輸水渠渡槽工程裂縫成因及處理方法研究

胡 釗

（廣東省水利水電第三工程局有限公司）

0 引言

輸水渠渡槽是指輸水渠工程在跨越山谷、洼地、道路以及其他水利工程時構(gòu)筑的架空水槽，普遍用于跨區(qū)水資源調(diào)度、抗洪排澇以及水上交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著我國水利工程和航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，輸水渠渡槽得到了廣泛的應(yīng)用。但渡槽采用的建筑材料基本為石材骨料、鋼筋以及水泥石等，這些材料在使用過程中極易產(chǎn)生裂痕[1]。

渡槽裂縫的產(chǎn)生是由混凝土在硬化和使用過程中，因?yàn)轶w積收縮不均勻，導(dǎo)致變形而引發(fā)。渡槽建造用的各種材料中，鋼筋的熱膨脹系數(shù)最大，水泥混凝土次之，骨料最小，不同材料之間相互束縛，不能產(chǎn)生自由變形，導(dǎo)致槽體在硬化和使用過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而引起骨料、水泥混凝土以及鋼筋的接觸面產(chǎn)生細(xì)微的裂痕。隨著輸水渠渡槽使用年限的增加，建造材料在熱脹冷縮過程中，會導(dǎo)致槽體的裂縫持續(xù)擴(kuò)大，最終導(dǎo)致渡槽產(chǎn)生不同程度的滲漏，影響了使用性能，并由此引發(fā)嚴(yán)重的安全問題，降低了渡槽的使用年限[2]。

處理溝槽裂縫時，應(yīng)針對具體渡槽工程的特點(diǎn)分析原因，采取科學(xué)有效的加固措施，在有效解決裂縫滲漏問題的同時，全面提升渡槽的抗裂縫性能，從而提高渡槽的壽命周期和安全性能，降低使用成本。

1 工程概況

湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程起訖是從丹江口水庫清泉溝隧洞進(jìn)口引水，向沿線城鄉(xiāng)生活、工業(yè)和唐東地區(qū)農(nóng)業(yè)供水，解決鄂北地區(qū)干旱缺水問題的一項(xiàng)大型工程。該工程位于湖北省棗陽市，起訖樁號102+720～108+130，線路平面總長5.41km，設(shè)計(jì)流量36.2m3/s，設(shè)計(jì)水位127.70～126.76m，設(shè)計(jì)水深4.07m。工程建筑物主要有渡槽、明渠等。主體工程主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3 級，導(dǎo)流工程等臨時建筑物級別為4 級。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇。

該工程的4 座渡槽均為30m 一跨，其中七方（方寨）渡槽（102+720～104+200），長度1480m，共49 跨；七方（套樓）渡槽（104+910～106+220），長度1310m，共42跨；七方（申沖）渡槽（106+390～106+840），長度450m，共14 跨；七方（王坡）渡槽（107+210～108+130），長度920m，共29 跨。墩身混凝土強(qiáng)度等級為C50。

工程投入使用后，渡槽的部分位置陸續(xù)出現(xiàn)滲漏情況，通過現(xiàn)場探查得知，輸水渠渡槽在施工和使用過程中產(chǎn)生的裂縫為主要滲漏通道，進(jìn)一步探查發(fā)現(xiàn)，輸水渠渡槽槽身出現(xiàn)的裂縫最大寬度達(dá)到2.5mm，且呈縱向或環(huán)向開裂，縫隙處的混凝土保護(hù)層出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，鋼筋防銹保護(hù)層遭到破壞，部分裂縫處的鋼筋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，最大銹蝕率達(dá)4%，經(jīng)上報(bào)主管部門批準(zhǔn)后，決定對該工程的裂縫作一次系統(tǒng)性的補(bǔ)強(qiáng)加固工作。本文將詳細(xì)分析該渡槽工程裂縫產(chǎn)生的種類和機(jī)理，并有針對性地提出防止渡槽裂縫的工程措施。

2 輸水渠渡槽工程裂縫形成機(jī)理

輸水渠渡槽在工程建設(shè)過程中，大量使用水泥，水泥的水化熱量大，如果工程施工不當(dāng)，或者設(shè)計(jì)不合理，極易在施工和使用過程中產(chǎn)生裂變。根據(jù)實(shí)際調(diào)查：該工程的裂縫類型中，混凝土因素導(dǎo)致的裂縫中，80%左右是由于設(shè)計(jì)和施工不當(dāng)引起的，混凝土自身的因素占15%，其次才是其他因素，如混凝土中的Ca2+析出等。因此本文將分別從材料、施工以及其他因素方面探討裂縫產(chǎn)生的機(jī)理。

2.1 設(shè)計(jì)和施工因素導(dǎo)致的裂縫

渡槽屬于一種大型薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的水工構(gòu)筑物。如果工程設(shè)計(jì)不合理，輸水渠渡槽極易在輸水荷載與混凝土變形等因素共同作用下產(chǎn)生裂縫。施工過程中的任何工序出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致輸水渠渡槽產(chǎn)生嚴(yán)重的裂縫。施工工藝和施工位置的不同，也會導(dǎo)致不同程度的工程裂縫，如振搗施工的方式不正確，混凝土表面會產(chǎn)生嚴(yán)重的浮漿，甚至出現(xiàn)混凝土分層離析現(xiàn)象，造成大量的砂漿處于低處，造成混凝土各處厚度不一致、結(jié)構(gòu)不均勻，裂縫極容易在不均勻處產(chǎn)生[3]。

2.2 混凝土因素導(dǎo)致的裂縫

輸水渠渡槽的裂縫程度與混凝土自身的物理性能和力學(xué)性能密切相關(guān)，包括混凝土的收縮和徐變等。

（1）混凝土的收縮?；炷恋臉?biāo)號、配比等因素都會影響混凝土體積收縮的程度。對于大型的水工構(gòu)筑物來說，初期收縮多為溫變冷縮，長期收縮多為干縮。在目前的輸水渠渡槽建設(shè)過程中，為了提高施工效率，一般使用泵送混凝土進(jìn)行工程施工。泵送混凝土流動性大，為了增加混凝土強(qiáng)度，需要采用高標(biāo)號的水泥。與普通混凝土施工相比，高標(biāo)號的泵送混凝土所產(chǎn)生溫差更大，導(dǎo)致的冷縮應(yīng)力更嚴(yán)重。為了保證泵送混凝土流動性，需要添加大比例的砂石和添加劑，這些因素都會增加混凝土體積收縮的內(nèi)部應(yīng)力，降低混凝土的抗裂能力。

（2）混凝土徐變。為了抵消輸水渠渡槽混凝土體積收縮時的內(nèi)部應(yīng)力，可以通過混凝土徐變來增強(qiáng)混凝土的變形能力。在輸水渠渡槽混凝土的施工過程中，混凝土徐變可以部分抵消混凝土溫變的內(nèi)應(yīng)力，降低收縮開裂的程度。但混凝土徐變自身也存在一定的工藝缺陷，是否采用，需要根據(jù)施工情況綜合考量。

2.3 化學(xué)侵蝕導(dǎo)致的裂縫

輸水渠渡槽運(yùn)行過程中，由于槽深部位發(fā)生不同程度的滲漏，滲漏部位的混凝土?xí)龀鯟a(OH)2，Ca(OH)2與空氣中的CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成混凝土中Ca2+減少，強(qiáng)度下降，造成輸水渠渡槽的強(qiáng)度破壞，減少使用壽命。

輸水渠渡槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，混凝土本身為無機(jī)弱堿結(jié)構(gòu)，其堿性環(huán)境會在鋼筋的表面，形成一層致密的水化氧化鐵（Fe2O3·2H2O）薄膜，水化氧化鐵為致密惰性結(jié)構(gòu)，能阻止鋼筋與空氣、水產(chǎn)生化學(xué)銹蝕，對鋼筋起著良好的保護(hù)作用。當(dāng)混凝土中Ca2+逐漸減少，堿性環(huán)境遭到破壞，對鋼筋的保護(hù)作用也會逐漸降低。當(dāng)混凝土的碳化層超過鋼筋的保護(hù)層時，鋼筋便失去了堿性環(huán)境的保護(hù)，表面就會發(fā)生銹蝕。當(dāng)輸水渠渡槽產(chǎn)生裂縫時，水中的氯離子和游離氧也會隨著裂縫滲入鋼筋的保護(hù)層，加快鋼筋腐蝕的速度。如果不采取措施隔斷縫隙滲入的水流，鋼筋的腐蝕速度會不斷加快，導(dǎo)致鋼筋從混凝土層中脫離，失去鋼筋支撐的混凝土渡槽，便會遭到結(jié)構(gòu)性破壞，給輸水渠渡槽的安全運(yùn)行帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。

3 輸水渠渡槽工程裂縫處理方法

由于輸水渠渡槽供水的特殊性，在維修湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程裂縫時，不能采取停水作業(yè)，因此，該工程對于貫穿裂縫和大深度裂縫,需要采取鉆孔灌漿的方法。灌漿采用化學(xué)漿料，渡槽為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)筑物，打孔的難度較大，因此，注漿時采用在裂縫的騎縫處設(shè)置注漿噴嘴的方法，并設(shè)置合理的注漿壓力，這種裂縫注漿的施工方式，對預(yù)應(yīng)力渡槽裂縫具有良好的效果，并且不會損壞到輸水渠渡槽的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。裂縫處硬化后還需要進(jìn)一步打磨，貼敷碳纖維布進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，防止渡槽的裂縫在預(yù)應(yīng)力的作用下繼續(xù)擴(kuò)大，減少水和空氣對裂縫內(nèi)部的進(jìn)一步侵蝕。該工程采用三層碳纖維布對輸水渠渡槽進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，要求碳纖維布貼敷的方向與裂縫的走向垂直，嚴(yán)禁與裂縫的方向重合，碳纖維布的寬度為70cm 左右。

3.1 鉆孔灌漿

裂縫注漿材料選用的是環(huán)氧樹脂漿料，對于深度大于5cm 的裂縫，需要沿縫隙兩側(cè)5cm 左右向裂縫打φ=1.4cm，深10cm 的孔，裂縫左右的孔呈梅花形布置，通過孔眼對裂縫雙面進(jìn)行灌漿處理，對于深度小于5cm 的裂縫，需要將裂縫造成深1cm 左右的“V”型溝槽，用高壓水槍沖洗干凈，再向溝槽填充環(huán)氧樹脂砂漿，最后用丙乳樹脂調(diào)制砂漿抹平。對于細(xì)小的淺表裂縫，可以通過結(jié)晶型水泥防水漿料封閉處理，防止裂縫在內(nèi)應(yīng)力的作用下進(jìn)一步擴(kuò)大[4]。

3.2 纖維布補(bǔ)強(qiáng)

為了防止輸水渠的裂縫繼續(xù)滲漏，確保裂縫不再擴(kuò)大，可以選擇用纖維布對縫隙進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[5]。纖維布補(bǔ)強(qiáng)對施工的環(huán)境溫度有嚴(yán)格的要求，需要環(huán)境溫度達(dá)到5℃以上。纖維布補(bǔ)強(qiáng)時，為了保證原有混凝土表面保持良好的黏結(jié)力，首先需要對原有的混凝土表面打磨處理，然后在磨平的混凝土表面均勻地涂抹樹脂基水泥，讓混凝土表面充分浸潤樹脂水泥漿液，最后沿著縫隙的方向貼上寬為8cm 的化纖樹脂布。若輸水渠渡槽表面有缺損、蜂窩以及空隙時，需要嚴(yán)格將這些地方的表面清理干凈，鑿除缺損和蜂窩等缺陷，然后用環(huán)氧樹脂膠黏劑膩?zhàn)幽テ?，在保證表面平整的基礎(chǔ)上，予以纖維布補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)的纖維布除了用化纖樹脂布，為了提高補(bǔ)強(qiáng)的效果，還可以用碳纖維布[6]，碳纖維布需要合理地剪裁，并合理地配置膠水。

4 鄂北地區(qū)輸水渡槽裂縫補(bǔ)強(qiáng)工藝和效果

4.1 裂縫補(bǔ)強(qiáng)施工工藝

輸水渡槽進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固前，需要用空壓機(jī)將注漿孔和施工區(qū)域附近的混凝土表面進(jìn)行清掃，清掃范圍應(yīng)當(dāng)大于作業(yè)范圍0.5m 左右。輸水渠渡槽加固補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)前，應(yīng)先檢查設(shè)備是否運(yùn)行良好，技術(shù)和施工人員、安全人員是否齊全，器具和材料是否準(zhǔn)備充分，施工作業(yè)必須取得駐場安全工程師的許可后方可實(shí)施[7]。

混凝土裂縫的灌漿作業(yè)必須從裂縫的最底部開始，自下而上逐步進(jìn)行，隨著漿液在渡槽縫面內(nèi)逐步上升，注漿噴嘴也應(yīng)當(dāng)隨著上移，當(dāng)漿液液面達(dá)到縫隙頂端時，關(guān)閉注漿噴嘴，結(jié)束注漿作業(yè)。注漿壓力一般為0.1～0.5MPa，具體壓力應(yīng)當(dāng)在施工前，通過實(shí)地試驗(yàn)確定，注漿壓力過小，會使?jié){液灌注不充分；注漿壓力過大，會導(dǎo)致裂縫擴(kuò)大。注漿過程中，應(yīng)當(dāng)讓壓力逐級提升，初始壓力一般設(shè)置為0.1MPa 左右，注漿結(jié)束后為0.3～0.6MPa。裂縫注漿施工結(jié)束后，首先要對灌縫進(jìn)行檢查，觀察灌縫處是否出現(xiàn)沙眼、小孔或者氣泡，灌縫中是否殘留異物。檢查完畢后，還需要檢測灌縫施工處的密封性能，通過壓力試驗(yàn)驗(yàn)證灌縫處的水密情況，保證灌漿材料徹底將灌縫處封閉。檢查工作結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)再對灌封材料進(jìn)行打磨處理，以便注漿部位繼續(xù)貼敷補(bǔ)強(qiáng)纖維布[8]。

此次施工的碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)為三層，第一層碳纖維布涂敷后，必須等待膠液基本干燥后，才能依次進(jìn)行第二層、第三層纖維布的涂敷補(bǔ)強(qiáng)工作。碳纖維布應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照“一底一布三膠”的方式，依次進(jìn)行涂敷，嚴(yán)禁將碳纖維布先粘到一起，然后一次性粘貼到輸水渠渡槽的表面，這樣很容易造成碳纖維布脫落。碳纖維布涂敷時，應(yīng)注意表面平整無褶皺。碳纖維布涂敷完畢后，還應(yīng)在其表面涂敷兩道環(huán)氧樹脂漿液，以形成對碳纖維布的保護(hù)層。纖維布涂敷補(bǔ)強(qiáng)施工結(jié)束后，還應(yīng)當(dāng)做好養(yǎng)護(hù)工作，防止纖維布脫落，一般來說，養(yǎng)護(hù)周期應(yīng)當(dāng)在3 周左右。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，纖維布須在檢測合格后才能投入使用，否則要對補(bǔ)強(qiáng)纖維布繼續(xù)進(jìn)行翻修或者返工。

4.2 裂縫補(bǔ)強(qiáng)的實(shí)施效果

湖北省鄂北地區(qū)輸水渡槽工程的縫隙處理過程中，采用了鉆孔灌漿和纖維布補(bǔ)強(qiáng)聯(lián)用的技術(shù)進(jìn)行加固。實(shí)踐證明，該技術(shù)的處理效果顯著，整個縫隙填補(bǔ)加固工程實(shí)施至今，未再發(fā)生縫隙擴(kuò)大、滲漏、補(bǔ)強(qiáng)加固纖維布脫落以及縫隙填充材料剝落等現(xiàn)象，大大節(jié)省了輸水渠渡槽工程的維修成本，提高了使用壽命，為鄂北地區(qū)輸水渡槽工程的安全運(yùn)行，起到了至關(guān)重要的作用。

5 結(jié)束語

輸水渠渡槽因?yàn)樗没炷敛牧瞎逃械男阅?，加上設(shè)計(jì)和施工等因素，產(chǎn)生裂縫是不可避免的，裂縫對輸水渠的安全運(yùn)行有害，并會降低輸水渠渡槽的使用性能。輸水渠裂縫產(chǎn)生后，需要具體分析產(chǎn)生的原因，了解裂縫產(chǎn)生的程度以及危害情況，結(jié)合輸水渠渡槽的特點(diǎn)，有針對性地制定科學(xué)有效的補(bǔ)強(qiáng)加固措施。這就需要在裂縫的補(bǔ)強(qiáng)加固施工中，選擇合理的裂縫處理方法，規(guī)范施工工藝，有效提高輸水渡槽補(bǔ)強(qiáng)加固作業(yè)的質(zhì)量，提高輸水渠渡槽的安全性能，延長輸水渠渡槽的使用壽命。