膨脹土渠道襯砌面板裂縫形成機(jī)理研究

(江西省上饒市科信水利水電勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司， 江西 上饒 334000)

1 概 述

在水利施工建設(shè)中膨脹土渠道襯砌面板裂縫較為常見(jiàn)，其危害較大。襯砌面板出現(xiàn)裂縫不僅影響渠道施工質(zhì)量，而且在后期運(yùn)營(yíng)服務(wù)中極易造成滲漏病害，嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)決堤。因此研究渠道襯砌面板裂縫形成原因，有利于指導(dǎo)施工，保證施工質(zhì)量。

本文以江西省內(nèi)南水北調(diào)工程中膨脹土南昌試驗(yàn)段為研究對(duì)象，分析膨脹土渠道襯砌面板裂縫成因并提出具有針對(duì)性的防治措施，力求為水利施工建設(shè)提供相應(yīng)指導(dǎo)。

2 工程概況

南水北調(diào)工程中膨脹土南昌試驗(yàn)段全程1.88km，共設(shè)有10個(gè)試驗(yàn)分區(qū)，分別是5個(gè)中膨脹土試驗(yàn)區(qū)(中1、2、3、4、5區(qū))、3個(gè)弱膨脹土試驗(yàn)區(qū)(弱1、2、3區(qū))、2個(gè)填方試驗(yàn)區(qū)(填1、2區(qū))。根據(jù)各自特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)方案。該試驗(yàn)區(qū)有多項(xiàng)科研項(xiàng)目，重點(diǎn)研究開挖邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)、強(qiáng)膨脹土渠道處理、防滲給排水設(shè)計(jì)、水泥改性處理施工、膨脹土及高填方渠道安全監(jiān)測(cè)等施工技術(shù)難題。

2014年8月，南昌試驗(yàn)段施工開始，2015年5月，所有試驗(yàn)區(qū)段渠坡面板混凝土襯砌全部完工。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，試驗(yàn)區(qū)出現(xiàn)不同程度混凝土裂縫，并逐漸發(fā)育，到2016年2月最后統(tǒng)計(jì)時(shí)止，各渠段充水試驗(yàn)前裂縫數(shù)量超過(guò)160條?；炷撩姘辶芽p在充水試驗(yàn)前已經(jīng)進(jìn)行了處理，但經(jīng)過(guò)多次渠道充、退水工況模擬運(yùn)行等試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)段內(nèi)仍出現(xiàn)了不同程度的面板裂縫。為此實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)裂縫情況(裂縫數(shù)量、分布、產(chǎn)生時(shí)間)，統(tǒng)計(jì)分析產(chǎn)生裂縫原因，結(jié)合工程實(shí)踐需求針對(duì)性地提出防范措施，以提升工程質(zhì)量。

3 渠道充水試驗(yàn)前

渠道襯砌完畢，在未進(jìn)行充水試驗(yàn)時(shí)，統(tǒng)計(jì)裂縫情況如下：5個(gè)中膨脹土試驗(yàn)區(qū)共計(jì)88條，平均每個(gè)試驗(yàn)區(qū)18條，其中中5區(qū)數(shù)量最多，達(dá)到41條，占其總數(shù)的47%；3個(gè)弱膨脹土試驗(yàn)區(qū)共計(jì)47條，平均每個(gè)試驗(yàn)區(qū)16條，其中弱2區(qū)達(dá)到25條，占其總數(shù)的53%;2個(gè)填方試驗(yàn)區(qū)共計(jì)25條，平均每個(gè)試驗(yàn)區(qū)12.5條，其中填1區(qū)達(dá)到17條，占其總數(shù)的68%。中、弱膨脹土試驗(yàn)區(qū)襯砌面板裂縫情況大致相同。其基面結(jié)構(gòu)層依次選擇水泥改性土、非膨脹土、土工格柵加筋土等換填措施。結(jié)合各自裂縫情況，其滲控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)具體為：弱1、2區(qū)選擇排水板與復(fù)合土工膜結(jié)合方案，中1、2、3區(qū)選擇25cm厚的砂礫石反濾料與復(fù)合土工膜結(jié)合方案，弱3與中5區(qū)選擇30cm砂礫石反濾料與復(fù)合土工膜結(jié)合方案，中4區(qū)選擇水泥改性土上澆筑混凝土面板(裂縫少且深度、寬度均很小)方案。因弱膨脹土與中膨脹土試驗(yàn)區(qū)裂縫性狀與形成原因大致相同，為了節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)，僅選擇中膨脹土試驗(yàn)區(qū)作為研究對(duì)象(結(jié)果見(jiàn)圖1)。

圖1 不同時(shí)段內(nèi)中膨脹土試驗(yàn)區(qū)裂縫數(shù)量

中膨脹土試驗(yàn)1、2、3、5區(qū)裂縫出現(xiàn)在30天之后，此時(shí)混凝土強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)定數(shù)值，由此可排除施工原因造成裂縫出現(xiàn)。

中4區(qū)滲控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其他中膨脹土試驗(yàn)區(qū)大致一樣，裂縫較多，裂縫位置、裂縫性狀、出現(xiàn)時(shí)間與其他試驗(yàn)相同，因此將其作為研究對(duì)象，以降低研究成本。中4區(qū)的不同位置試驗(yàn)方案略有區(qū)別，一級(jí)馬道以下，邊坡、渠底選擇35cm砂石墊層與復(fù)合土工膜、襯砌組合方案；一級(jí)馬道以上左側(cè)選擇砌石聯(lián)拱并種植植被，右側(cè)選擇菱形格構(gòu)并種植植被。在中膨脹土4區(qū)渠坡、渠底等處布設(shè)測(cè)斜管、應(yīng)變儀、孔隙水壓力計(jì)多種監(jiān)測(cè)儀器。監(jiān)測(cè)表明，裂縫并不是由膨脹土特性與地質(zhì)條件等影響造成的。

通過(guò)裂縫出現(xiàn)時(shí)段內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析(中4區(qū)裂縫數(shù)量與時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖2)。可知大量裂縫出現(xiàn)時(shí)段都集中在30天之后。結(jié)合各試驗(yàn)區(qū)選擇的方案，對(duì)比分析裂縫數(shù)量。渠坡選擇砂礫料墊層的出現(xiàn)大量裂縫，選擇濾水網(wǎng)墊的裂縫數(shù)量居中，不采用墊層濾料與復(fù)合土工膜的裂縫數(shù)量最小。砂礫石反濾層厚度與裂縫數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系，中4區(qū)裂縫數(shù)量最大，其多出現(xiàn)在坡腳。造成該現(xiàn)象的主要原因是：砂礫料墊層沉降穩(wěn)定后，鋪設(shè)復(fù)合土工膜使砂礫料受到擾動(dòng)；坡腳與渠坡銜接處設(shè)計(jì)不合理(見(jiàn)圖3)；砂礫料回填后斷面不整齊；土工膜覆蓋后存在褶皺現(xiàn)象等。

圖2 中4區(qū)裂縫數(shù)量與時(shí)間變化曲線

圖3 坡腳齒槽開挖與渠坡銜接實(shí)景

分析裂縫統(tǒng)計(jì)情況，襯砌面板裂縫多為水平裂縫，并且大部分集中于渠坡和齒槽相鄰的板塊位置,并且貫通性長(zhǎng)大裂縫也集中在這個(gè)部位。底板裂縫數(shù)量不多，分布松散，無(wú)規(guī)律可尋。斜向裂縫絕大部分集中于試驗(yàn)區(qū)隔離堤與渠道交角位置，分析原因，是隔離體填筑沉降受到兩側(cè)渠坡約束造成的。中5區(qū)下游隔離堤八字形裂縫是因?yàn)槭┕げ僮鞑缓侠碚T發(fā)的，具體原因是渠坡面板襯砌后，排水設(shè)計(jì)不到位，大量雨水浸入反濾層，渠坡結(jié)構(gòu)因受揚(yáng)壓力作用而受損。

4 渠道充水試驗(yàn)后

渠道充水試驗(yàn)前，先處理已存在的襯砌面板裂縫，較小的A類裂縫選擇環(huán)氧樹脂涂刷，較大的B類裂縫選擇裂縫兩側(cè)鑿除3cm左右的槽后填涂聚硫密封膠。經(jīng)處理后各試驗(yàn)區(qū)在充水、蓄水、退水等過(guò)程中，渠坡與底板均無(wú)滲水現(xiàn)象，表明滲控設(shè)計(jì)合理并具有良好效果。經(jīng)檢測(cè)，渠底、渠坡襯砌面板仍存在裂縫，但比充水前情況改善很多(見(jiàn)表1、表2)。

分析表1與表2中數(shù)據(jù)可知，4個(gè)循環(huán)期過(guò)后，中3試驗(yàn)區(qū)裂縫27條，中4區(qū)裂縫20條，是由左側(cè)深層滑坡影響造成的；弱2區(qū)和中5區(qū)裂縫數(shù)量一致，均是10條，該試驗(yàn)區(qū)砂礫石反濾層厚度高出其他試驗(yàn)區(qū)15cm；弱1與弱3區(qū)選擇排水網(wǎng)墊，很少出現(xiàn)裂縫，僅2條左右。忽略滑坡影響的中3與中4試驗(yàn)區(qū)，裂縫生成規(guī)律大致總結(jié)如下：襯砌完成后裂縫出現(xiàn)區(qū)域與模擬試驗(yàn)裂縫出現(xiàn)區(qū)域一致，表明充水前砂礫石是造成裂縫出現(xiàn)的原因之一。

表1 充水試驗(yàn)各試驗(yàn)區(qū)裂縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2 各試驗(yàn)區(qū)每期充水后新產(chǎn)生裂縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

進(jìn)一步分析，裂縫產(chǎn)生的概率受到蓄水循環(huán)遍數(shù)的影響，前期呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，之后不受其影響。以中3與中5區(qū)為例，中3區(qū)第一遍蓄水后產(chǎn)生裂縫25條，第二遍蓄水僅產(chǎn)生裂縫2條，第三遍及第四遍蓄水未出現(xiàn)裂縫。

模擬渠道運(yùn)行工況后共計(jì)產(chǎn)生裂縫85條，其表現(xiàn)形式有水平、斜向、縱向3種。表2匯總數(shù)據(jù)顯示，水平裂縫37條，其占比43.5%，斜向裂縫40條，占比47%；縱向裂縫8條，占比9.4%。水平裂縫多集中在中3與中5試驗(yàn)區(qū)、弱2試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，其中中3區(qū)有14條，中5區(qū)與弱試驗(yàn)區(qū)分別有3、4條，其他試驗(yàn)區(qū)僅4-6條左右。中3區(qū)與中5區(qū)水平裂縫多出現(xiàn)在左右側(cè)渠坡面板和齒槽相鄰位置，尤其中3左坡裂縫嚴(yán)重，標(biāo)號(hào)中3-1-10裂縫長(zhǎng)度達(dá)到11.87m，并延伸至上游，中3-1-11裂縫長(zhǎng)度為8.64m，兩條裂縫高度一致，并彼此位于對(duì)方延長(zhǎng)線位。其主要因?yàn)槭艿捷^大滑坡變形擾動(dòng)、地下水與齒槽上部墊層沉降等因素影響。

斜向裂縫多分布于隔離堤與左右坡的交線位置，中4區(qū)上游隔離堤裂縫數(shù)量多且不斷發(fā)育，其中最長(zhǎng)裂縫為10.88m，剩余幾個(gè)均在5.26～7.45m范圍內(nèi)。斜向裂縫產(chǎn)生原因?yàn)椋焊綦x堤和渠坡前后分開施工；隔離堤施工場(chǎng)地制約壓實(shí)工藝不到位，蓄水后沉降量不同，形成新裂縫?？v向裂縫數(shù)量較少，僅出現(xiàn)8條，并且沒(méi)有規(guī)律可尋?？v向裂縫產(chǎn)生原因?yàn)?試驗(yàn)區(qū)分界處各種試驗(yàn)方案，施工時(shí)間不同，壓實(shí)度不到位，渠道蓄水后接觸帶兩側(cè)沉降量不同，造成混凝土襯砌板開裂。經(jīng)綜合分析，縱向裂縫影響不大。

5 應(yīng)對(duì)措施

在實(shí)際工程建設(shè)中，結(jié)合試驗(yàn)段膨脹土渠道襯砌面板裂縫分布及形成原因，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，為防止裂縫形成提出4項(xiàng)改進(jìn)措施：

a.在砂礫石原材料充足的條件下，渠道工程坡面選擇砂礫料填充反濾層時(shí)，應(yīng)充分考慮施工影響因素與沉降時(shí)長(zhǎng)等實(shí)際情況，符合反濾標(biāo)準(zhǔn)后盡量減小砂礫料厚度。

b.在坡腳位置布設(shè)通縫；對(duì)混凝土齒槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，面板和齒槽銜接自然過(guò)渡；用排水網(wǎng)墊替換砂礫料反濾層；回填砂礫料不進(jìn)行齒槽開挖，選擇排水網(wǎng)墊與齒槽底碎石盲溝連接，使其水流經(jīng)盲溝內(nèi)的透水軟管、混凝土齒槽內(nèi)PVC管逆向排出渠道中，取得了較好排水效果。

c.由于斜向裂縫主要出現(xiàn)在渠段隔離體與渠道換填體交角處，因此應(yīng)將施工臨時(shí)道路鋪設(shè)于換填土結(jié)構(gòu)層之外。

d.當(dāng)渠坡面板完工后，堤頂路與馬道必須設(shè)置臨時(shí)排水設(shè)施，并覆蓋保護(hù)預(yù)留出的復(fù)合土工膜，降低積水向下浸入對(duì)面板結(jié)構(gòu)造成的損害。

6 結(jié) 論

本文以江西省內(nèi)南水北調(diào)工程中膨脹土南昌試驗(yàn)段為研究對(duì)象，選取具有代表性的試驗(yàn)區(qū)分析裂縫形成機(jī)理，統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的裂縫產(chǎn)生時(shí)段、裂縫性狀、裂縫數(shù)量等情況。分析表明，渠坡裂縫受砂礫料墊層穩(wěn)定性影響，與其厚度相關(guān)。應(yīng)在滿足反濾要求后盡量減小砂礫料墊層厚度；斜向裂縫產(chǎn)生主要受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝的影響，應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工工藝，盡量降低兩側(cè)沉降量的不均衡性；蓄水裂縫與蓄水前裂縫分布及產(chǎn)生原因類似，但其規(guī)模遠(yuǎn)小于蓄水前。

南水北調(diào)南昌段工程實(shí)施過(guò)程中，充分借鑒上述試驗(yàn)段裂縫成因，并與實(shí)際工程條件相結(jié)合，針對(duì)性提出相應(yīng)防治措施。渠道襯砌面板竣工后取得了良好質(zhì)量效果，裂縫數(shù)量明顯減少，無(wú)滲漏情況，本研究可為類似工程施工提供參考。

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