新疆某供水工程渡槽裂縫成因分析及處理措施

劉曉鵬 呂斌

摘要：新疆某供水工程地處阿勒泰高寒地區(qū)，工程試通水期間發(fā)現(xiàn)其單向預應力渡槽存在滲漏現(xiàn)象，滲漏通道主要為混凝土裂縫、伸縮縫。通過渡槽滲漏的成因分析，發(fā)現(xiàn)施工期間溫度應力是造成槽身混凝土裂縫的主要原因，極大的年溫差和強勁風力是造成渡槽伸縮縫部分止水失效的主要原因。通過總結國內(nèi)對渡槽裂縫、伸縮縫缺陷的修補技術，提出對寬度大于0.2mm的裂縫采用化學灌漿及粘貼碳纖維措施進行加固、對渡槽伸縮縫采用4mm厚SK單組分聚脲進行防護的修補措施。另外，對槽身內(nèi)部采用2mm厚SK單組分聚脲整體進行防護。按照此方案對渡槽缺陷修補后，效果良好，徹底解決了該工程渡槽的滲漏及后續(xù)運行過程中的凍融剝蝕破壞問題。

關鍵詞：裂縫處理；SK單組分聚脲；化學灌漿；渡槽；新疆

中圖分類號：TV672+.3；TV523 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.029

1 工程簡介

新疆某供水工程位于阿勒泰高寒地區(qū)，工程區(qū)多年平均氣溫5℃左右，年溫差、日溫差大，寒潮頻繁，極端最低氣溫-43.8℃。供水工程共有4座渡槽，渡槽比降為1/800～1/1000，槽身采用鋼筋混凝土單向預應力簡支箱形梁槽身結構，單跨20m，為后張法構件。槽身采用矩形斷面，凈高3.5m，凈寬5.5m，底板厚0.5m，側(cè)墻厚0.5m，頂板厚0.4m，邊墻與底板連接處設置500mm×500mm貼角。箱形梁與側(cè)擋塊之間留有變形縫，槽身兩端采用盆式橡膠支座支承，結構縫處設置雙道止水，槽身段混凝土等級為C50F300W8。工程完工試通水期間，發(fā)現(xiàn)渡槽局部存在滲漏現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場普查及檢測，發(fā)現(xiàn)滲漏通道主要為渡槽混凝土裂縫和伸縮縫。

2 混凝土裂縫成因分析

根據(jù)以往的研究成果，渡槽裂縫產(chǎn)生的原因主要是施工期間混凝土的內(nèi)外溫差和上下層溫差[1-6]。

內(nèi)外溫差對阿勒泰高寒地區(qū)薄壁混凝土結構裂縫出現(xiàn)起著主導性作用。內(nèi)外溫差產(chǎn)生的原因主要有三方面：一是渡槽混凝土剛澆筑完1～2d，因采用C50高標號混凝土，故早期混凝土溫度上升時，內(nèi)部溫度上升很快，表面溫度上升較慢，形成內(nèi)外溫差；二是溫度下降時，由于表面散熱快，因此會形成更大的溫差；三是當遭遇寒潮冷擊或大的晝夜溫差時，表面溫度驟降，內(nèi)外溫差變大。有關研究表明[7]：1℃溫差產(chǎn)生0.1～0.2MPa溫度應力，較大的內(nèi)外溫差產(chǎn)生的溫度應力超過混凝土抗拉強度后會導致“自表及里”裂縫的產(chǎn)生。在阿勒泰高寒地區(qū)的渡槽結構，由于采用高標號混凝土，且日溫差大、寒潮頻繁，施工期防止裂縫出現(xiàn)的難度非常大，很容易產(chǎn)生表面裂縫。

上下層溫差是渡槽施工工藝導致的。渡槽槽身施工時一般先澆筑底板及底部墩墻，間歇10d左右再澆筑上部結構，此時底部結構內(nèi)部水化熱已消散，而上部新澆混凝土內(nèi)部溫度較高。當上部新澆混凝土溫度下降時，受底部約束會產(chǎn)生較大的溫度應力，從而在渡槽豎墻中產(chǎn)生“自內(nèi)而外”的“棗核形”裂縫。南水北調(diào)工程漕河、放水河及洛河渡槽都出現(xiàn)過類似裂縫[8-9]。文獻[9]分析了洛河渡槽在不同澆筑季節(jié)時上、下層不同澆筑間歇期對渡槽豎墻溫度應力的影響，分析結果表明，在氣溫較低的春季、秋季下部結構對上部豎墻薄壁結構的約束更強，很容易產(chǎn)生裂縫。

3 伸縮縫滲漏原因分析

渡槽地處高寒地區(qū)，日溫差可達到30℃，且秋冬季節(jié)風力強勁。渡槽的年最大開度變化可采用下式計算：

△L=αL△T （1）式中：△L為伸縮縫開度變化，m；α為混凝土線膨脹系數(shù)，一般取1.0×10-5；L為渡槽單跨跨度，m；△T為年最大溫差。

對于跨度為20m的輸水工程渡槽，伸縮縫最大開度變化接近2cm。雖然原渡槽伸縮縫設計比較合理，但受較大溫差和較大橫向風的影響，渡槽伸縮縫順流方向開度和垂直水流方向的錯動較大，容易導致渡槽伸縮縫止水體系的部分失效，造成輸水時伸縮縫出現(xiàn)滲漏。

4 國內(nèi)裂縫及伸縮縫的修補技術及實踐

渡槽裂縫和伸縮縫漏水不僅會影響輸水效率，造成水源浪費，還會導致混凝土凍融剝蝕破壞以及內(nèi)部鋼筋的銹蝕，漏水滲入地基還會引起基礎不均勻沉降，從而影響渡槽運行的安全性和耐久性，因此必須采取適當措施進行處理。

從國內(nèi)渡槽裂縫的修補實踐看，甘肅靖會灌區(qū)渡槽工程對寬度小于2mm裂縫采用環(huán)氧砂漿材料進行表面封閉，對寬度大于等于2mm裂縫采用環(huán)氧材料填補后，又采用玻璃纖維布進行補強；山西西坪溝渡槽裂縫采用打斜孔灌環(huán)氧材料及表面采用KH-1表面封閉的方法進行修補；南水北調(diào)中線礦務局南溝排水渡槽裂縫采用騎縫打孔灌環(huán)氧漿液，表面采用聚氨酯漿液封閉的方案進行修補；湖北引丹灌區(qū)的排子河渡槽裂縫采用粘貼碳纖維技術進行加固；甘肅引大入秦天王溝渡槽裂縫采用“壁可法”注漿技術灌注環(huán)氧漿液進行補強。

國內(nèi)對渡槽伸縮縫處理的研究和工程實踐較多，引大入秦的莊浪河渡槽伸縮縫用環(huán)氧漿液粘貼橡膠止水帶進行修補；景電二期工程渡槽采用背水面填塞瀝青油麻，迎水面鋼板貼橡皮止水并用水泥砂漿封口修補；東深供水工程的官山渡槽和山西禹門口灌區(qū)的11#、13#渡槽伸縮縫采用表面涂刷SK單組分聚脲的方案進行處理。

5 渡槽缺陷的修補工藝

該供水工程渡槽地處高寒地區(qū)，且為單向預應力渡槽，對裂縫和伸縮縫的修補材料和施工工藝必須符合當?shù)貧夂驐l件和渡槽自身結構特點。

5.1 裂縫的補強加固

對于渡槽側(cè)墻豎向裂縫，首先采用環(huán)氧樹脂漿材對裂縫進行化學灌漿處理，恢復結構的整體性。由于渡槽槽身為預應力混凝土且厚度較薄，不宜打孔，因此采用騎縫貼嘴灌漿的方法。此方法適合渡槽等薄壁結構混凝土，灌漿效果好且不會對混凝土或預應力鋼絲造成損壞。然后灌漿完畢后在渡槽裂縫內(nèi)表面粘貼三層碳纖維布進行加固，纖維方向應與裂縫走向垂直，粘貼寬度70cm。

裂縫處理的施工工序為：清理裂縫表面→粘貼灌漿嘴→封閉裂縫→配制漿液→灌漿→去除灌漿嘴→打磨清理裂縫表面→粘貼碳纖維。

5.1.1 裂縫灌漿

（1）對裂縫表面進行清理。用角磨機加帶金剛石磨片進行裂縫表面打磨，用高壓風吹除裂縫表面的灰塵、浮渣及松散層。

（2）粘貼灌漿嘴。在裂縫交叉處、較寬處、端部及裂縫貫穿處等均要粘貼灌漿嘴。在灌漿嘴的底盤上抹一層厚約1mm的環(huán)氧膠泥，將灌漿嘴騎縫粘貼在預定的位置上（灌漿嘴間距15～20cm）。

（3）封閉裂縫。在裂縫上抹一層厚1mm、寬30mm的封閉材料。抹封閉材料時應防止產(chǎn)生小孔和氣泡，保證密閉可靠。裂縫封閉后進行壓力試漏，檢查密閉效果，凡漏氣處，補充密封。

（4）配置漿液。根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇合適的材料配比，一次配成量要根據(jù)灌漿材料的用量和凝結時間來選擇。

（5）灌漿。灌漿為施工的關鍵工序，必須確保施工質(zhì)量。把配置好的漿液加入注入器，在容器自身壓力下自動灌注漿液，漿液灌完后立即注入新的漿液，直至漿液不再減少為止?；瘜W灌漿材料采用環(huán)氧樹脂類漿材，漿材無毒，可灌性強，具有較好的抗?jié)B性及與混凝土良好的黏結性；固化后收縮性小，材料的抗壓、抗拉性能優(yōu)于混凝土。

（6）去除灌漿嘴，待縫內(nèi)膠液達到初凝而不外流時，拆下灌漿嘴。

（7）打磨清理裂縫表面。用角磨機帶金剛石磨片對裂縫表面進行打磨清理。

5.1.2 粘貼碳纖維布

粘貼碳纖維布要求現(xiàn)場環(huán)境溫度大于5℃。

（1）混凝土表面處理。將混凝土表面打磨平整，去除表面粉塵、油污等雜質(zhì)，用清水清洗干凈?；炷帘砻鎽稍?，不得有滲水和明水。較大的蜂窩、孔洞部位用環(huán)氧膩子填平，修復平整。

（2）粘貼碳纖維布。按設計要求裁剪碳纖維布，配制浸漬膠，并均勻涂抹于粘貼部位。將碳纖維布用塑料刮板輕壓于粘貼部位，使碳纖維布平順，用專用工具順纖維方向滾壓，使浸漬膠充分浸透碳纖維布，不得用金屬器具進行碳纖維布施工，以免損傷纖維。粘貼完第一層碳纖維布后，待浸漬膠干燥，再次涂刷浸漬膠粘貼第二層碳纖維，第三層施工步驟與上述工藝相同。最后一層碳纖維布的表面用浸漬膠滾壓。

（3）養(yǎng)護。粘貼碳纖維布后，需自然養(yǎng)護24h達到初期固化，應保證固化期間不受干擾。碳纖維布粘貼后應在5℃以上養(yǎng)護14d以上。

5.2 伸縮縫表面止水加強處理

渡槽伸縮縫表面止水加強處理工序為：基面處理→涂刷界面劑→涂刷單組分聚脲→養(yǎng)護。

首先對伸縮縫涂刷范圍進行基面處理，伸縮縫鋼板處進行除銹及附著污物清理，清理完成后在凹槽部位粘貼高壓聚乙烯閉孔泡沫板，使凹槽部位與兩側(cè)混凝土基本平整，高壓聚乙烯閉孔泡沫板須與鋼板黏結牢固。基面處理完成后，涂刷界面劑，刮涂單組分SK手刮聚脲并復合胎基布，聚脲厚度4mm。伸縮縫處理范圍為伸縮縫中心左右各外延30cm。

5.3 渡槽槽身內(nèi)表面整體防護

為了對渡槽槽身內(nèi)壁混凝土進行防滲及凍融剝蝕破壞防護，提高其使用耐久性，采用SK單組分聚脲對渡槽內(nèi)表面進行整體防護處理，聚脲涂層厚度為2mm。單組分聚脲防護施工工序為：混凝土基面處理→涂刷界面劑→涂刷單組分聚脲→養(yǎng)護。

涂刷單組分聚脲應在環(huán)境溫度5℃以上進行，在界面劑風干后實施；單組分聚脲防護采用刮涂、涂刷的方法施工，涂刷聚脲在斜面或立面時采用多遍涂刷，一次涂刷厚度不得大于1mm，后序涂刷應在前一道涂刷表干后進行，直至厚度達到設計要求。大面積防護涂層厚度不小于2mm，單組份聚脲涂刷后，應在5℃以上養(yǎng)護3d，養(yǎng)護期間不得過水。

6 主要材料指標及驗收標準

6.1 化學灌漿材料

SK環(huán)氧類化學灌漿材料具有較高黏結強度及防滲特性，黏度低、可灌性好，可滲入0.2mm寬混凝土裂縫和微細縫隙內(nèi)，與其他同類材料相比，其早期發(fā)熱量低、無毒性、施工操作方便，是較理想的混凝土補強加固材料，主要用于干縫處理。漿液的配制按質(zhì)量比進行準確計量，漿液必須攪拌均勻。其性能指標見表1。

6.2 碳纖維

碳纖維復合材料是利用高強度或高彈性模量的連續(xù)碳纖維，單向排列成束，用環(huán)氧樹脂浸漬形成碳纖維增強復合片材，將片材用專用環(huán)氧樹脂膠粘貼在結構外表面受拉或有裂縫部位，固化后與原結構形成一整體，碳纖維即可與原結構共同受力。碳纖維布的性能指標見表2。

6.3 單組分聚脲

單組分聚脲由含多異氰酸酯-NCO的高分子預聚體與經(jīng)封端的多元胺（包括氨基聚醚）混合，并加入其他功能性助劑所組成。單組分聚脲主要技術指標見表3。

6.4 質(zhì)量驗收標準

灌漿施工質(zhì)量檢查采用壓水法，孔口壓力宜為0.2～0.4MPa，檢查孔單孔吸水量為0.01L/min或裂縫不漏水為合格。

單組分聚脲現(xiàn)場施工質(zhì)量檢查每400m2抽檢一組黏結強度和厚度，方法按照《水電水利工程聚脲涂層施工技術規(guī)程》（DL/T5317-2014）執(zhí)行。

碳纖維的粘貼必須密實，目測檢查不許有剝落、松弛、翹起、褶皺以及超過允許范圍的空鼓等缺陷。固化后的貼片層間狀況應良好。施工完畢達到養(yǎng)護期后，碳纖維片材與混凝土基面的黏結強度應大于等于2.5MPa。

7 結語

（1）渡槽為薄壁混凝土結構，在高寒地區(qū)施工期澆筑混凝土時，受內(nèi)外溫差及上下層溫差的影響，極易出現(xiàn)表面裂縫和貫穿性裂縫。受較大的年溫差和強勁風力的影響，架高的渡槽槽身伸縮縫順水流方向開度及垂直水流方向的錯動較大，容易導致伸縮縫止水的局部失效。

（2）新疆某供水工程渡槽為單向預應力渡槽，對于裂縫的處理應優(yōu)先考慮采用騎縫貼嘴灌漿，在保證灌漿效果的前提下減少對原結構混凝土和鋼筋的影響。為了防止裂縫出現(xiàn)后可能導致的預應力松弛，在裂縫處粘貼碳纖維補強是必要的。

（3）對渡槽伸縮縫的修補，防護材料底部必須采用空隔層，以適應伸縮縫的較大開度變化。

（4）對高寒地區(qū)渡槽裂縫的修補，考慮到長期暴露在野外，必須選用適合的修補材料。對于防護材料，必須選擇延伸率大、m3低溫且適應大溫差的材料。本工程選用的SK單組分聚脲已在新疆高寒地區(qū)多個工程的防護中得到驗證，效果良好。

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