建成以來,上吳渡槽主體結構經歷了多次暴雨洪水的考驗。在自然災害的影響下,渡槽的某些部位出現了側移,部分槽身出現了由于基底變形引起的滲漏現象。為避免基礎變形持續擴大并最終威脅到渡槽的運行安全,計劃在基礎結構上進行植筋加固。

基礎加固的施工工藝流程如下:首先是土方開挖,隨后對原始結構的混凝土進行表面處理。在完成表面處理后,對結構進行植筋施工,并在施工完成后進行混凝土的澆筑。經過以上步驟,基礎加固工程基本完成。

5.3.1 原結構混凝土處理

為確保后期施工的新增混凝土構件與原結構混凝土貼合緊密,須對原結構混凝土進行表面處理,即在開挖土方后,對原基礎上的結構混凝土進行表面鑿毛處理?；A鑿毛深度應大于6 mm,以確保鑿毛層與混凝土基礎結構之間有足夠的粗糙度,能提供良好的附著力。新舊混凝土結合面保持齒型毛面,以確保結合面之間有足夠的接觸面積和摩擦力,從而提高結合強度。鑿毛結束后,將結合面進行沖洗,防止粉塵對結合面摩擦力產生影響。通過以上處理步驟,原有結構混凝土表面將具備更好的粗糙度,能夠與新拌混凝土構件緊密貼合,并提供可靠的結合強度。

5.3.2 結構植筋施工

為確保新增構件與原結構混凝土形成一個整體,使得新舊混凝土構件能夠共同承擔渡槽的自重,對結構進行植筋是有必要的。施工時,鉆孔應盡量避開原結構鋼筋,以確保鋼筋的連續性和結構的完整性。鉆孔結束后,須對鉆出的孔洞進行清理,避免灰塵與異物進入,影響植筋質量。清孔結束后,進行錨固膠灌注,以提供更好的黏結性能,增強植筋與周圍混凝土的連接強度,隨后植入鋼筋,在錨固膠固化后綁扎鋼筋,并澆筑混凝土,完成基礎加固施工。

6 結 語

上吳渡槽修復工程的設計和施工的實踐表明,采用植筋加固技術對渡槽基礎結構進行加固、采用粘鋼施工對排架柱進行加固、采用碳纖維片材對槽身進行加固、采用防腐涂料對槽身進行處理的加固措施可以最大程度地保留渡槽的原始風貌和文物價值,并且加強了渡槽的整體穩定性,解決了上吳渡槽的安全隱患,達到了除險加固和修復的預期效果。上吳渡槽的修復方案可以為其他需要進行類似修復工程的渡槽提供參考。