南水北調(diào)中線總干渠京石應(yīng)急段渠道襯砌凍脹裂縫原因分析

楊鳳桂

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

1 概述

南水北調(diào)中線總干渠京石應(yīng)急渠段現(xiàn)渠道已多次通水運(yùn)行，建成初期渠道襯砌的混凝土在2007年時已發(fā)現(xiàn)局部存在裂縫，經(jīng)過2007年至2008年初冬季后，發(fā)現(xiàn)裂縫已有發(fā)展。據(jù)此情況，河北省水利水電勘測設(shè)計研究院南水北調(diào)項目部多次組織本院專家進(jìn)行現(xiàn)場查勘，并組織專題會議研究分析裂縫產(chǎn)生的原因及危害。為進(jìn)一步查明裂縫產(chǎn)生的原因，組織我院地質(zhì)、巖土實(shí)驗室、渠道設(shè)計人員深入現(xiàn)場，在調(diào)查及初步分析的基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的裂縫處，開挖取樣，填方段取回土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗，以便進(jìn)行現(xiàn)場土樣的主要土巖特性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

現(xiàn)場取樣主要試驗項目為顆分、天然含水量、天然密度，填方段取樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗。以便取得襯砌土體最優(yōu)含水量，最大干密度，與已壓實(shí)的填筑土體天然含水量、天然密度進(jìn)行比較，判斷填筑土體的密實(shí)度。

2008年3月8 日至3月20日，完成現(xiàn)場重點(diǎn)裂縫的調(diào)查分析及取樣試驗工作。共在10個標(biāo)段、15個裂縫發(fā)育點(diǎn)進(jìn)行，每個工作點(diǎn)開挖3個取樣坑，取樣位置在土體以下0.1，0.4m不同深度取原狀土樣共計74個，填方段取擊實(shí)試驗樣品6個，并取混凝土試塊14處。

現(xiàn)場調(diào)查分析及取樣時，有地質(zhì)、渠道設(shè)計、巖土實(shí)驗人員現(xiàn)場做了較為詳盡的描述。重點(diǎn)描述了襯砌型式、建基條件、施工時間、裂縫形態(tài)、地質(zhì)條件為襯砌裂縫原因初步分析提供詳細(xì)基礎(chǔ)資料。

2 渠道襯砌裂縫原因初步分析

由于現(xiàn)場已對每個調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行了詳盡描述，結(jié)合土工試驗成果會有助于分析每個取樣點(diǎn)的地質(zhì)條件，本文不再逐一重復(fù)敘述，只對規(guī)律性的現(xiàn)象進(jìn)行初步總結(jié)。

（1）取樣點(diǎn)的地基土體（包括砂石回填料）天然含水量較大，土樣濕潤，填方段的天然含水量都高于最優(yōu)含水量。個別土樣在取樣時仍具凍土狀態(tài)，較高的天然含水量，在冬季具備了土體受凍產(chǎn)生凍脹的基本條件。

土體天然含水量偏高的原因，15個取樣點(diǎn)中有10處是在2007年10月至11月襯砌，2007年9月下旬至10月中旬，正是本地區(qū)遇到反常的較強(qiáng)大氣降雨過程，因趕工期的原因，將較高含水量土體作為地基進(jìn)行襯砌，距入冬時間較短，產(chǎn)生凍脹。實(shí)驗結(jié)果天然含水率為28%～30%。填筑時含水量的控制是否存在問題，天然含水量原本就高也是其原因。

（2）填方土體密實(shí)度大部未達(dá)到0.98的要求，尤其混凝土襯砌板直接接觸的表層土體，個別取樣位置目觀土體具松散狀。

土體密實(shí)度不足的原因，可能是在襯砌前進(jìn)行清坡，削坡過程中，局部人工找平，另外斜坡小面積的雨水沖溝，土體未進(jìn)行壓密，斜坡人工找平時表層達(dá)到要求的密實(shí)度確實(shí)很難做到。

（3）在調(diào)查取樣的15個位置中，有7處襯砌的混凝土板有明顯的凍脹隆起跡象，最大隆起達(dá)4cm，且已有解凍后混凝土板回落的明顯跡象，明顯是因凍脹而產(chǎn)生裂縫及局部的隆起。凍脹破壞主要發(fā)生在水位線一定范圍內(nèi)，且沿渠道方向分布。通水結(jié)束后坡腰、坡腳及渠底，裂縫寬度從幾毫米至十幾毫米，延伸長度多達(dá)幾十至上百米。分析原因：

①局部土含水量高，溫度低，造成土體水當(dāng)大氣負(fù)溫傳入土中時，土中的自由水首先凍結(jié)成冰晶體，隨溫度降低，周圍未凍結(jié)的水向凍結(jié)區(qū)遷移和積聚，使冰晶體不斷擴(kuò)大，土體隨之發(fā)生隆起，最終導(dǎo)致凍脹嚴(yán)重。土壤中自由水和毛細(xì)水的存在是凍脹發(fā)生的關(guān)鍵因素。在整個凍脹破壞過程中，水是最重要的因素。

②砂礫石墊層區(qū)。地下水位高于渠道水位時，設(shè)計采用鋪設(shè)在渠坡鋪設(shè)40cm砂礫石墊層及集水井排水，由于砂礫石是良好的滲水通道，在高水位情況下水在砂礫石空隙中積聚，在負(fù)溫下水匯集結(jié)冰，體積膨脹，導(dǎo)致凍脹，使混凝土板隆起、破裂。

③水位變化區(qū)。現(xiàn)場檢查凍脹多發(fā)生在渠水位變化區(qū)存在凍脹，渠水位距凍結(jié)區(qū)較近，有水源補(bǔ)給毛細(xì)通道，使水能夠補(bǔ)充到未凍結(jié)區(qū)，形成冰晶體，水源充足，冰晶體不斷擴(kuò)大，因此在渠水位變化區(qū)，產(chǎn)生凍脹，此類凍脹裂縫水平或小角度順?biāo)鞣较蜓由臁?/p>

（4）襯砌形式中，襯砌板其下鋪設(shè)保溫板的渠段裂縫發(fā)生幾率明顯較少，如在未鋪保溫板的位置（樁號202＋982），裂縫產(chǎn)生很多，隆起現(xiàn)象嚴(yán)重，向上游鋪設(shè)保溫板的渠段未發(fā)生裂縫，說明保溫板抗凍脹的效果明顯，但鋪設(shè)保溫板的渠段也有較多的混凝土裂縫。

本次調(diào)查取樣因時間原因，僅在典型裂縫發(fā)生較為嚴(yán)重的地點(diǎn)進(jìn)行，調(diào)查的數(shù)量偏少，僅為調(diào)查點(diǎn)裂縫原因的初步分析。

3 結(jié)語

混凝土裂縫產(chǎn)生的原因是多方面的，凍脹是混凝土襯砌產(chǎn)生裂縫的主要原因之一，另外混凝土抗凍標(biāo)號是否滿足要求，填方段地基沉陷變形的情況，地基土體的干縮變形，混凝土的配合比，襯砌工藝、后期養(yǎng)護(hù)如何及混凝土性能等都會引起裂縫產(chǎn)生。事實(shí)上許多裂縫在冬季之前也有不同程度的發(fā)現(xiàn)，個別點(diǎn)凍脹加劇了裂縫的發(fā)展，因此裂縫產(chǎn)生的原因并非只是單一凍脹，很可能是多方面的因素，具體到某一裂縫產(chǎn)生的原因，目前還很難講清，對典型的裂縫加強(qiáng)觀測和高填方段地基沉陷變形的觀測很有必要。同時，應(yīng)認(rèn)真分析襯砌工藝全過程對裂縫產(chǎn)生影響的因素。

目前的臨時通水是在低水位運(yùn)行，將來的正常運(yùn)行對渠道混凝土襯砌板來說是新的考驗。較薄的混凝土板在通水加荷載后，地基變形條件及穩(wěn)定對混凝土的影響可能將是主要條件，且還會產(chǎn)生新的凍脹，故應(yīng)重視運(yùn)行期的觀測。

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