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摘要:我国早期修建的水利工程结构逐步进入病害多发期及性能退化期，拆除重建不仅施工困难还影响周边环境，迫切需要一种既环保又经济的工程措施对病害结构进行修复。鉴于此，本文以四川省都江堰东风渠灌区相关水利工程结构为例，提出采用碳纤维复合材料用于相关病害水工建筑物的修复，从而达到延长水利工程使用寿命的目的，节约修复资金的投入。同时，还列出了碳纤维复合材料在水利工程修复研究中的开展步骤以及各项研究重点，便于指导今后灌区碳纤维修复应用项目的顺利开展。
关键词:水利工程;碳纤维;东风渠;病害结构
1研究背景
我国水利工程中的各类型输水建筑物，作为输水工程结构的代表，对保障水利工程防洪、灌溉、供水等效益发挥具有十分重要的作用、显著的重要性和不可替代性。但主要输水建筑物渡槽、水闸、顶管、涵洞、隧洞、倒虹管等有相当数量为20世纪50—60年代修建的，接近或超过设计使用年限的现象普遍存在，受当时的年代限制，设计标准较低、施工质量差，经过多年运行及自然老化、环境侵蚀、自然灾害等问题，水利工程的稳定性、变形、应力应变及支护受力等不断劣化，混凝土结构存在不同程度的磨损、老化、开裂、腐蚀的不利状态［1－4］。根据四川省水利科学研究院承担四川省水利工程的安全检测工作中反映出:多泥沙河流上的渡槽、水闸等典型水利工程，长期处于水下及水位变幅区，冻融频繁，加之四川多数河流为山溪河流，水流中夹带有大量的推移质和悬移质，其过流面及消能结构部位常受到较严重的泥沙(推移质的撞击)磨损。如，在高速含沙水流的长期冲刷下，泥沙容易对底板和闸墩底部造成冲磨破坏，修补频率非常高，甚至年年修、年年坏，从而加大了运行期维修管理工作的工作量和难度，随着建筑材料价格的日渐增幅，维修成本会越来越大。目前，四川省灌区相当数量的渡槽工程已超过50a的混凝土使用年限，但在安全检测中发现，渡槽地基基础未发现明显沉降、位移及破坏现象。拆除重建不仅拆迁困难，大量报废建渣处理影响环境，随着环保要求，建材价格日渐上涨，建设投资成本巨大。综上所述，根据河流状况及检修难易程度，研究选择抗冲耐磨效果好、施工难度小、快速便捷的高性能纤维材料，减少传统建材使用量，采用高性能纤维增强加固技术对老旧渡槽进行原位维修加固，提高渡槽工程的抗裂、抗冲耐磨能力，以达到降低水利工程维修频率、延长工程整治间隔周期、减少整治工程施工造成的断水影响、延长水利设施生命周期，提高施工质量，提高工程年通水运行时间的目的。
2材料与方法简介
2.1碳纤维材料。目前，已经开发成熟并在工程中使用的FRP(纤维增强复合材料)主要有3种:CFRP(碳纤维增强复合材料)，AFRP(芳纶纤维增强复合材料)和GFRP(玻璃纤维增强复合材料)。但实际证明，CFRP(碳纤维增强复合材料)具有其它纤维无可比拟的高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳和易加工等优点，CFRP在国内外的用量也是最大的［5－7］，如图1所示。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，在航空、航天、建筑、体育、汽车、医疗等领域得到广泛应用，近年来作为建筑补强材料得到了充分地发挥，但是在水利工程中的应用还很少，因此具有十分重要的研究价值和应用价值。碳纤维不仅具有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维的加固原理是利用配套碳纤维胶水将碳纤维布或碳纤维板粘贴在基材上，使新旧结构形成一个整体共同受力，从而达到加固补强的目的［8－10］。相关研究还表明［11］，在新老混凝土粘结界面力学强度试验中(见图2)，当界面在砂浆中掺入碳纤维后，明显地使新老水泥砂浆之间的粘结抗剪强度增大，还可提高混凝土的拉拔强度和劈裂强度，有效地提高了粘结的性能。碳纤维是一种力学性能优异的新型材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能。碳纤维的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，抗拉弹性模量为23000～43000MPa［12］。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在水利工程的广阔应用前景。因此，碳纤维在水利工程中采用可大大降低成本。采用不同类型纤维掺合高性能纤维混凝土，如玄武岩纤维、钢纤维，进行经济性比对，根据碳纤维材料所具有的特性，研究碳纤维材料与水利设施结构体粘结的加固效果，研究适应水利工程长期处于水下、水位变幅区、推移质和悬移质冲磨、高速水流冲刷等特殊环境下的抗渗、抗冲磨性能，研究不同流态水环境下的各种新型增强材料的应用，探索建立碳纤维复合材料预制件技术与水利设施修复技术的联动，提高修复效率和质量稳定性，从而实现成本控制。
2.2研究方法。本次研究采用多种高性能纤维材料试验、模型与现场试验、室内试验结合材料与结构相互作用的数值仿真计算分析，针对不同流态下的水工结构与材料适应性开展课题研究。充分发挥高性能纤维材料特能，研究其在水利工程关键技术中的抗渗、抗冲磨的应用。在系统开展研究工作的基础之上，实现碳纤维模块化设计加固，预制碳纤维加固模块，加固过程高效规范，质量稳定。开发预埋传感器技术，搭建模块化结构安全防护智能系统，建立损伤失效数学模型，对加固后的结构体实施在线监控，预测预警，提高结构体使用安全性。搭建模拟试验平台，对不同类型受力结构体实施加固方案验证，模拟自然环境，对不同损伤或结构的建筑物预先提出普遍适用的加固方案，减少施工盲目性，提高施工科学性。
3研究内容及步骤
针对碳纤维复合材料在水利工程修复中的应用研究之前，需选取研究对象以及建立相应的研究基地。本次拟在东风渠管理处的石堤堰管理站建设高性能纤维材料综合试验基地，选取科研所需的典型水利工程建筑物，并将所需老旧渡槽拆迁运至试验场地，做好原位加固试验准备工作，同时选取建设管理范围内的工程试验段水利工程，如渠道、箱涵、防洪堤、闸坝、渡槽、倒虹管等。根据项目任务书，总结出以下7点内容作为研究重点。
3.1对都江堰灌区四川省都江堰东风渠管理处水利工程进行调查。通过调查发现水闸、渡槽等水利工程主要结构部位目前存在的安全隐患问题。
3.2高性能纤维材料综合试验基地建立。在四川省都江堰东风渠管理处府河石堤堰管理站规划建设高性能纤维材料综合试验基地，在试验基地建立后用于:建立实体水利工程构件与高性能纤维增强材料粘结聚合的原位闭环测试试验系统;建立抗渗、抗冲磨模拟测试系统及材料力学性能指标试验系统;开发模块化结构安全防护智能系统，系统包含渠系建筑物受力状态安全防控系统、玄武岩一体化智能控制系统、智能水位跟踪系统等系统技术，建立损伤失效数学模型，对加固后的结构实体实施在线监控，预测预警，提高结构物使用安全性。
3.3研究分析新型材料加固设计方案、施工工艺。针对不同类型高性能纤维材料的抗渗、抗冲耐磨、耐干缩性、抗老化及耐久性、变形、强度、抗化学腐蚀等安全性能开展试验研究;通过分析高性能纤维材料的不同掺比，研究抗渗、抗冲磨的力学性能特性，高性能纤维材料与砼粘结载体的耦合性以及与水利工程结构体粘结、抗老化、脆化失效等力学性能;根据力学性能数据，理论论证适应水利工程长期处于水下、水位变幅区、冻融频繁、推移质和悬移质、高速水流冲刷等特殊环境下的抗渗、抗冲磨的加固设计方案;经过设计方案比对论证，确定新型材料在水利工程应用的施工工艺。
3.4探索新型材料。从实用性广、经济性比高、环保性安全性高、加固技术可复制等方面，探索总结适用于四川省水利工程的新型材料，并形成第一阶段课题报告。
3.5应用高性能纤维材料加固技术示范工地建立。通过高性能纤维材料的试验室研究情况，结合现有管理处运行管理工作，综合考虑交通、放水条件等因素，选择渠首管理处府河石堤堰枢纽闸、金花枢纽闸、跳蹬河渡槽段、牧马干渠顶管段等地建设采用高性能纤维材料加固技术示范工地。
3.6提出高性能纤维材料关键技术和行业标准。分阶段提出高性能纤维材料的力学性能、施工工艺技术、加固设计方案及施工质量评定的关键技术条件及行业标准。
3.7形成系统构架，进行技术推广。根据量化研究成果，形成系统构架，通过宣贯进行水利工程安全防护高性能纤维材料关键技术应用推广，先期达到在省内灌区应用的效果。
4结语
针对我国早期修建的水利工程结构逐步进入病害多发及性能退化期的问题，本文提出采用碳纤维复合材料用于相关水工建筑物的修复，从而达到提高工程年通水运行时间的目的，延长水利工程生命周期，节约资金投入。此外，本文还列出了碳纤维复合材料在水利工程修复中的各项研究开展步骤以及研究重点，便于指导今后项目的顺利开展。
作者:万忠海 白文斌 冯飒 赵川 单位:四川省都江堰东风渠管理处 四川省水利科学研究院