小议渠道衬砌工程裂缝产生原因与分析

闫显鹏

摘 要：南水北调中线引江济汉工程渠道机械衬砌已经进入运行期两年多了，目前运行状况良好。渠道衬砌为大面积薄板混凝土结构，在硬化过程和硬化后都会因混凝土干缩、温度变化及地基沉降等产生不同程度的裂缝。而混凝土面板的结构型式、边界条件等比其它混凝土结构存在有较大的差异，这种差异使面板裂缝受混凝土风缩、干缩、温度变化及地基沉降的影响更大，容易产生裂缝，从施工过程上讲，裂缝的产生与混凝土衬砌时的施工环境、削坡的质量、切缝时间的掌握及混凝土养护等几个因素有关。

关键词：南水北调；渠道衬砌；裂缝

一、工程概况

引江济汉作为南水北调中线水源区工程之一，是从长江上荆江河段附近引水至汉江兴隆河段、补济汉江下游流量的一项大型输水工程。工程的主要任务是向汉江兴隆以下河段（含东荆河）补充因南水北调中线调水而减少的水量，同时改善该河段的生态、灌溉、供水和航运用水条件。引水干渠的引水口位于荆州市龙洲垸、出水口为潜江市高石碑，线路地跨荆州、荆门两地级市所辖的荆州区和沙洋县，以及省直管市潜江市和仙桃市，干渠全长67.23km。

工程区位于江汉平原的腹地，桩号为13+756～18+947，地形平坦開阔，地面高差起伏不大，渠道的两侧均为农田、鱼塘及村庄，地面高程在32～34m之间。

渠道3标长度为5.191km，沿线共布置各类建筑物4座，3座排水倒虹吸，一座分水闸。引水干渠设计引水流量350m3/s，最大引水流量500m3/s。

引水干渠按1级建筑物设计，干渠上的跨渠倒虹吸等主要建筑物按1级建筑物设计，倒虹吸的进出口连接建筑物、消能防冲设施、庙湖分水闸后的输水管、出口连接建筑物、消能防冲设施等次要建筑物按3级建筑物设计。回旋水域建筑等级类别为三类，但水工建筑物按1级设计，其它建筑物按3级设计。

二、渠道衬砌概述

工程区位于江汉平原的腹地，桩号为13+756～18+947，地面高程在32～34m之间。渠道3标长度为5.191km，沿线共布置各类建筑物4座，3座排水倒虹吸，1座分水闸。引水干渠设计引水流量350m3/s，最大引水流量500m3/s，渠道糙率取0.016。

渠道采用明渠输水方案，梯形过水断面，渠底高程26.2m，设计底宽为60～150m，渠道内过水断面边坡坡度为1：2～1：3，外坡为1：3，渠道经变更后无纵坡，渠道过水断面采用全断面混凝土衬砌。

过水断面的边坡和渠底采用现浇混凝土全断面衬砌，变更后现浇混凝土衬砌边坡厚15cm、渠底厚8cm，混凝土等级为C20。衬砌纵、横缝间距均取4m，渠坡纵伸缩缝全部为半缝，横伸缩缝每隔12米设置一通缝，其余为半缝，渠底两坡脚纵缝及中间部位纵缝为通缝，渠底其余纵缝为半缝。渠道衬砌分缝均采用矩形缝，缝宽2cm，半缝为切缝；通缝缝深贯通衬砌板厚下部采用闭孔塑料上部采用沥青灌缝。

三、渠道工程衬砌裂缝产生的原因

现浇混凝土衬砌渠道裂缝具有混凝土工程裂缝的共性。经过在工作中的观察和查阅资料，得出造成裂缝产生的根本原因在于：混凝土由于受自身及外部介质环境的影响，在温度、湿度变化和周边、基础约束的作用下，会产生很大的约束应力，容易产生裂缝；在现浇混凝土渠道衬砌中，混凝土属于薄壁轻型钢性结构，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形和不均匀变形的能力较差。在工程地质不稳定地区，基础滑移、沉陷，在填方地区和渠基换填地区，由于回填土预沉降时间不够等也是导致渠道混凝土板裂缝的重要原因。渠道施工季节跨越了春、夏、秋、冬四季，结合渠道工程施工，容易产生以下几种形式的裂缝。

（一）塑性收缩裂缝

塑性收缩是指混凝土在凝结前，因表面失水较快导致混凝土收缩产生的裂缝。此类裂缝常出现在混凝土表面，形状规则长短不一，互不连贯，裂缝较浅，一般在混凝土浇筑后（2-3）h左右出现。特别是当外界气温高，风速大，气候干燥时容易出现。由于我部边坡采用衬砌机施工，在施工过程中部分浆液流失，导致混凝土中水泥浆过少，也是产生塑性裂缝的一个原因。

（二）干缩裂缝

干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的半月左右。此类裂缝表现为表面性，纵横交错、无规律、分布不均，表面为多沿短边方向分布。主要原因是混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果：混凝土受天气条件的影响，表面水分损失过快，变形较大，内部湿度变化较小，变形较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束，产生较大拉应力而产生裂缝，相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，干缩裂缝越易产生。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成份、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。混凝土的“三大一小”，即水泥用量大、水用量大、砂率大、石子用量小，和“三高一低”，即高水化热、高气温、高风速、相对湿度低等特点，混凝土容易产生干缩裂缝，已成为一项质量通病，尤其是板类或较薄的平面混凝土结构。

（三）沉陷裂缝

沉陷裂缝常见于渠基换填处，填方渠道和工程地质不稳定地区，呈较大的贯穿性沉陷裂缝，往往上下或左右有一定的错距。本工程砂石垫层无碾压要求，由于砂石垫层密实度不均匀，局部有松软土基的部位，夯实不够，渠道填方预沉降不够也是产生沉降裂缝的原因。

四、渠道衬砌混凝土裂缝的预防

主要预防措施：

（1）在现场准备充足的塑料薄膜，对收光完成的混凝土及时覆盖，减少混凝土表面水分的蒸发，安排专人加强对已浇筑混凝土的养护工作，保证养护时间不少于28天；

（2）避开高温时段施工，以减少高温天气对衬砌施工的影响；

（3）对衬砌机进行加工，尽量减少水泥浆液的流失；

（4）在浇筑前对砂石垫层进行喷水，以免砂石垫层吸取混凝土中的水分；

（5）采用干缩较小的硅酸盐或普通硅酸盐水泥；

（6）严格控制水灰比，掺加高效减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性，减少水泥及水的用量；

（7）底板混凝土施工时，混凝土由振动梁振捣后，采用滚筒对混凝土进行提浆处理，在混凝土初凝前后采用人工配合抹光机进行两次收光；

（8）及时对混凝土进行切缝、打排水孔；

（9）采用小型振动碾对砂石垫层进行碾压，并保证砂石垫层的平整度；

（10）松軟土基进行换填，夯实后方可进行混凝土浇筑。

五、渠道衬砌混凝土裂缝处理

（一）表面涂抹处理

对于缝宽δ≤0.2mm裂缝涂抹水泥基渗透结晶型防水材料进行表面处理；对于缝宽0.2mm<δ<0.4mm的裂缝涂抹水泥基柔性防水材料进行表面处理。

水泥基渗透结晶防水材料是一种刚性防水材料，与水作用后，材料中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透，在混凝土中形成不溶于水的结晶体，填塞毛细孔道，从而使混凝土致密防水。水泥基柔性防水材料含聚合物液，具有良好的延伸性能，能抵抗建筑物的沉降、热胀、冷缩等造成的位移变化；通过自然蒸发和水化反应干燥成为粘结性良好、柔韧、致密的防水涂膜，达到防水的目的。

施工方法：先对防水基面即裂缝处进行预处理，配置料浆在裂缝表面直接涂刷，涂刷范围为裂缝两侧各10cm，涂刷1遍，厚度约1mm，并进行养护。

（二）凿槽嵌缝处理

对于缝宽δ≥0.4 mm的裂缝进行凿槽嵌缝处理，嵌缝材料为水泥基柔性防水材料或聚硫密封胶。施工方法使用开凿工具，沿裂缝方向凿成1 个宽25mm、深38mm的“U”槽沟，应满足槽深为槽宽的1.5倍，不能将槽沟凿成“V”型；将拌制好的防水砂浆填入槽内压实，在初凝具有一定强度后应立即进行找平处理，或填充聚硫密封胶处理。

（三）拆除重新浇筑混凝土

对于单块混凝土板抬动达1cm，且有多处裂缝的应考虑拆除，拆除后对基础的冻胀层清除，更换与原介质相同的材料，压实达到设计标准后重新浇筑混凝土。

六、结束语

裂缝是混凝土结构物中普遍存在的问题，尤其在渠道混凝土衬砌中，它不仅会降低渠道衬砌的抗渗、抗冻能力，影响渠道衬砌的使用功能，而且会降低混凝土的耐久性，所以在施工过程中必须结合实际，采用合理的方法对裂缝进行处理，并对裂缝产生裂缝的原因进行分析，采取有效的措施预防裂缝的出现和发展，以确保工程的应用效果和耐久性。