無縫設(shè)計(jì)理論在渠道襯砌中的應(yīng)用研究

木提力普·吾斯曼

（新疆塔里木河流域喀什管理局提孜那甫河下游管理站新疆莎車844700)

無縫設(shè)計(jì)理論在渠道襯砌中的應(yīng)用研究

木提力普·吾斯曼

（新疆塔里木河流域喀什管理局提孜那甫河下游管理站新疆莎車844700)

本文基于國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，從伸縮縫理論推導(dǎo)出無縫設(shè)計(jì)相關(guān)理論，分析了其實(shí)現(xiàn)途徑，采用伸縮縫實(shí)際間距優(yōu)化計(jì)算方法，對(duì)渠道襯砌計(jì)算實(shí)例進(jìn)行了分析，得出了膨脹加強(qiáng)帶設(shè)計(jì)方案，有效抵制了混凝土收縮。以期為今后的渠道襯砌設(shè)計(jì)施工提供參考。

無縫設(shè)計(jì)；渠道；襯砌；混凝土

1 引言

渠道襯砌防裂縫與傳統(tǒng)防滲不同，主要是提升渠道輸水效率，盡可能的使水資源安全快速的到達(dá)目的地[1]。采用襯砌的渠道耐沖刷能力強(qiáng)，防滲材料使渠道更加穩(wěn)定。但是目前仍存在一些問題，其中最嚴(yán)重的便是渠道混凝土板裂縫控制。尤其在三北地區(qū)，四季溫差較大，混凝土襯砌更易出現(xiàn)裂縫[2]。

由于外界條件影響，伸縮縫的弊端逐漸暴露，工程設(shè)計(jì)中通常采用無縫設(shè)計(jì)方法來解決此問題[3]。伸縮縫雖然解決了溫縮應(yīng)力問題，但是其將建筑物變得不連續(xù)，增加了施工難度，致使建筑物很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，且抵抗地震的能力變差[4]。經(jīng)過長(zhǎng)期研究，提出了無縫設(shè)計(jì)理論，通過對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，避免設(shè)置伸縮縫，降低了施工難度。基于國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，從伸縮縫理論推導(dǎo)出無縫設(shè)計(jì)相關(guān)理論，并分析其實(shí)現(xiàn)途徑。從材料角度進(jìn)行優(yōu)化，采用伸縮縫的實(shí)際間距優(yōu)化計(jì)算方法，對(duì)計(jì)算實(shí)例進(jìn)行分析，有效的抵制了混凝土收縮。

2 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)理論

2.1 無縫設(shè)計(jì)定義

隨著環(huán)境溫度變化，渠道混凝土材料會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮變形，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重地甚至產(chǎn)生破壞，影響渠道使用。本文基于渠道襯砌的變形特性，對(duì)渠道結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。工程中常在混凝土板上設(shè)置伸縮縫，將伸縮縫兩端的構(gòu)件分成兩個(gè)獨(dú)立單元，從而使混凝土板可以橫向水平伸縮，從而釋放渠道襯砌內(nèi)部的應(yīng)力，使其不發(fā)生變形[4]。

伸縮縫的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，但其也存在著不足，因此工程中常采用無縫設(shè)計(jì)方法。綜合考慮結(jié)構(gòu)、環(huán)境等因素，大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，無縫設(shè)計(jì)方法給施工帶來了方便，滿足了建筑物經(jīng)濟(jì)性以及美觀要求，同時(shí)也能釋放渠道襯砌內(nèi)部的應(yīng)力，具有較好的應(yīng)用前景。

2.2 無縫設(shè)計(jì)理論

在理論力學(xué)上，無縫設(shè)計(jì)方法中的伸縮縫間距應(yīng)大于渠道混凝土板長(zhǎng)度或?yàn)闊o窮大。運(yùn)用極限思想分析此問題，可得出普通混凝土結(jié)構(gòu)的最大伸縮縫間距Lmax的計(jì)算方法。其計(jì)算式為：

式中：E——混凝土彈性模量，MPa；H——混凝土結(jié)構(gòu)厚度，mm；Cx——地基阻力系數(shù)，N/mm3；α——混凝土溫度膨脹系數(shù)，/℃，一般取10-5；T——結(jié)構(gòu)的綜合溫差，℃；εp——混凝土的極限拉伸，材質(zhì)差養(yǎng)護(hù)不良時(shí)為0.5×10-4～0.8×10-4，材質(zhì)好養(yǎng)護(hù)優(yōu)降溫緩時(shí)為1.5×10-4；中等狀況時(shí)為0.8×10-4～1.5× 10-4；σ0——結(jié)構(gòu)的初始邊界應(yīng)力，MPa。

式（1）是建立在極限思想下，混凝土板承受最大應(yīng)力且尚未開裂的情況。實(shí)際計(jì)算中，應(yīng)綜合考慮施工情況，取平均值作為混凝土伸縮縫的實(shí)際間距。伸縮縫的實(shí)際間距計(jì)算式為：

研究表明，超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為：控制結(jié)構(gòu)溫度變形、控制收縮當(dāng)量溫差、減少收縮、提高結(jié)構(gòu)的極限拉伸。從控制目標(biāo)出發(fā)，控制裂縫的出現(xiàn)和生長(zhǎng)，最終達(dá)到無縫設(shè)計(jì)目的[2]。

2.3 無縫設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)途徑

在目前的技術(shù)水平下，實(shí)現(xiàn)無縫設(shè)計(jì)的措施主要有以下兩方面[5]：

（1）設(shè)計(jì)方面的措施主要包括：設(shè)置后澆帶、施加預(yù)應(yīng)力、增加保溫隔熱措施等。其中，

若不考慮混凝土結(jié)構(gòu)的初始邊界應(yīng)力，即σ0=0時(shí)，可以得到無約束條件的自由邊界伸縮縫間距。結(jié)合式（2），考慮到結(jié)構(gòu)的綜合溫差的正負(fù)值，可以利用絕對(duì)值對(duì)式（2）進(jìn)行優(yōu)化。伸縮縫的實(shí)際間距優(yōu)化計(jì)算式：后澆帶又稱后澆縫，是目前施工中最為常用的方法。在實(shí)際施工中，后澆帶仍存在許多問題，前期施工中易有雜物進(jìn)入，后澆帶較窄，清洗方法復(fù)雜等；兩側(cè)鑿毛導(dǎo)致工期延長(zhǎng)，后澆帶設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，容易影響渠道整體結(jié)構(gòu)。

（2）材料方面：通過改變建筑材料的性能，選擇合適的建筑材料，從而滿足無縫設(shè)計(jì)的目的。具體做法如下：將低強(qiáng)度的混凝土和復(fù)合纖維混凝土混合，提高混凝土抗拉性能，加入膨脹劑，根據(jù)補(bǔ)償收縮混凝土膨脹性能補(bǔ)償混凝土收縮，添加減水劑控制后期干縮。同時(shí)采取良好的養(yǎng)護(hù)措施，進(jìn)行低溫養(yǎng)護(hù)，從而降低混凝土的水化熱以及終凝收縮[6]。

對(duì)建筑物采取良好的養(yǎng)護(hù)措施，保證低溫養(yǎng)護(hù)，減小混凝土水化熱導(dǎo)致的綜合溫差，冬季及時(shí)覆蓋，澆水養(yǎng)護(hù)也十分必要。在眾多無縫設(shè)計(jì)理論中，后澆帶是實(shí)現(xiàn)渠道襯砌無縫設(shè)計(jì)的最常用方法。后澆帶的主要功能為：減小混凝土的溫縮應(yīng)力，控制地基出現(xiàn)差異性沉降。后澆帶為施工中保留的抵抗結(jié)構(gòu)變形的縫隙，在竣工3個(gè)月后進(jìn)行密封填充，建筑物成為連續(xù)無縫結(jié)構(gòu)。但是，目前后澆帶施工中仍存在一些問題尚未解決：

a.前期施工廢棄物會(huì)預(yù)留在后澆帶中，由于整個(gè)后澆帶寬度僅為1m，清理存在難度；

b.進(jìn)行澆筑前，需要對(duì)后澆帶進(jìn)行鑿毛，為后期填縫施工增加難度，工期較長(zhǎng)；

c.由于需要進(jìn)行兩次澆筑，二次澆筑前先成型結(jié)構(gòu)處于懸臂狀態(tài)，出現(xiàn)變形。

3 無縫設(shè)計(jì)理論在渠道襯砌中應(yīng)用

3.1 無縫設(shè)計(jì)可行性論證

根據(jù)澆筑成型工藝的不同，渠道襯砌可以分為兩種：預(yù)制襯砌和現(xiàn)澆襯砌。

預(yù)制襯砌板是在其它場(chǎng)地預(yù)先澆筑成型后，再裝配到工程所在渠基面上。其優(yōu)點(diǎn)為：受氣候條件影響較小，適應(yīng)力強(qiáng)，易于推廣。但這種方法對(duì)混凝土預(yù)制板間的粘結(jié)會(huì)產(chǎn)生變形破壞，形成滲漏通道，使大量渠道水從該通道流失，同時(shí)對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有一定影響。

現(xiàn)澆渠道是指直接在渠道現(xiàn)場(chǎng)裝配模板，直接澆筑成型，并在原地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)的施工。現(xiàn)澆襯砌板整體性好，襯砌板間完全為剛性連接，能夠形成連續(xù)體。但是由于現(xiàn)澆板在澆筑時(shí)就與渠基接觸，兩者間存在相互作用的約束力。因此混凝土板在水化期及后期受環(huán)境因素影響較大，應(yīng)力應(yīng)變都不能及時(shí)釋放，一旦超過混凝土板的容許應(yīng)力值很容易出現(xiàn)裂縫。

為了解決渠道襯砌板的滲漏裂縫問題，最有效的方法就是改變混凝土板的材料，采用膨脹混凝土進(jìn)行澆縫，或采用膨脹加強(qiáng)帶對(duì)后澆帶進(jìn)行澆筑填充。其優(yōu)點(diǎn)為：提高了襯砌板的整體性和防滲效果；施工簡(jiǎn)單，不受季節(jié)影響，工期較短；施工費(fèi)用較低。

由分析可知：在渠道襯砌板澆筑中，采用補(bǔ)償收縮混凝土可以解決渠道開裂，降低施工成本。

3.2 渠道板收縮量計(jì)算

通過計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的收縮量，才能確定膨脹劑型號(hào)、摻量和膨脹加強(qiáng)帶寬度。因此，渠道板收縮量計(jì)算是補(bǔ)償收縮混凝土設(shè)計(jì)的前提。以梯形渠道為算例，渠道尺寸及各施工參數(shù)如下：渠底寬度4m，渠深度3m，襯砌板厚度0.1m，采用Pc32.5水泥，在夏季進(jìn)行施工。當(dāng)?shù)厮募痉置?，夏季平均氣溫?6℃，晝夜溫差10℃。

（1）計(jì)算環(huán)境溫度產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。分別計(jì)算非線性溫差、等效線性溫差以及平均溫度，最后得出溫度應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εt=α（-0.83954×A1+T）=2.5684×10-4（4）

（2）受環(huán)境濕度產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。將各參數(shù)代入相關(guān)計(jì)算式，得出濕度應(yīng)變?yōu)棣舩=1.0667×10-4。則混凝土襯砌板的收縮量為：

εsh=εt=εx=3.63×10-4（5）3.3伸縮縫間距計(jì)算及膨脹加強(qiáng)帶的設(shè)置

根據(jù)2.2得到的不加膨脹劑普通混凝土收縮量，對(duì)普通渠道襯砌板的伸縮縫間距進(jìn)行計(jì)算。收縮溫差取36.3℃，綜合溫差取64.3℃，混凝土拉伸極限為1×10-4，則伸縮縫的間距為：

為了有效發(fā)揮膨脹效能，增加長(zhǎng)度方向的膨脹量值，膨脹加強(qiáng)帶寬度應(yīng)該比后澆帶更寬。根據(jù)規(guī)范規(guī)定：膨脹加強(qiáng)帶寬度取2m。由于膨脹加強(qiáng)帶限制了寬度，必須經(jīng)過計(jì)算得到渠道設(shè)置段長(zhǎng)度。

在渠道襯砌工程中，膨脹加強(qiáng)帶一般采取兩種方法：

（1）普通混凝土與膨脹混凝土交替澆筑，考慮到規(guī)范中長(zhǎng)度的具體規(guī)定，最終決定應(yīng)采用2m普通混凝土與3m膨脹混凝土交替澆筑；

（2）微膨脹混凝土與大膨脹混凝土交替澆筑，即膨脹加強(qiáng)帶采用大膨脹混凝土。

根據(jù)伸縮縫計(jì)算式，計(jì)算出伸縮縫間距，結(jié)合溫差收縮，合理設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶。特別需要注意：當(dāng)伸縮縫間距大于混凝土板長(zhǎng)度時(shí)，不用設(shè)縫。根據(jù)實(shí)際施工情況不同，兩種方法擇優(yōu)采用。

4 結(jié)語

在渠道工程設(shè)計(jì)中，無縫設(shè)計(jì)方法的實(shí)施途徑較多，工序較少，有利于提高工作效率，減少滲漏，且施工成本較低，因此被廣泛應(yīng)用。從伸縮縫理論推導(dǎo)出無縫設(shè)計(jì)相關(guān)理論，并分析其實(shí)現(xiàn)途徑。從材料角度進(jìn)行優(yōu)化，采用伸縮縫的實(shí)際間距優(yōu)化計(jì)算方法，對(duì)計(jì)算實(shí)例進(jìn)行分析，有效的抵制了混凝土收縮。陜西水利

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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