碳纤维布在三道河水库低输水隧洞加固工程中的设计应用

碳纤维布在三道河水库低输水隧洞加固工程中的设计应用

张建华，周 波，杨立涛

（湖北省襄阳市三道河水电工程管理局，441500，襄阳）

摘 要：碳纤维布加固技术是利用高性能黏结剂将碳纤维粘贴在结构件表面，通过共同作用，大幅度提高结构件承载力和耐久性，达到对结构件补强加固及改善受力性能的目的。该材料应用在三道河水库输水隧洞加固工程中，施工简便、性能可靠，缩短了工期，降低了施工成本，达到了防漏和补强加固的效果。

关键词：水工隧洞；碳纤维布；加固技术

一、工程加固背景

三道河水库位于湖北省南漳县蛮河上游，是一座以灌溉、防洪为主，兼有供水、发电、养殖等综合效益的大（2）型水库。工程于1958年兴建，1966年基本建成并发挥效益，由主坝，#1、#2、#3、#4副坝，溢洪道及灌溉高输水隧洞，低输水隧洞和4座水电站等组成。

2011年10月28日，三道河水库管理人员在例行检查时发现低输水隧洞出口处存在渗漏现象，渗漏量为25～30 L/s。由于该隧洞承担着南漳县城区生活用水、农业灌溉用水及几个大型厂矿工业用水的供水任务，管理单位对此高度重视，立即上报险情，并着手研究方案进行处理。

二、隧洞渗漏成因分析

根据对该隧洞历史资料的考证、分析，隧洞内衬钢管建设时，由于施工工艺、施工条件和环境限制造成隧洞与内衬钢管间块石混凝土填充不密实、焊接质量不高。经多年运行，在水的侵蚀下，缺陷及薄弱部位已锈蚀洞穿，形成渗漏通道。

三、隧洞补强加固设计

根据渗漏成因及工程特点，隧洞加固方案有两种。

方案一：拆除重建方案。拆除重建内衬压力钢管，直径为1.2 m，壁厚为10 mm，内衬钢管与隧洞间回填灌浆。

方案二：补强加固方案。钢管漏水部位封堵找平，全断面粘贴碳纤维布补强加固，内衬钢管与隧洞间回填灌浆。

方案一、方案二的比选见表1。根据工程特点及实际运行情况，经湖北省水利厅三道河水库低输水隧洞加固项目设计审查会审查，同意采用碳纤维布补强加固方案。

四、碳纤维布材料介绍

碳纤维布是一种含碳量高于90%的无机高分子单向碳纤维加固产品，是一种力学性能优异的新材料，兼具碳材料强抗拉力和纤维柔软可加工性两大特征，具有重量轻、强度大、模量高、密度低等特点，材料与浸渍胶配套使用可提高结构件承载力和耐久性，达到对结构件补强加固及增强受力性能的目的。广泛适用于水电工程中桥梁板墩柱及隧道、管道等部位的补强和加固。该材料基本不增加构件自重及截面尺寸，施工便捷，无须大型机械，无须固定设施，工效高，不生锈，具有抗酸碱腐蚀和高耐久性，特别适合腐蚀环境中扭曲面、节点等复杂结构的补强加固。碳纤维布及WSX碳纤维粘接材料的主要物理性能见表2、表3。

五、施工工艺

1.基本步骤

施工工艺的基本步骤为：施工导流→施工准备→标记渗漏点→内壁除锈→修补找平→回填灌浆→粘贴碳纤维布→检查养护→表面防护→洞外恢复。

2.工艺要点及质量控制

施工导流采用圆形钢板夹环形堵水气囊，中间焊接导流管，平整管道内壁，堵水气囊置于进水口处充气，阻塞水流。上游闸后渗漏水由导流管、排水管排至隧洞外，形成干燥施工环境。

①施工准备。检查施工机具、黏结剂、碳纤维布配备情况，详细标记加固部位。

②管壁处理。清除管壁锈蚀层，露出新鲜层，压缩空气吹净表面，酒精擦拭、碘钨灯加温保持干燥，修补胶封堵渗漏点，表面修复平整。

③脱空区域回填灌浆，灌浆孔拆除补强。灌浆压力0.2 MPa，水泥浆密度1.5g/cm3。本项目回填灌浆共消耗水泥72t，在出口观测到城门隧洞与山体结合处发现漏浆。由此证实，隧洞内衬钢管时，块石混凝土填充不密实，脱空区域较大，且原城门隧洞洞身有裂缝。

④配WSX基底胶，涂刷底胶。将A、B两组WSX黏结料按重量比4∶1比例配制基底胶，搅拌、涂刷均匀，不平部位反复涂刷，厚度不超过1 mm。

⑤配WSX浸渍胶、涂刷、粘贴。将A、B两组WSX黏结料分别搅拌均匀，按重量比4∶1比例倒入容器搅拌。电动搅拌时间一般不少于5min，一次调胶一般以6～10kg为宜。均匀涂刷于修复面，裁剪好的碳纤维布用手轻压贴于管壁，沿隧洞环向粘贴，纵向搭接100 mm，上游环箍边缘粘在下游环箍边缘上，搭接长度50mm。纤维方向搭接长度不小于10mm，各层搭接位置相互错开。专用滚筒或刮刀沿纤维方向反复滚压，挤除气泡，使浸渍胶充分浸透碳纤维布。多层粘贴时重复上述步骤，待纤维布表面干燥时即进行下一层粘贴，最后一层碳纤维布表面涂刷一层浸渍胶。

表1 工程加固方案比较

方案 方案优点 方案缺点方案1 1.可彻底解决渗漏问题1.施工难度大2.人员、工程的安全防护难度大3.投资大4.工期较长，影响水库蓄水和下游灌溉及生活供水方案2 1.高抗拉强度,能够承受内水压力2.抗酸碱腐蚀,高耐久性，不会生锈3.可搭接黏结任意延长,无明火作业4.碳纤维布具有较高的防渗性能5.该方法简单、方便、易施工6.工程投资比较节省施工空间狭小，止水、排水困难

表2 碳纤维布主要物理性能

备注：试验用混凝土强度为C40，拉伸速度为2 mm/min理论厚度为0.111 mm。

4.2且混凝土内聚破坏单位面积质量（g/m2） ≤300 197指标名称 GB50367—2006标准要求(单向织物高强度Ⅰ级) 检验结果抗拉强度标准值（MPa） ≥3 400 3 643受拉弹性模量（MPa） ≥2.4×105 2.43×105伸长率（%） ≥1.7 1.72弯曲强度（MPa） ≥700 788层间剪切强度（MPa） ≥45 50仰贴条件下纤维复合材料与混凝土的正拉黏接强度（MPa）≥2.5且混凝土内聚破坏

表3 WSX碳纤维粘接材料主要物理性能

指标名称 GB50367—2006、GB/T7124—2008标准指标(A级胶) 检验结果抗拉强度（MPa） ≥40 40.6受拉弹性模量（MPa） ≥2 500 3 140伸长率（%） ≥1.5 1.64抗弯强度（MPa） ≥50，且不得呈脆性（碎裂状）破坏 68.6（不呈脆性破坏）抗压强度（MPa） ≥70 84.1钢-钢拉伸抗剪强度标准值（MPa） ≥14 15.4钢-钢不均匀扯离强度（kN/m） ≥20 26.3与混凝土的正拉黏结强度（MPa） ≥2.5且混凝土内聚破坏3.5且混凝土内聚破坏

⑥养护、质量检查。碘钨灯加温养护固化后，检查粘贴质量，小锤轻轻敲击碳纤维布表面，以回声判断黏结效果。如出现空鼓等不密实现象，应采取措施进行修复：当单个空鼓面积＜1 000 mm时，用注射器注胶修复；当单个空鼓面积＞1 000 mm时，沿空鼓边沿，将空鼓部分碳纤维布割除，以每边向外缘扩展100 mm大小的碳纤维材料补贴在原处。

⑦表面防护。采用107胶水掺入高标号水泥涂刮两遍。

六、施工注意事项

①若环境温度＜5℃，采取加温、保温措施，方可施工。

②工业酒精、结构胶应密闭储存，远离火源，工作场地严禁烟火；碳纤维布为导电材料，应尽量远离电器设备及电源。

③WSX浸渍胶要涂刷厚些，专用滚筒或刮刀碾压时要始终顺一个方向，使黏结料充分渗透碳纤维。

④配置及使用黏结剂必须通风良好，做好防护。

⑤碳纤维布粘贴后，严禁进行敲击、焊接、开孔等。

⑥施工中做好隧洞内通风、照明及防毒面具的佩戴等防护工作。

七、效果评价

碳纤维布应用在三道河水库低输水隧洞补强加固工程中，取得了良好的效果。采用碳纤维布补强加固技术，衬管受力性能得到了增强和改善。施工便捷，工期短。经概算采用钢管拆除重建方案需投资197.2万元，而采用碳纤维布补强加固方案投资78.2万元，节省了工程投资。工程完工后运行4年来，未发现渗漏现象，运行正常。

八、结 语

碳纤维布在三道河水库低输水隧洞补强加固工程中的成功应用表明：碳纤维布在输水隧洞等水工建筑的防漏、补强加固处理中，可起到比传统施工方案和施工材料更好的效果，值得借鉴与推广。

参考文献：

[1]陈胜.碳纤维布在中小型水库除险加固工程中的应用[J].水利建设与管理,2010(4).

[2]李涛,等.碳纤维布在青山水库引水隧洞加固中的应用[J].人民长江, 2011(12).

[3]秦庆红.青岗峡水电站引水钢管回填补强施工[J].东北水利水电,2007(10).

[4]李彦军，刘志奇.碳纤维布加固技术在水工隧洞中的应用[J].人民黄河,2007(4).

[5]何芳芳，等.圆形钢质压力管道碳纤维布加固研究[J].工程与建设,2013(3).

[6]魏俊.碳纤维加固技术的一般施工步骤[J].江西建材,2005(2).

责任编辑 安天杭

Design and application of carbon fiber sheet in strengthening of water transfer tunnel of Sandaohe Reservoir//

Zhang Jianhua,Zhou Bo,Yang Litao

Abstract：The purposes of applying carbon fiber sheet are to stick carbon fiber on the surface of structural components by high-performance inorganic bond,and dramatically increase its bearing capacity and durability through combined action,so as to achieve the target of reinforcement and enhancement its mechanical behavior. This material has been used in strengthening of water transfer tunnel of Sandaohe Reservoir.Owing to its advantages of easy construction,reliable performance,short construction period and low cost,the material plays an effective role for seepage control and reinforcement.

Key words：hydraulic tunnel;carbon fiber sheet;strengthening technology

中图分类号：TV698.24

文献标识码：：B

文章编号：：1000-1123（2017）08-0029-02

收稿日期：2017-01-12

作者简介：张建华，助理工程师。