纤维复合材料在管道防渗

应用

陈尚建，刘逸敏，杨金华，王新民

武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072；武汉长江加固技术有限公司，武汉 430072

1 工程概况

桃花江水库位于湖南省桃江县，是1967年建成投产的中型水库（库容量为0.754亿m），水库右岸灌溉管的出口在坝下游右岸150m，进水口与水电站共用。引水道由坝内管道、压力隧洞、叉管和露天钢筋混凝土弧形灌溉管（直径240cm，壁厚40cm，总长17.5cm）组成。灌溉管在叉管出口经过3.5m直线管段后，由半径15m的弧形段（长12m）与长2m的出口渐变段相连而成，平面布置形状较复杂。

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2 混凝土输水管道渗漏成因分析

该水库正式投入运行以来，在防洪、发电、灌溉和养殖等方面发挥了很大的工程效益，特别是在防洪、灌溉方面起到了不可替代的作用。由于当时历史条件的原因，加上当时施工条件的和后期维修的问题，运行了35年的灌溉管、发电管损坏严重，已影响到水库的正常运行。经湖南省建筑工程质量检测中心检测，具体情况如下。

（1）混凝土强度低。灌溉管为14.5MPa，发电管为10.6MPa，原设计混凝土强度为20MPa，现降低了38%~47%。

（2）碳化严重。平均碳化深度为1.8cm，局部超过3cm。

（3）管壁裂缝较多、破损严重。灌溉管可见裂缝47条，最大缝宽为5mm；发电管可见裂缝36条，最大缝宽为3mm。环向纵向均有裂缝，且有多处渗漏，其中1处不治之症和生射流。

（5）灌溉管出口左侧混凝土墙112m高程处（与灌溉管支座面同高）有一条宽2~4mm、长4m的裂缝，已危及弧形工作门的安全。

经计算复核，管道配筋基本满足要求，分析管壁产生裂纹的原因主要有2种，一是混凝土施工质量差，浇筑不密实、强度低，且老化严重；二是在管道暴露段，管道两端在相对约束的条件下，伸缩缝构造不合理，不能完全起到伸缩缝的作用。

3 输水管道渗漏修复及方案的比选

输水管道修复加固方案要解决的主要问题：抗渗漏，恢复混凝土的整体性；约束裂缝特别是纵向裂缝的开展，防止钢筋锈蚀；防止混凝土的继续碳化。另外，灌溉管及发电引水管的取水口未设工作门（更无事故闸门），一旦灌溉管破裂，水库就被放空，损失巨大。因此必须确保灌溉管安全、正常运行。

根据以上输水管的现状及正常使用的要求，对输水管加固处理方案进行了2个方案的比选。

（1）方案1：对裂缝进行化学灌浆封堵，对全管段采用内衬8mm的Q235钢板进行管壁保护。

（2）方案2：对裂缝进行化学灌浆封堵，对全管断面采用粘贴碳纤维布。

经过认真比选，选择了方案2。方案2的优点如下：

3.1 施工方便、易成型

输水管（灌溉管）在叉管出口经营3.5m的弧形段（长12m）与长2m的出口渐变段连接而成，洞径尺寸渐变大小不一致，使用钢衬难度大；因为钢材的刚度大、硬度大，成型、制作、安装比较困难，而且与原管管壁不易紧密接触，对原输水管混凝土强度无多大帮助。而纤维的刚度远小于钢板，属于柔性材料，裁剪、加工、制作方便，粘贴纤维布具有不受洞径不均匀的影响，不改变原结构，可对处理过的裂缝进行保护，同时又能解决管壁混凝土强度（联合作用）不足的问题，且施工周期短。

3.2 提高输水管的过流能力

由于纤维布表面光滑，其糙率与玻璃糙率相接近，一般为0.007，是光滑混凝土表面的1/2（混凝土光滑表面为0.014），加固段的沿程水头损失比混凝土管降低，输水管的流量系数增大，提高了输水管的过流能力。

3.3 价低、投资小、经济效益显著

方案1钢板衬砌加固投资约16万元，且周期长，而玻璃纤维加固方案的周期只有钢衬加固方案周期的1/3，且费用只有12万元，节少投资近4万元，约为33%。

4 材料特性及主要施工工序

4.1 材料性能

管壁裂缝灌浆、防止渗漏和恢复管壁混凝土的整体性，同时在内壁粘贴纤维复合材料封闭裂缝，形成高强、抗裂和密封抗渗的复合层。

灌浆材料使用的是武汉长江加固技术有限公司生产的YZJ-5裂缝灌注型结构胶，主要性能指标见表1。

表1 长江牌YZJ-5裂缝灌注型结构胶 MPa

粘结性能 胶体性能 钢一钢 抗压强度 ≥70 拉抻强度 ≥20 弯曲强度 ≥40 抗剪强度 ≥10 钢一混凝土 抗抗强度 ≥ftk或2.5 该材料粘结力强，可灌性好，还具有一定的弹性。粘结纤维材料使用的是YZJ-C碳纤维专用胶，该材料由3部分组成：YZJ-CQ浸渍胶，用于碳纤维的粘结；YZJ-CD基底胶，渗入混凝土，增加混凝土表面强度；YZJ-CZ找平胶，用于构件的找平、修补，主要材料特性见表2。

碳纤维布选用重亿公司生产的L300-C碳纤维布，厚约0.167mm，弹性模量为215GPa，抗拉强度为3500MPa左右。

表2 长江牌YZJ-C碳纤维专用胶 MPa

结构胶 体 性 能 胶 粘结性能 钢一钢 钢一混凝疲劳/万次 土 抗垃强度 拉抻强度 弯曲强弹模 度 ≥CQ ≥70 30 ≥40 1500 ≥10 ≥ftk或2.5 裂 度 200不破抗剪强抗抗强度 4.2 CFRP修复加固施工的主要工序

首先进行管道排水，适当干燥管壁然后凿除混凝土松动、破碎、尖突的部分，对较大的凹下部分用聚合物砂浆修补平整，进行灌缝和封缝。以下为粘贴CFRP的主要工序。

（1）将表层打磨至坚硬混凝土面，用水或丙酮洗净，涂刷YZJ-CD基底胶。

（2）用YZJ-CZ找平胶找平（修补）。

（3）用YZJ-CQ浸渍胶粘贴1层L300-C碳纤维布并滚压密实。

（4）在表面加涂1层YZJ-CQ浸渍胶。

（5）养护。

（6）表面防护。

5 工程修复效果与经济效益

所使用的YZJ-C结构胶（底胶、找平胶、浸渍胶）为改性的环氧树脂，本身具有极好的防水性能，在迎水面形成FRP复合层后，将裂缝全部封闭，运行1年来未见管道渗水。

在正常挡水位情况检修低输水管时，低输水管承受的外水压均小于0.2MPa；混凝土抗拉强度标准值ftk=1.27MPa，采用粘贴碳纤维布，碳纤维布与管壁混凝土之间的粘结正拉强度≥2.5MPa,大于外水压力及混凝土的抗拉强度，提高了管道的承载能力与安全度。

FRP本身具有良好的抗腐蚀、耐老化性能，可以有效阻止管道混凝土继续碳化、老化，延长混凝土的使用寿命。

使用FRP修复加固与使用钢衬加固方案相比较，其主要优势体现在以下几方面。

（1）投资省，修复方案的总造价比使用钢衬砌加固的方案降低33%。

（2）FRP修复加固输水管比钢板衬砌施工简单，成型容易，工期短。

（3）FRP修复加固不减小输水管道的过流断面，而且耐腐蚀，不需要经常维护。

工程实践证明，采用FRP修复加固水利工程输水管道是一种投资省、工期短、施工易、功能多、质量好的新技术，值得应用和推广。