摘 要：本文针对混凝土水下病害整治中传统围堰干法施工的缺陷，结合工程实例，提出水下补强加固新技术。由现场模拟施工试验并经工程实际应用表明，这一结合防渗、整体补强水下施工技术切实可行，水下浇筑薄层不分散混凝土各项力学性能指标，满足工程加固设计要求，新老混凝土结合良好。
关键词：混凝土，水下修补，试验研究
水工混凝土建筑物病害整治的传统方法为围堰排水修补，该种方法施工所必须的围堰、基础防渗和基坑排水往往耗费大量的时间和费用[1]，而且改变结构受力状况，不安全因素增多。如何修补加固水下病害混凝土建筑物，提高修补质量，简化施工工艺，降低工程费用，是一个值得研究的课题。随着科学技术的发展，各种新材料的问世[2]，以及潜水作业技术的进步，为病害混凝土水下补强加固技术提供了重要条件。为此，结合黄沙港闸反拱底板裂缝修补加固工程实际，经多方案比较研究[3]，提出水下补强加固新技术。
1 水下补强加固技术
反拱底板水下补强加固技术要点：(1)反拱底板裂缝处理。即水下沿裂缝凿槽，用PBM混凝土嵌缝，用LW与HW混合液灌浆来填充底板裂缝和底板下孔隙，达到堵漏防渗的目的；(2)反拱底板补强，即在原反拱底板上(老混凝土表面凿毛)浇筑20cm厚C20水下不分散混凝土，为了克服新老混凝土结合强度低这一薄弱环节，内配φ12@150钢筋网，并用锚固钢筋把新老混凝土连成整体，以提高反拱底板整体受力性能(见图1).
图1 反拱底板补强加固示意
文献[4]表明，水下混凝土表面强度损失较大，质量不易控制。特别是浇筑厚度仅20cm的水下薄层不分散混凝土，目前尚无资料记载。为了提高浇筑水下薄层不分散混凝土的质量，适当提高混凝土的设计标号，并采取加盖模板和泵送挤压两条工艺措施，以保证混凝土浇筑的连续性和减少混凝土与水的接触界面，从而确保浇筑水下薄层不分散混凝土的强度。
以上整个工艺均由施工人员(潜水员)在水下完成，并进行水下摄像，及时传送到岸上，监理工程师可以根据录像随时了解和检查施工情况，随时发现和解决存在问题。
2 现场试验
2.1 试验概况
2.1.1 试验模拟条件 为了验证水下施工的可行性、各种修补材料在特定环境条件下的性能以及施工质量的可靠程度，确保水下修补技术在工程实际中应用成功，特在黄沙港闸进行现场模拟施工试验。试验时尽量仿真。若直接在有裂缝的闸孔上进行，万一试验不成功，善后处理将比较麻烦，同时检查测试也不方便，故决定采用浇筑试块的办法进行试验。试块垂直水流方向的尺寸按反拱底板原施工时两假铰之间的尺寸完全仿真，顺水流方向的尺寸考虑试块的重量及施工作业面，设计为长4m、宽2m、厚0.2m.起加固作用的新浇混凝土层完全按加固设计要求20cm厚度浇筑。试验现场置于闸上游侧，试验期间，气温19℃～34℃，水温16℃～29℃，水质状况：氯离子390～680mg/L、硫酸根离子45～150mg/L、高猛酸盐5.8～10.6mg/L、pH值7.7～8.9.试验方法和步骤严格按照水下修补技术设计要求进行，除浇筑模拟反拱底板试块，其它各道工序皆在水下4～5m处进行。
2.1.2 试验内容 (1)验证水下补强加固技术各道施工工序的可实施性以及施工质量的可控制性；(2)检测水下浇筑薄层不分散混凝土各项力学性能指标；(3)检测新老混凝土的结合强度。新老混凝土之间能否良好结合，直接影响混凝土的整体性能及修补工程质量。(4)验证施工中所用各种新工程材料的性能，如不分散剂NNDC—2、PBM聚合物混凝土、LW+HW裂缝灌浆材料及药卷式锚固剂。
2.1.3 试验设备 本次试验是一次模拟施工现场试验，动用了各道施工工序所需的所有设备，如：6×3×1.5m浮箱、5t手动葫芦、0.9m3潜水空压机、潜水装备、风钻、风镐、电焊机、风割工具、50m3/h混凝土输送泵、混凝土搅拌机、手摇式压浆泵、水下摄像监控设备等。
2.2 试验检测成果
2.2.1 外观检查及抗压强度 模拟试块与现场钻孔试件芯样外观检查表明水下不分散混凝土浇筑表面光滑、四周完整、内部密实，说明水下不分散混凝土有较好的流动性和自密实性。为了多方位测定水下不分散混凝土的强度，将模拟试块吊出水面风干后进行现场回弹试验检测其抗压强度，测区10个，抗压强度平均值25.2MPa(龄期48d)，满足设计要求。
表1 水下不分散混凝土力学性能试验成果
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力学性能 试件尺寸/ 48d强度代表值/ 换算成28d强度值/
cm Mpa MPa
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抗压强度* 15×15×15 30.0 26.3
抗压强度 D=10 25.6 22.0
劈拉强度 D=9.8，H=10 2.53
剪切强度 D=10，H=10 3.87
握裹强度 D=15 3.90
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注：抗压强度为机口成型，自然状态养护。
2.2.2 水下不分散混凝土的力学性能 水下不分散混凝土的力学性能包括抗压强度、劈拉强度、剪切强度和握裹强度，试验按SD105—82和GB81—85进行，试件为现场钻孔取芯样，试件尺寸及其检测结果见表1所示。由表中可见：(1)水下不分散混凝土芯样抗压强度为25.6MPa，与现场回弹试验检测的抗压强度值(25.2MPa)相当接近，强度表里一致，达到设计标准(C20)，说明加盖模板和泵送挤压两条工艺措施非常有效；(2)水下不散混凝土在水下浇筑成型并在水中养护的试件强度与在机口取样成型自然状态养护的试件强度(水上试件)的比值为83.6%，强度损失约16%；(3)水下不分散混凝土的劈拉强度约为抗压强度的10%，与文献[4]的数据基本一致；(4)水下混凝土的剪切强度约为抗压强度的1/6～1/7，与混凝土的常规比值基本相符[5]。(5)握裹强度(3.90MPa)与文献[5]现场取样结果(3.30MPa)相近，但与其室内试验结果(8.6MPa)相差较多，这是由于现场取样难以做到锚筋居中且不偏斜，因而可以认为实际的水下不分散混凝土的握裹强度大于3.9MPa.
2.2.3 新老混凝土的结合性能 在老混凝土的表面，通过浇筑新混凝土来加固结构，使其发挥整体结构性能，这种新老混凝土结合的关键是结合界面能否有效地传递和承担应力。一般而言，结合面能够较好地传递压应力，而传递拉力和剪力会受诸多因素的影响，且一般情况下都会被削弱。为此，着重测试新老混凝土结合面的抗拉和抗剪性能。
混凝土结合面的结合性能试验成果见表2.由表2可见，所有试件的破坏面均为新老混凝土的结合面，用结合强度系数K(表示新老混凝土结合面强度与整体新混凝土强度的比值)，作为结合面的粘结性能评定指标，可以得出劈拉结合强度系数为0.45，剪切结合强度系数为0.56.由此可见，新老混凝土的结合强度约为整体新混凝土强度的一半(不包含锚筋作用)，表明水下施工环境对新老混凝土结合面的强度有一定影响，而锚固增强是非常有效和必要的措施。研究表明[5]，锚筋能提高劈拉强度70%左右，提高剪切强度50%左右。
表2 新老混凝土结合性能试验成果
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力学性能 试件尺寸/ 龄期/ 破坏荷载/ 强度值/ 结合强度系数 破坏位置
cm d kN MPa K
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轴拉强度 D=10 48 8800 1.12 新老混凝
劈拉强度 D=10,H=10 48 17900 1.14 0.45 土结合面
剪切强度 D=10,H=10 48 21650 2.16 0.56
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2.2.4 PBM混凝土嵌槽的结合性能 PBM系互穿网络高分子材料，拥有不同高分子的互补和协同效应，体现出高分子合金性能。由它制备的砂浆或混凝土具有优越的性能。用PBM混凝土嵌槽修补裂缝，是为了达到恢复结构整体性、防水性及耐久性的目的，并为裂缝灌浆做好准备。PBM嵌槽的力学性能试验成果见表3，其破坏位置皆在PBM混凝土与老混凝土的结合面上，说明结合面仍是强度薄弱环节。结合强度系数K(表示PBM混凝土结合面的剪切强度、抗弯强度与整体老混凝土的剪切强度、抗弯强度比值)值为0.4～0.55，可见其总体粘结性能约为老混凝土的50%，对于裂缝修补而言，整体性能的恢复有了一定的改善。因此，PBM不失为一种水下修补可选用的优良材料。
表3 PBM混凝土嵌槽与老混凝土力学性能试验成果
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力学性能 试件尺寸/cm 破坏荷载/kN 强度值/MPa 结合强度系数K PBM破坏位置
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D H L PBM OC PBM OC
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轴拉强度 4.5 8.0 12.0 2810 0.78 PBM与老混凝土结合面
剪切强度 4.5 4.5 12.0 6680 12050 3.30 5.95 0.55
抗弯强度 4.5 4.5 9.0 1610 3450 1.59 4.00 0.40
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注：OC为老混凝土。
2.2.5 LW+HW混合液灌缝的粘结强度及防渗效果 LW、HW为水溶性聚氨酯化学灌浆材料，LW具有快速高效的防渗堵漏性能，HW具有防渗堵漏和固结补强的双重性能，两者可视工程需要以任意比例互溶。为了检验其堵漏和补强效果，特制备了一组直径D=15cm，含有LW+HW混合液灌缝的劈拉试件，该混合液灌缝的劈拉强度为0.22MPa.根据测试，堵漏效果良好。
3 工程应用
3.1 工程概况 黄沙港闸是淮河入海尾闾江苏省里下河地区四大港排涝挡潮的控制工程之一，1972年6月竣工，设计日均流量200m3/s，左岸第一孔为通航孔净宽8m，其余15个排水孔，每孔净宽5m，排水孔中墩为混凝土与砌石混合结构，厚0.9m，闸底板采用素混凝土反拱底板型式，底板厚0.5m，底板与闸墩连成整体不分缝，成为16跨连拱结构。运行至今已有多孔反拱底板出现裂缝，裂缝分布在底板拱顶顺水流方向，缝宽1～2mm，严重的7号孔反拱底板两处向上冒水。经过沉陷观测资料的分析计算，认为反拱底板的裂缝是由于拱脚不均匀沉陷引起的，沉陷已基本趋于稳定。经多方案比较及模拟施工现场试验，决定采用水下修补方案。
3.2 施工工艺
3.2.1 底板裂缝处理 (1)沿缝凿槽。沿底板裂缝走向用风钻一个连接一个地钻孔，孔深为42mm，钻孔直径为42mm，然后修成42mm×42mm的U型槽。(2)钻灌浆孔。沿裂缝走向骑缝钻灌浆孔和出浆孔，每2m长为一个灌浆单元，布置灌浆孔和出浆孔各2个，孔距65cm,孔深20cm.(3)在灌浆孔内安装灌浆塞，并将灌浆管接至水面以上与灌浆泵相连接。(4)嵌缝。采用PBM混凝土封缝胶嵌入凿好的U型槽内并挤压密实。固化前用压板压紧，固化后拆掉压板。(5)灌浆。由于闸底板下面的粉砂层可能有淘空现象，故用压力泵通过灌浆孔向裂缝及底板下灌LW与HW混合液，由稀到稠。压力控制在0.1～0.15MPa.待出浆管溢出LW与HW混合液时将其扎紧封堵，保持压力3min，第一次灌浆完成。间隔1～2d后进行第二次灌浆。
3.2.2 反拱底板补强 (1)打毛。由潜水员在水下用风镐将底板混凝土表面打毛，露出粗骨料，并用高压水枪把碴屑冲除干净。(2)钻插筋孔。按孔距60cm用风钻钻插筋孔，孔深20cm，孔径φ42mm.用高压水枪把屑冲除干净，并用真空吸管将孔内砂粒吸干净。(3)锚固插筋。在插筋孔内安放药卷式水下锚固剂，并插入φ20长40cm的钢筋(锚筋外露20cm)和φ20长45cm的螺栓(螺栓外露25cm)，螺纹长不小于5cm，既可作锚筋用，又可作固定钢模板用)，锚筋和螺栓间隔布置。(4)钢筋就位。将在岸上绑好的φ12@150钢筋网整体吊装下水就位，钢筋网布置在新浇水下混凝土的上部，混凝土保护层为6cm.钢筋与插筋之间用水下电焊联接。(5)架立钢模。模板采用4mm钢板和∠75×8角钢拼接而成，用螺帽固定钢模板，并控制模板与反拱底板之间的距离符合设计要求(20cm)。在模板的适当位置预留混凝土进料口和溢出口。进料口设在反拱底板顶部，溢出口设在模板四角，溢出口设活页盖板，并可封牢。(6)浇筑混凝土。在岸上按事先通过试验确定的配合比搅拌C25水下不分散混凝土(考虑水下浇筑混凝土强度损失，提高一个等级配置)，用混凝土泵直接送到浇筑仓内，待模板四角预留的孔洞中溢出混凝土后，把预留洞封堵，直到最后一个预留孔洞中溢出混凝土并把预留洞封堵为止。(7)拆模。在混凝土浇筑3～5d后进行拆膜，拆膜后对混凝土进行检查，将露出混凝土表面的螺栓进行割除。
黄沙港闸7号、8号两孔反拱底板修补加固完工后，经检测各项指标满足设计要求。
4 结 论
本文研究提出的混凝土建筑物水下补强加固技术，通过现场模拟施工试验和工程的实际应用，验证了这一新技术是可行、实用的、经济的。所采用的水下不分散混凝土、PBM聚合物混凝土、LW+HW浆液等作为水下加固修补的原材料是有效的，与之相应的施工方案和施工工艺是科学的，水下修补加固技术施工质量是可以控制的。检测得到的成果足以表明经加固修补后的混凝土结构各项力学性能指标皆满足预期的工程要求。水下修补加固技术已成功地应用于黄沙港闸反拱底板的裂缝修补，该项技术适用于所有水工、海岸工程等结构的混凝土水下补强加固或兴建，尤其在无法或难于修筑围堰的情况下，运用该项技术更是切实可行。由于不须弃水施工，大大节约工期，减少投资。混凝土水下补强加固技术，是混凝土水下病害整治的一条新途径，具有显著的经济效益，推广应用前景广阔。
参考文献
1 Neeley B D. Evaluation of Concrete Mixtures for Use in Underwater Repairs. Technical Report of US Army Corps of Engineering, Civil Works Research, Work Unit 32305, April 1988
2 林宝玉，吴绍章.混凝土工程新材料设计与施工.北京：中国水利水电出版社，1998.
3 沿岸开发技术研究センタ ，渔港渔村建设技术研究所。特殊水中コンケリ-ト·マニエアル(设计·施工).东京都，日本，山海堂印刷株式会社，1986.
4 林宝玉，蔡跃波，单国良.水下不分散混凝土的研究和应用.水力发电学报，1995，(3)。
5 叶爱芳.新老混凝土结合层的强度与结构.水利学报，1990，(5).
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