1、1南水北调渠道衬砌混凝土板裂缝成因分析及处理措施摘 要:本文以南水北调中线工程新乡卫辉段第三施工标段渠道混凝土衬砌施工为实例，结合渠道混凝土施工的特点，从温度应力、基础沉降、外界荷载、混凝土干缩、施工工艺等方面对渠道衬砌薄壁混凝土板裂缝产生的原因作了分析，并提出了简易可行的预防和处理措施，对完善混凝土衬砌施工工艺，减少衬砌混凝土板裂缝产生，提高混凝土衬砌质量有一定的参考意义。 关键词: 渠道混凝土衬砌裂缝成因预防处理 Analysis on the Cause of Cracks in Concrete Plate of Canal Lining and Treatment Measures
2、in the South-to-North Water Transfer Project HE Xiao-ping (Sinoydro Corporation Engineering Bureau 15 Co.,LtdXian710065 ) Abstract: To take the concrete canal lining construction in the third section of Xinxiang-Weihui sections on the Mid-route of South-to-North Water Transfer Project as an example,
3、 the paper analysis on the cause of cracks in thin-walled concrete plate of canal lining from temperature stress,foundation 2settlement, external load, drying shrinkage of concrete，construction technology and other aspects, Combined with the characteristics of the canal concrete construction,and pro
4、poses some simple and feasible prevention and treatment measures.It has a certain reference meaning to improve the concrete lining construction technology, reduce the occurrence of cracks in concrete plate of canal lining, and improve the quality of concrete lining. keywords:canal;concrete;lining;cr
5、ack;reasons;prevention;treatment 中图分类号：TV543+.6 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013） 1、南水北调中线工程新乡卫辉段第三施工标段渠道混凝土衬砌工程概况 南水北调中线工程新乡卫辉段第三施工标段，设计桩号为139+500144+600，标段长度 5.10km。渠道长度 3.9km，其中142+255.689142+572.548 范围渠段为圆弧段，其余渠段均为直线段。渠道过水断面为梯形断面，内坡坡比为 1：2，填方及半挖半填渠道外坡为 1：1.51：2。渠道起点渠底高程为 90.790m，终点渠底高程为390.061m，纵坡为 1
6、/28000，底宽为 19m。 渠道为全断面衬砌，采用 C20W6F150 素混凝土，衬砌机衬砌施工。本渠段混凝土衬砌厚度均采用为渠坡 10cm，渠底为 8cm，衬砌底部两侧坡脚各设宽 0.400.5m、高 0.60.8m 的齿墙，渠道顶部设 0.30m 宽的封顶板。 渠道衬砌混凝土板伸缩缝为通缝，沉降缝为半缝，且均为 2cm 宽的矩形缝。渠坡、渠底横缝按伸缩缝与沉降缝间隔布置的原则每隔 4m 布置一道通缝和一道半缝，半缝在两道通缝中间位置。渠坡、渠底纵缝间距为 34m，最大不超过 4m，且渠坡按通缝和半缝间隔布置，而渠底均为通缝。通缝、半缝上部临水侧深 2cm 均采用密封胶封闭，下部均采用闭
7、孔塑料泡沫板充填。 防渗采用规格为 600g/m2 的两布一膜。防冻采用聚笨乙烯保温板，阴坡（右岸）为 2.5cm 厚, 左岸（阳坡）及渠底为 2cm 厚。渠道自排水采用采用直径 150 软式透水管，软管周围回填粗砂密实，要求相对密度达 0.75 以上。根据地下水位情况，纵向排水管上每隔 16m 设一个逆止式排水阀，左右岸渠坡各设 1 排，渠底 1 排，并在两个逆止式排水阀中间位置加一道横向连通管。 新乡卫辉段第三施工标段地处河南省卫辉市，夏秋两季多东南风，炎热多雨；冬春两季盛行西北风，干燥少雨。沿线气温由南向北变幅不大，多年平均气温为 14.0，全年 1 月份温度最低，多年平均最低气温-4.
8、8。7 月份气温最高，平均最高气温 31.5。据统计，该地区多年平均降雨量为 574.7mm，年内降雨分配极不均匀，汛期 69 月降雨量占全4年的 70%80%。年际变化幅度大，年降雨量最丰年是最枯年的 35 倍。渠基地质岩性由黄土状中壤土（alplQ1 4）和黄土状重粉质壤土（alplQ2 3）组成，局部夹卵石薄层或透镜体。上部黄土状土具中等、中等强湿陷性，湿陷深度 26m。渠段内地下水以第四系松散土类孔隙潜水为主，局部具微承压性。含水层主要为砂卵石层（alplQ2） ，地下水埋藏较深，一般低于渠底板，地下水具动态变化特征，受降雨和地表径流影响变化较大。卵石一般为中等强透水性，渠道存在较严重
9、渗漏隐患。另外，局部渠段渠底板位于强度差异较大的不同岩土体中，存在地基不均匀沉降问题。渠段内冻土为季节性冻土，稳定冻结初日在 12 月初，冻结终止日在 2 月底，历年最大冻土深度 19cm。 渠道施工跨越了春、夏、秋、冬四季，受气温、降雨、地质、冻胀等自然环境因素影响明显，对于防治裂缝等各种形式的病害发生不可忽视。 2、渠道衬砌混凝土板裂缝出现 2011 年 12 月 1 日检查，渠道左、右边坡、渠底出现裂缝共计 26 处；2012 年 9 月 8 日再次检查，渠道左、右边坡、渠底裂缝增加到了 60 处，其中渠道右边坡、渠底，特别是填方段和圆弧段裂缝比前期数量有所增加。渠道衬砌混凝土板裂缝出现
10、的时间及部位见表 1。 表 1 渠道衬砌混凝土板裂缝统计表 从上表反映的情况来看，很难判断出影响渠道的裂缝的关键诱因是5什么，更准确的说应该理解为一种诱因为主导下的多种诱因共同作用的结果。按照以往施工经验，裂缝出现的基本特点是：下部多，上部少；阴坡（右岸）多，阳坡（左岸）少；填方段多，挖方段少；圆弧段多，直线段少；不规则形多，规则形少。然而后期，我们通过对渠道裂缝出现的部位实地检查和对比后发现，纵贯南北的渠道，受季风和的日照影响差别不大，虽阴坡（右岸）裂缝稍多于阳坡（左岸） ，但两坡的裂缝规律基本上是一致的。两岸渠坡裂缝大部分集中于渠底到渠坡结合处往上三分之一渠深的范围内（大致在坡脚位置，下部
11、是齿墙结构） ，而其他部位相对较少；渠底裂缝大部分位于渠底低洼松软曾有积水处或者是表面带有隆起的位置处。 3、渠道衬砌混凝土板裂缝产生的机理 混凝土结构产生裂缝的原因很多，概括起来有两种：受力裂缝和非受力裂缝。受力裂缝主要是在外界荷载的作用下，混凝土产生的拉应力超过它自身的极限拉应力时就可能出现裂缝，裂缝方向一般与混凝土的主拉应力方向相垂直。非受力裂缝是由于基础不均匀沉降、温度变化、混凝土收缩徐变等引起的裂缝。它的最终破坏机理类似于受力裂缝机理，主要是由于混凝土结构的外部或内部非受力荷载因素引起混凝土结构内部的附加应力，导致混凝土产生拉应变而出现裂缝。由于非受力荷载发生的随机性和突然性，我们无
12、法准确判断非受力荷载因素的类型、作用大小和影响程度，而且很多裂缝往往还是几种因素不同组合和叠加的结果，很难定性分析。所以渠道衬砌混凝土板作为一种刚性结构，定性讨论其裂缝产生的机理是非常复杂的，又难以操作。我们可暂不考虑渠道6衬砌混凝土板自身的收缩应力、温度应力等非受力荷载影响因素，仅通过对其在外界冻胀作用下的破坏分析，来对裂缝产生机理做一个以点带面式的典型剖析。 随着冬季寒区气温降低，渠基土体中的水分发生迁移和冻结，引发土体冻胀，产生冻胀力和冻结力。在冻胀力和冻结力作用下的渠道刚性衬砌层不断受到挤压，最终导致板面开裂、鼓胀、滑塌等形式的破坏。 渠道混凝土衬砌底板及边坡板都是在外界冻胀力、冻结力
13、、重力及底板与坡板相互约束力作用下发生破坏的，其裂缝产生机理非常复杂。针对混凝土衬砌梯形断面，分别对衬砌底板及边坡板建立简化力学模型，如图 1 和图 2 所示。 图 1 渠底板受力分析简图 就渠道底板而言，假定渠道沿中线完全对称，渠坡板与渠地板互相约束，两端作用力 NX 和 Ny 大小相等，方向相反。假设不区分阴坡和阳坡，衬砌底板就不存在切向的冻结力，只有冻胀力 q。在冻胀力 q 的作用下，底板有上抬的趋势，与底板重力 qg 作用处于极限平衡的状态，当冻胀力逐渐 q 变大，极限平衡的状态被打破。由于底板两端受坡板的约束力 NX 和 Ny 的作用，变形呈中部大两端小，故底板通常是中部弯折断裂。7
14、图 2 渠坡板受力分析简图 据图 2 所示，沿坡板线性分布的法向冻胀力最大值为 qmax，切向冻结力为 max。由于底板上抬而产生沿板面方向的顶推力为 NX，Ny 来自于底板的约束，Q 为渠床基土对坡板施加的法向冻结力的合力。由于不区分阴坡和阳坡，渠道两岸渠坡衬砌板具有相同的力学模型。 渠道坡板上部所受法向冻胀力 Q 较小，并与渠堤顶部牢固冻结在一起，主要是受冻结力 max 的约束，而下部所受法向冻胀力 q 较大，最大值 qmax，主要受底板的约束。此时坡板上部及下部均受到约束且法向冻胀力呈上小下大的分布，故导致坡板中下部冻胀变形较大，且通常会引起坡板隆起架空或在下部弯矩最大处发生断裂。如果渠
15、堤顶部由于基土含水量过小而无法提供足够的法向冻结约束，则坡板上部将向里翘起；如果渠床基土无法对渠道坡板提供足够的切向冻结约束，则此时边坡板将沿斜坡整体上移，但这种上移仅仅是板的位置发生了变化，在气温回升，自然解冻后会自动复位，板不会发生破坏。 通过对现场裂缝产生部位的统计分析，力学受力模型分析的胀裂部位与工程中混凝土坡板和底板的裂缝位置基本上相符。 4、渠道衬砌混凝土板裂缝产生的原因及类型 4.1 混凝土干缩引起裂缝 混凝土在硬化过程中内外水分逐渐的蒸发散失，致使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形，由于受到基础和模板的约束，体积干缩变形同时产生拉应力，当拉应力值超过混凝土的抗拉强度时，就会断裂
16、出现干缩裂缝。混凝土干缩产生的裂缝多为表面性裂缝，宽度较小，走向没8有规律，其主要是由于混凝土内外水分蒸发不同而导致混凝土结构变形不同的结果。影响混凝土干缩产生裂缝的因素主要有：水泥品种、用量及水灰比，骨料的大小和级配，外加剂品种和掺量以及现场养护情况。混凝土干缩是混凝土材料的一个重要特性，多出现在混凝土终凝后的养护阶段，对混凝土结构的抗渗性能有着十分重要的影响。 实际施工中往往由于混凝土压面次数不足或压面不及时，抹面时因表面干涩加水或因混凝土稀薄洒干水泥，拌和时为了搅拌或抹面方便在混凝土随意加水造成水灰比偏大，以及混凝土终凝后养护不及时不到位等原因都会形成干缩裂缝。 4.2 混凝土塑性收缩引
17、起裂缝 混凝土在未凝结硬化前表面失水过快，造成混凝土毛细管中产生较大的负压而使还处于塑性状态混凝土急剧收缩产生应力，而此时混凝土强度较小或几乎没有强度，从而导致混凝土结构开裂产生裂缝。这种混凝土塑性收缩产生的裂缝主要发生在混凝土暴露的外表面，具有发生时间较早，位置集中，中间宽，两头细，长短不一，互不连贯，深度一般不大等特点，施工中可以有效避免和预防。产生混凝土塑性收缩裂缝主要原因有：冬季施工时尚未凝固的混凝土板遇到急剧降温，干热或大风天气导致混凝土表层水分损失过快，衬砌施工时基础过度干燥致使混凝土大量失水，衬砌混凝土板下垫层料过于干燥而不洒水湿润，混凝土浇筑过程中漏振或振捣质量差不密实，衬砌混
18、凝土板成型后不及时覆盖养护等等。 4.3 碱骨料反应引起裂缝 9混凝土在搅拌过程中，水泥和外加剂中的一些碱性离子会与混凝土骨料中的活性物质会发生化学反应。在混凝土浇筑成型后，该碱骨料化学反应还会继续进行并产生反应生成物。反应生成物不断吸水膨胀，引起混凝土内部自膨胀应力，从而造成混凝土体积酥松、强度下降和膨胀裂缝。这些裂缝一般出现在结构物使用期间，且随着碱骨料反应发展进行的很慢，但此裂缝一旦出现就很难补救，因此应在衬砌施工中要严把原材料关，禁止碱活性不合格的材料进场，只选用低碱水泥和低碱或无碱的外加剂以及碱活性小的砂石骨料都是可以预防此类裂缝的。 4.4 温度应力引起裂缝 由于水泥在水化过程中会
19、产生大量的热量，热量又会在混凝土内部及表面形成温度梯度而产生温度应力。当温度应力超过混凝土内外的约束力时就会在混凝土板上形成走向无规律，宽度不一的裂缝。温度应力裂缝的产生与衬砌混凝土板的厚度以及水泥的品种、用量都有关，特别是风速和温差较大时，如果切缝再不及时或切缝质量差，在衬砌混凝土板初凝并达到一定强度后就更容易产生温度应力，形成裂缝。 4.5 基础冻涨引起裂缝 基础冻涨是由于在负温天气下，基础土质中的水结冰造成基础体积膨胀，当膨胀力达到混凝土抗折强度极限时，就会导致混凝土板断裂。基础冻涨与负温和含水量两个因素有着直接的关系。 据当地气象统计资料显示：该地区渠道沿线气温变幅不大，最低气温出现在
20、 1 月份，平均温度为-4.8。渠基中黄土状重粉质壤土含水量20.1%22.7%，重粉质壤土含水量 22.6%26.5%，粉质粘土含水量1023.6%25.6%，卵石含水量 2.45%3.63%。很显然，本地区壤土含水量偏高，在负温月份里渠基存在不同程度的冻胀隐患。那么渠基内的水分又是从哪里呢？一种情况渠道两侧是高出渠顶数米的高地，雨水或雪水沿浸润线侵人到混凝土板下。另一种情况是因渠顶混凝土封顶板边沿回填土不密实或渠顶高程低于混凝土板致使自然降水沿着混凝土板与基础的接合面侵入，侵人的水分到冬季产生冻胀把混凝土板拱裂，导致一些基础处理和混凝土施工质量都很好的混凝土板也产生了裂缝。 4.6 基础沉
21、降引起裂缝 由于衬砌混凝土板底基面土质不均、不密实或衬砌混凝土板下垫层料混杂或不密实，容易产生不均匀沉降,导致衬砌混凝土板产生沉降裂缝。另一方面，衬砌混凝土板下垫层料表面平整度差，导致衬砌混凝土板厚度不均，在地基受力沉陷时，衬砌混凝土板易形成应力集中，在较薄处产生裂缝。 基础土体软硬不均，或局部存在松软土,未经夯实和必要的加固处理,即使在相同的外荷载作用下，也会产生不同的沉降量，从而引起衬砌混凝土板开裂。渠道如果再发生渗漏,带走土体颗粒,使基础产生渗漏变形，也会使混凝土结构产生不均匀沉降。渠道两岸坡有的需要半开挖和半回填，而回填土的承载力与原状地基的承载力不同，日后在与原状地基衔接处的混凝土会产生较大的应力，若此应力超过混凝土的抗拉强度，就会使混凝土断裂。 地基土质不均、回填不实或浸水造成的不均匀沉降等原因会造成衬砌混凝土板裂缝产生。而此类裂缝多为进深或贯穿性裂缝，其走向与沉
