淺析南水北調(diào)中線干線鎮(zhèn)平三標(biāo)工程渠道襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生的原因和控制措施

李海東，保守林，倪 明

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司二分局，四川都江堰 611830)

1 工程概述

南水北調(diào)中線干線鎮(zhèn)平三標(biāo)工程輸水渠道設(shè)計(jì)樁號(hào)76+100～87+925，全長(zhǎng)11．825km。渠道76+100～85+750段(共9．65km)邊坡坡比為1∶2，成型后渠道底寬22m，邊坡坡長(zhǎng)20．64～22．6m;渠道 85+800 ～87+925 段(共 2．125 km)邊坡坡比為1∶3，成型后渠道底寬17m，邊坡坡長(zhǎng)29．25m;渠道85+750～85+800段﹙共50 m﹚為斷面漸變段;渠道邊坡襯砌厚度為10cm，底板襯砌厚度為8cm。渠道橫向16m設(shè)一道通縫，橫縱4m設(shè)一道半縫，通縫深度為襯砌板厚的90%，半縫深度為襯砌板厚的75%，縫寬均為1 cm，縫內(nèi)填1cm厚閉孔泡沫板，迎水面采用2cm深聚硫密封膠嵌縫。襯砌混凝土標(biāo)號(hào)等級(jí)為C20W6F150。渠道結(jié)構(gòu)橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 渠道結(jié)構(gòu)橫斷面圖

2 混凝土裂縫的種類及其產(chǎn)生原因

2．1裂縫的種類

(1)溫度裂縫。溫度裂縫多發(fā)生在混凝土表面。混凝土澆筑后，在其凝固過(guò)程中，水泥產(chǎn)生水化熱，使混凝土內(nèi)部溫度升高，而混凝土表面因晝夜溫差較大，散熱較快，形成了內(nèi)外較大溫差，造成混凝土內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，表面收縮的混凝土受內(nèi)部混凝土的約束就會(huì)產(chǎn)生裂縫。這種裂縫的走向通常無(wú)一定規(guī)律，混凝土襯砌面板上的溫度裂縫通常縱橫交錯(cuò)，裂縫寬度大小不一。

(2)塑性收縮裂縫。收縮裂縫多在新澆筑混凝土表面出現(xiàn)，形狀很不規(guī)則，多呈中間寬，長(zhǎng)短不一，互不連貫，較短的裂縫一般長(zhǎng)30～50cm，較長(zhǎng)的裂縫可達(dá)2～3m，縫寬2mm左右。大多數(shù)裂縫在混凝土初凝后，當(dāng)外界氣溫高、風(fēng)速大、氣候干燥的情況下出現(xiàn)。混凝土塑性收縮情況主要受水灰比、混凝土凝結(jié)時(shí)間、環(huán)境溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度等因素的影響?；炷脸跄叭蕴幱谒苄誀顟B(tài)發(fā)生的收縮，在高溫或大風(fēng)等外因影響下，混凝土表面失水過(guò)快，體積急劇收縮，當(dāng)蒸發(fā)速率大于泌水速率時(shí)就會(huì)發(fā)生局部的塑性收縮裂縫。

(3)干縮裂縫。干縮裂縫多發(fā)生在混凝土澆筑后一周左右，主要是由毛細(xì)孔隙壓力造成。毛細(xì)孔隙在干燥過(guò)程中逐步失水，產(chǎn)生很大的毛細(xì)孔隙張力，混凝土體積產(chǎn)生收縮。由于混凝土周圍存在約束，內(nèi)部又有拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫多為表面線狀淺細(xì)裂縫，寬度多為0．2mm左右。干縮裂縫的產(chǎn)生主要與混凝土的水灰比、水泥成分、材料性質(zhì)、外加劑等用量有關(guān)。

(4)沉降裂縫。沉降裂縫多為貫穿性裂縫，其走向與沉降情況有關(guān)，一般與地面垂直或呈30°～45°角方向發(fā)展。沉降裂縫多是由于基礎(chǔ)面處理不當(dāng)造成的，若基礎(chǔ)面雨淋溝或超挖部位回填土不密實(shí)，壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)，則襯砌面板可能產(chǎn)生過(guò)大的沉降或局部的不均勻沉降，從而產(chǎn)生沉降裂縫。裂縫寬度受溫度的影響較小，與沉降量的大小成正比，當(dāng)?shù)鼗冃畏€(wěn)定之后，沉降裂縫亦基本趨于穩(wěn)定。

2．2 裂縫產(chǎn)生的主要原因

(1)施工方法不規(guī)范。主要包括:①澆筑混凝土振搗時(shí)，漏振或過(guò)振;②澆筑混凝土?xí)r，風(fēng)速過(guò)大、烈日暴曬，沒(méi)有采取相應(yīng)的防范措施;③現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)措施不到位，混凝土早期脫水;④切縫不及時(shí);⑤墊層壓實(shí)不均勻。

(2)高填方渠段土方回填完成后，沉降時(shí)間不夠。

(3)施工環(huán)境。施工溫度超過(guò)30℃，低于5℃和久晴、多風(fēng)、日曬的天氣施工時(shí)，混凝土由于內(nèi)外溫差超過(guò)20℃或表面失水過(guò)快而不同程度地形成表面裂縫。

3 混凝土裂縫的主要控制措施

3．1 渠坡削坡控制

削坡機(jī)在精削前，挖掘機(jī)先進(jìn)行粗削坡。渠道填筑成型后，測(cè)放出坡腳線和坡肩線，每隔10 m用尼龍繩作為基準(zhǔn)，施工人員指揮挖掘機(jī)粗削。粗削后的坡面應(yīng)預(yù)留8～10cm采用削坡機(jī)精削，為保證削出的坡面平整，將挖掘機(jī)的斗齒改造成平板狀?；A(chǔ)面準(zhǔn)備完成后，當(dāng)下道工序不能及時(shí)跟進(jìn)施工時(shí)，采用塑料布對(duì)新削坡面進(jìn)行覆蓋，以達(dá)到坡面不開(kāi)裂、不變形、不出現(xiàn)雨淋溝的目的?；A(chǔ)面平整度誤差不大于2cm/2m。

3．2 渠底粗砂墊層鋪設(shè)控制

渠底粗砂墊層厚10cm，采用裝載機(jī)進(jìn)行粗砂的攤鋪，人工配合平地機(jī)進(jìn)行粗砂的整平，采用16t平板振動(dòng)碾碾壓。兩側(cè)坡腳和渠底中齒槽內(nèi)粗砂回填均采用人工蛙式打夯機(jī)壓實(shí)。墊層料鋪設(shè)后，壓實(shí)過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)灑水濕潤(rùn)，但要防止灑水過(guò)量造成施工作業(yè)面積水，合格的墊層相對(duì)密度不小于0．7。墊層表面輪廓尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)文件要求，表面平整度誤差不大于1cm/2m。

3．3 混凝土施工控制

3．3．1 混凝土澆筑

(1)布料及攤鋪。混凝土運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，由專人指揮布料。坡面上的鋪料從下向上連續(xù)進(jìn)行，襯砌速度控制在10m/h以內(nèi)，渠坡襯砌機(jī)行走時(shí)，振動(dòng)設(shè)施及時(shí)打開(kāi)，確?；炷敛贿^(guò)振或漏振并達(dá)到表面出漿，不出現(xiàn)露石、蜂窩、麻面等;襯砌機(jī)行走過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)局部欠料或露石現(xiàn)象時(shí)，人工及時(shí)補(bǔ)料;出現(xiàn)明顯隆起時(shí)，人工及時(shí)平整。

(2)邊角處的人工填補(bǔ)及振搗。渠坡襯砌機(jī)襯砌渠坡的頂部及底部時(shí)易出現(xiàn)缺料現(xiàn)象。對(duì)于襯砌機(jī)布料到不了的地方，人工及時(shí)補(bǔ)料，并采用插入式振搗器輔助振搗。襯砌機(jī)開(kāi)出倉(cāng)面時(shí)，采用插入式振搗器自下而上沿端頭模板邊界振搗一遍，確保端頭處混凝土的密實(shí)性。

(3)機(jī)械抹面。機(jī)械抹面由下而上進(jìn)行，抹光機(jī)每次移動(dòng)距離為2/3抹盤直徑，對(duì)于坡頂及坡底抹面機(jī)不能到達(dá)的位置，全部由人工進(jìn)行抹面和收光，做到不漏抹、表面平整、均勻一致。

(4)人工收光。混凝土初凝前用手輕壓，混凝土表面發(fā)硬但稍有痕印時(shí)，便可及時(shí)進(jìn)行壓光處理，消除混凝土表面氣泡、浮漿、麻面、坑凹之處，使混凝土表面平整、光滑無(wú)抹痕。

3．3．2 混凝土養(yǎng)護(hù)

(1)春夏秋三季:混凝土終凝前，先噴灑養(yǎng)護(hù)劑，然后采用一布一膜進(jìn)行遮蓋養(yǎng)護(hù)(布在下，膜在上)，而后每天灑水5～6次，以布濕透為宜，避免坡腳部位被水浸泡。

(2)低溫季節(jié):混凝土養(yǎng)護(hù)的主要任務(wù)是保溫防凍?；炷两K凝前，先噴灑養(yǎng)護(hù)劑，然后采用一布一膜進(jìn)行遮蓋養(yǎng)護(hù)(膜在下，布在上)，上面覆蓋1～2層草簾或保溫被，遮蓋要嚴(yán)實(shí)，必要時(shí)搭設(shè)暖棚養(yǎng)護(hù)。

(3)渠道襯砌混凝土宜分時(shí)段采取不同的養(yǎng)護(hù)措施。①收面完成后、混凝土終凝前應(yīng)采用噴霧養(yǎng)護(hù)并及時(shí)噴涂養(yǎng)護(hù)液。②混凝土終凝后、切縫前宜采用一布一膜灑水養(yǎng)護(hù)。③切縫期間，應(yīng)對(duì)混凝土進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，做好切縫與養(yǎng)護(hù)的協(xié)調(diào)工作。④切縫完成后立即進(jìn)行一布一膜灑水養(yǎng)護(hù)。⑤每個(gè)襯砌作業(yè)面必須安排專人負(fù)責(zé)灑水養(yǎng)護(hù)工作。⑥混凝土養(yǎng)護(hù)的遮蓋材料務(wù)必壓實(shí)，避免被風(fēng)吹開(kāi)。

3．3．3 混凝土切縫

混凝土面板切縫時(shí)機(jī)是切縫施工的重中之重。切縫過(guò)早，縫壁兩側(cè)容易破損，對(duì)后期清縫造成嚴(yán)重影響;切縫過(guò)晚，切縫的效率降低且混凝土面板容易出現(xiàn)裂縫。切縫施工宜在混凝土抗壓強(qiáng)度為1～5MPa時(shí)進(jìn)行，在施工中可以預(yù)留同條件養(yǎng)護(hù)試件用于確定不同邊界條件下的襯砌面板切縫時(shí)間。

為防止混凝土面板在切縫期間產(chǎn)生裂縫，切縫宜先切割通縫和渠底齒槽與邊坡結(jié)合部的引導(dǎo)縫，后切割半縫。切縫時(shí)，每條縫必須切到頭，否則容易出現(xiàn)裂縫。切縫時(shí)，混凝土正處于養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵階段，應(yīng)在切縫的同時(shí)保證混凝土養(yǎng)護(hù)到位。遮蓋養(yǎng)護(hù)時(shí)，切縫不宜大面積的掀開(kāi)，應(yīng)隨切隨掀。切縫完成后，應(yīng)盡快進(jìn)行遮蓋養(yǎng)護(hù)。

3．4 高、低溫季節(jié)的施工控制

3．4．1 高溫季節(jié)施工

日最高氣溫超過(guò)30℃時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施保證入倉(cāng)混凝土溫度不超過(guò)28℃。加強(qiáng)混凝土出機(jī)口和入倉(cāng)混凝土的溫度檢測(cè)頻率，并應(yīng)有專門記錄。

高溫季節(jié)施工，應(yīng)做好以下工作:

(1)增加骨料堆高、骨料場(chǎng)搭設(shè)防曬遮陽(yáng)棚、骨料表面灑水降溫等措施降低原材料的溫度。骨料表面灑水降溫宜采用深井水(約16℃)，并在混凝土澆筑前2h實(shí)施。對(duì)于砂子一般不宜進(jìn)行灑水降溫，可在澆筑前將表層部分清除。混凝土澆筑前，務(wù)必檢測(cè)砂石骨料的含水率并調(diào)整配合比;

(2)采用加冰或者冰水、冷卻水拌和;加冰時(shí)，拌和時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)15～20s，宜采用冰水或深井水;

(3)澆筑時(shí)間一般安排在下午5點(diǎn)以后至次日10點(diǎn)之間。在此時(shí)間段內(nèi)，應(yīng)完成收面工作并及時(shí)遮蓋養(yǎng)護(hù);

(4)對(duì)混凝土運(yùn)輸罐車、水泥粉煤灰存儲(chǔ)罐采取防曬措施，一般采用穿“棉襖”的方式、混凝土輸送帶搭建防曬棚等措施降低入倉(cāng)溫度;

(5)澆筑過(guò)程中，可采用噴霧的方式降低局部環(huán)境溫度，混凝土收面完成后，及時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行遮蓋養(yǎng)護(hù)，防止水分散失過(guò)快;

(6)安排專人負(fù)責(zé)灑水養(yǎng)護(hù)工作并做好養(yǎng)護(hù)記錄，混凝土的遮蓋保溫養(yǎng)護(hù)材料必須壓實(shí)，避免被風(fēng)吹開(kāi)。

3．4．2 低溫季節(jié)施工

日最低溫度低于0℃時(shí)，施工中應(yīng)避開(kāi)每天氣溫低于0℃的時(shí)間段，并在混凝土澆筑完成后及時(shí)遮蓋保溫保護(hù)，保證混凝土表面溫度不低于5℃。

低溫季節(jié)施工，應(yīng)做好以下工作:

(1)砂石骨料盡量堆高并保溫。最低氣溫低于0℃時(shí)，集料斗的粗砂在每天澆筑完成后，宜清空;

(2)在混凝土拌和前，用熱水沖洗攪拌筒，并將積水或冰水排除，使攪拌筒處于正溫狀態(tài)?；炷涟韬蜁r(shí)間比常溫季節(jié)適當(dāng)延長(zhǎng)20%～25%;

(3)對(duì)混凝土運(yùn)輸車、水泥粉煤灰儲(chǔ)存罐采取保溫措施，一般采用穿“棉襖”的方式;

(4)采用熱水拌和，拌和水溫不超過(guò)60℃;

(5)機(jī)械襯砌施工時(shí)，不宜開(kāi)大倉(cāng)并安排在每天氣溫相對(duì)較高的時(shí)段實(shí)施，同時(shí)收面時(shí)間應(yīng)避開(kāi)氣溫低于0℃的時(shí)段;

(6)施工中應(yīng)加大混凝土拌和物的溫度測(cè)量工作。

4 結(jié)語(yǔ)

渠道襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生的原因很多，且裂縫也是渠道大面積薄壁混凝土澆筑施工中普遍存在的一種現(xiàn)象。在施工中，應(yīng)對(duì)不同原因產(chǎn)生的混凝土裂縫進(jìn)行認(rèn)真研究、區(qū)別對(duì)待，采取各種有效的預(yù)防控制措施，預(yù)防裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，保證渠道襯砌混凝土的施工質(zhì)量。南水北調(diào)中線干線鎮(zhèn)平三標(biāo)工程在渠道混凝土襯砌施工過(guò)程中，通過(guò)采取上述混凝土裂縫控制措施，使混凝土裂縫現(xiàn)象得到了較好的控制，渠道襯砌取得了較好的成果。