現(xiàn)澆混凝土防滲襯砌渠道裂縫成因分析

□李九鴻 □冉 方 □鄭衛(wèi)云

（原陽縣祥符朱引黃灌區(qū)管理局）

□牛崗躍（臨潁縣水利局）

一、概述

農(nóng)業(yè)灌溉用水約占全國總用水量的63%，不論從節(jié)水潛力還是用水比重考慮，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的重點(diǎn)是農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水，而農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水的重點(diǎn)又在大型灌區(qū)，大型灌區(qū)節(jié)水的主要措施之一就是渠道防滲。在大中型灌區(qū)骨干工程改造中，混凝土渠道防滲襯砌，由于其適應(yīng)性廣、耐久性好、糙率小，抗沖性能和防滲效果好而成為目前普遍采用的一種節(jié)水工程措施，現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道更是由于結(jié)構(gòu)縫少、造價(jià)低、機(jī)械化程度較高而被廣泛應(yīng)用。但運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，約30%的現(xiàn)澆混凝土渠道在5年左右就出現(xiàn)裂縫（嚴(yán)重的1～2年），裂縫漏水不僅削弱了節(jié)水效果，減少了使用壽命，而且成為灌溉管理的安全隱患。因此在設(shè)計(jì)和施工中必須針對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的對(duì)策，以減少裂縫數(shù)量和裂縫發(fā)生的程度，延長使用壽命，使其發(fā)揮更大效益。

二、混凝土現(xiàn)澆渠道裂縫的形式和特點(diǎn)

現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道裂縫具有混凝土工程裂縫的共性，又有不同于大體積混凝土裂縫的突出表現(xiàn)。裂縫一經(jīng)形成，就很難自身愈合。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，渠道裂縫多出現(xiàn)在尺寸較大的現(xiàn)澆混凝土板順?biāo)鞣较?，縫位一般在渠道坡板坡腳以上1/4～3/4坡長范圍內(nèi)和渠底中部；冬季積水或行水的渠道，一般出現(xiàn)在水面附近的坡板上。這些裂縫多呈彎曲線狀，坡板上裂縫嚴(yán)重的呈折斷破壞狀態(tài)。

在現(xiàn)澆混凝土渠道中，溫度裂縫和拉裂縫一般呈發(fā)散狀。裂縫表現(xiàn)為指向渠頂偏離渠坡的法線，這些裂縫往往和基土凍脹同時(shí)發(fā)生，形成凍脹裂縫。

另外，在東西走向的渠道中，陰、陽兩坡裂縫表現(xiàn)有很大的差別，陰坡裂縫較陽坡裂縫更厲害、更復(fù)雜。

三、現(xiàn)澆渠道裂縫原因分析

通過多年的觀測(cè)實(shí)踐，認(rèn)為造成裂縫產(chǎn)生的根本原因在于：混凝土由于受自身及外部介質(zhì)環(huán)境的影響，在溫度、濕度變化和周邊、基礎(chǔ)約束的作用下，會(huì)產(chǎn)生很大的約束應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂縫；在現(xiàn)澆混凝土渠道襯砌中，水泥混凝土屬于薄壁輕型鋼性結(jié)構(gòu)，具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度較低，適應(yīng)拉伸變形和不均勻變形的能力較差。所以，從結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境分析，現(xiàn)澆混凝土渠道裂縫主要是由凍脹壓力及溫度應(yīng)力產(chǎn)生的，局部裂縫問題可能與施工質(zhì)量和基礎(chǔ)穩(wěn)定性有很大的關(guān)系。

（一）凍脹壓力：在凍脹力作用下，破壞情況歸結(jié)起來有下面幾種：

1.混凝土防滲材料具有一定的吸水性和空隙率，又經(jīng)常處在有水的環(huán)境中，因此材料內(nèi)總是會(huì)有一定的水分，這些水分在低溫下凍結(jié)成冰，體積發(fā)生膨脹，當(dāng)膨脹作用引起的應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫，形成滲水通道，加大滲水量，使下一個(gè)負(fù)溫凍脹更為加劇。同時(shí)滲水在負(fù)溫下會(huì)發(fā)生凍結(jié)而造成土體膨脹，局部膨脹使混凝土襯砌裂，隆起而折斷。據(jù)祥符朱引黃灌區(qū)在灌區(qū)渠道上進(jìn)行的試驗(yàn)，當(dāng)最低氣溫為-12℃時(shí)，陰坡板以下20～25cm處地溫為-6.7℃，處于凍結(jié)狀態(tài)；且溫度分布是邊坡上下兩端高中間低，所以裂縫多集中在坡板1/2左右范圍內(nèi)。

2.在冬季，混凝土襯砌板與渠床基土凍結(jié)成一體，共同承受著凍結(jié)力、凍脹力以及混凝土板本身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力大于混凝土板在低溫下的極限應(yīng)力時(shí)，板體就發(fā)生破壞、開裂。

3.在地下水位高于渠底的凍土地帶，當(dāng)混凝土與基土凍結(jié)在一起后，由于凍土出現(xiàn)裂縫，混凝土板亦可能因此而被拉裂。

4.在冬季，渠內(nèi)存水并結(jié)成較厚冰層的情況下，冰面附近渠坡含水量較高，水分補(bǔ)給充分，凍脹量較大，但混凝土襯砌板的凍脹上抬受到冰層一側(cè)的限制，因而可能在冰緣線處受彎出現(xiàn)裂縫或折斷。

（二）溫度應(yīng)力：由于渠道本身的凹槽形式和坡面走向不同，造成了斷面上各部位的日照、風(fēng)情和表面溫度狀況有很大差別。當(dāng)混凝土板塊較大，不能適應(yīng)溫度收縮變形時(shí)，將會(huì)由于溫度應(yīng)力造成縱向和橫向的裂縫。根據(jù)工作中觀察，南北走向的渠道，陰陽兩坡受日照、風(fēng)情等影響因素基本相同，因此兩坡的裂縫規(guī)律基本一致；但東西走向的渠道，陰陽兩坡受日照因素的影響，斷面上各點(diǎn)的溫差較大。東西走向的渠道在冬季，斷面上各點(diǎn)的凍結(jié)深度和凍脹量很不均勻，陰陽兩坡由于受凍深和凍脹量差別的影響，裂縫情況差別較大，陰坡較陽坡更容易破壞，裂縫滲水情況相對(duì)嚴(yán)重；在夏季不行水時(shí)，混凝土板面一日之內(nèi)溫差較大。據(jù)祥符朱引黃灌區(qū)在三干渠段試驗(yàn)記錄，當(dāng)氣溫從20℃增高到40℃時(shí)，混凝土板面（陽坡）溫度由23.5℃增長到58℃，溫差達(dá)34℃左右（板下層22℃）。綜上所述，溫度應(yīng)力是混凝土現(xiàn)澆渠道的一個(gè)重要的破壞因素。

（三）基礎(chǔ)沉陷：在不同地區(qū)由于土質(zhì)不同，基土滑移、基礎(chǔ)沉降等也是導(dǎo)致渠道混凝土板裂縫的重要原因。當(dāng)?shù)刭|(zhì)滑動(dòng)拉力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生拉裂，高填方地段基土沉陷使襯砌板架空、斷裂。祥符朱引黃灌區(qū)三干渠8km現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道這種現(xiàn)象較為明顯。

（四）設(shè)計(jì)施工方面的原因：設(shè)計(jì)方面主要是結(jié)構(gòu)形式及防凍措施不科學(xué)，抵抗變形差。施工方面：一是水灰比控制不好，由于運(yùn)距長，混凝土尺寸小，沿途水分蒸發(fā)滲漏，導(dǎo)致入倉混凝土水灰比過小或過大，過小難振搗不密實(shí)，過大振搗中易出現(xiàn)塌落裂縫；二是坡板施工時(shí)，滑模長度不夠，上部振搗引起下部塌落裂縫，如水灰比過大，更易發(fā)生裂縫；三是改造渠道在停水間隙施工，剛一停水就施工，基礎(chǔ)土含水率大，夯填不密實(shí)，加大了凍脹應(yīng)力，必然產(chǎn)生縱向裂縫，特別易發(fā)生在坡腳附近；四是對(duì)撒落混凝土料不回拌合機(jī)重新拌合，直接入倉不能保證混凝土板的有效厚度，抗局部應(yīng)力差，導(dǎo)致裂縫。

四、減少裂縫的防治對(duì)策

（一）從設(shè)計(jì)方面優(yōu)化斷面結(jié)構(gòu)

1.按渠道流量確定設(shè)計(jì)斷面結(jié)構(gòu)。對(duì)于設(shè)計(jì)流量＞9.0m3/s的大中型渠道，選擇弧形坡腳梯形斷面或梯形斷面；渠道設(shè)計(jì)流量在3～9.0m3/s時(shí)，選擇弧形坡腳梯形斷面或弧底梯形斷面；渠道設(shè)計(jì)流量在1～3m3/s時(shí)，選擇弧底梯形斷面或“U”型斷面；渠道設(shè)計(jì)流量＜1.0m3/s時(shí)，選擇“U”型斷面。

2.根據(jù)需要增設(shè)防滲（隔水）、排水設(shè)施。如采用混凝土板下鋪設(shè)塑料薄膜或復(fù)合土工布的板膜復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)，并在坡板頂加設(shè)封頂板，防止渠水、雨水灌入，加強(qiáng)排水，降低地下水位等。

3.現(xiàn)澆混凝土板采用肋形板、楔形板或中間加厚板。

4.現(xiàn)澆混凝土渠道應(yīng)每隔5m設(shè)一道橫向伸縮縫和縱向伸縮縫，縫寬不宜＜2cm，縫內(nèi)填塞瀝青油膏或聚氯乙烯等能適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形、粘結(jié)力強(qiáng)、防滲性能好的填料灌實(shí)。

5.對(duì)于凍土和淤泥基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行換土處理，基土壓實(shí)系數(shù)≥0.95。

（二）通過調(diào)整混凝土配比，添加粉煤灰、減水劑、引氣劑等改善混凝土性能，提高自身抵抗外界環(huán)境危害因素的能力。工程實(shí)踐證明，由于“粉煤灰效應(yīng)”，粉煤灰混凝土的密實(shí)度、最大抗壓強(qiáng)度、抗彎與抗拉強(qiáng)度、收縮性、抗?jié)B性均好于普通混凝土，并且可節(jié)約水泥，減少工程投資15%。

（三）采用預(yù)制裝配法襯砌渠道。隨著填縫材料性能的不斷提高完善，預(yù)制裝配方案愈受重視；預(yù)制裝配法的優(yōu)點(diǎn)是受氣候條件的影響小，混凝土質(zhì)量容易保證，可以工廠化生產(chǎn)，特別是在已成的渠道上施工，能減少施工與行水的矛盾。

（四）加強(qiáng)施工質(zhì)量監(jiān)督和運(yùn)行管理。高標(biāo)準(zhǔn)的施工是實(shí)現(xiàn)完美設(shè)計(jì)的唯一途徑；科學(xué)的管理是延長渠道使用壽命的重要法寶，要盡早發(fā)現(xiàn)裂縫，并在裂縫早期采取補(bǔ)強(qiáng)措施，以防事態(tài)擴(kuò)大。在灌區(qū)工程管理中要本著“以防為主，防重于修，修重于搶”的原則，加強(qiáng)運(yùn)行管理，確保渠道的安全運(yùn)行。