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[摘要] 质量控制是水利水电工程建设项目的重点工作之一，而施工单位的质量管理尤为重要。由于南水北调渠道衬砌混凝土方量大，在混凝土衬砌施工中一些防渗、防冻混凝土板产生了裂缝，对渠道的运行管理产生了极大的影响，这个常见而又难以解决的问题一直困扰着施工单位。本文结合南水北调京石段应急供水渠道工程项目S50标段的实际情况，对渠道混凝土衬砌的特点和混凝土裂缝产生的原因及其预防措施进行分析，并提出一些处理裂缝的方法。
[关键词] 水利水电工程 混凝土衬砌 裂缝 预防措施
1.工程概况
南水北调中线京石段马头沟渠道倒虹吸工程S50标桩号：199+538.7～201+388，全长1849.3m，包括马头沟渠道倒虹吸、坟庄排水倒虹吸两座建筑物及出口1452.3m长连接渠。
渠道出口连接渠总长1452.3m，底宽7.0m，内边坡1：2.5，纵坡1/240000，渠内设计水深4.3m；为半挖半填和填方渠道。C20W6F150现浇素混凝土衬砌，衬砌边坡厚度10cm，渠底衬砌底板厚度8cm。，横缝每12m设一道通缝、中间4m间隔采用切缝，切缝深度7cm，纵缝以4m左右设一道切缝，切缝深度为6～7cm，渠底中间设一道通缝。地质岩性多为黄土状壤土、砂壤土、沙砾等。渠段内地下水的类型主要为孔隙水,主要赋存于第四系全新统的砂土及砾卵石含水层中，地下水埋深一般为10～25m，多属潜水。地下水与地表水联系紧密，具有较强或强的富水性和强透水性，部分具中等透水性。渠段内冻土为季节性冻土，冻土厚度0.78～0.88m。渠道内侧混凝土下采用复合土工膜加强防渗，土质基础铺设聚苯乙烯泡沫塑料板保温防冻。
2.渠道衬砌混凝土裂缝的形式、分类和特点
2.1渠道衬砌混凝土裂缝的形式：
现浇混凝土衬砌渠道裂缝具有混凝土工程裂缝的共性，又有不同于大体积混凝土裂缝的突出表现。裂缝一经形成，就很难自身愈合。根据现场调查，渠道裂缝多出现在尺寸较大的现浇混凝土板顺水流方向，缝位一般在渠道坡板坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部，冬季积水或行水的渠道，一般出现在水面附近的坡板上。这些裂缝多呈弯曲线状，坡板上裂缝严重的呈折断破坏状态．在现浇砼渠道中，温度裂缝和拉伸裂缝一般呈发散状。裂缝表现为指向渠顶偏离渠坡的法线，这些裂缝往往和基土冻胀同时发生，形成冻胀裂缝。另外，在东西走向的渠道中，阴、阳两坡裂缝表现有很大的差别，阴坡裂缝较阳坡裂缝更厉害、更复杂。
2.2渠道衬砌混凝土裂缝的分类和特点：
根据裂缝的深度、范围和原因的不同，衬砌混凝土板产生的裂缝可分为表层裂缝、塑性裂缝和贯穿裂缝三种类型。
(1)表层裂缝：产生在混凝土板表面，裂缝长度一般不超过15cm，深度不超过3cm，纹理细碎，形状不规则，如：鸡爪或是龟背状，一般只见裂纹，却看不见明显的缝隙。
(2)塑性裂缝：一般裂缝深度在3~6cm，长度为1~3cm，在混凝土面板上有一道或数道，走向基本平行。
(3)贯穿裂缝：指裂缝将混凝土面板全部贯穿，贯穿整块甚至数块混凝土面板，长度达数米甚至数十米，走向连续规则。
3.渠道衬砌混凝土产生的原因
混凝土面板产生裂缝的原因有多种方面，经在现场观察和研究，认为造成混凝土裂缝产生的根本原因在于：砼由于受自身及外部介质环境的影响，在温度、湿度变化和周边、基础约束的作用下，会产生很大的约束应力，容易产生裂缝；在现浇混凝土渠道衬砌中，水泥混凝土属于薄壁轻型钢性结构，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形和不均匀变形的能力较差。所以，从结构和运行环境分析，现浇砼渠道裂缝主要是由冻胀压力及温度应力产生的，局部裂缝问题可能与施工质量和基础稳定性有很大的关系。
3.1冻胀压力：在冻胀力作用下，破坏情况归结起来有以下几种：
⑴砼防渗材料具有一定的吸水性和空隙率，又经常处在有水的环境中，因此材料内总是会有一定的水分，这些水分在低温下冻结成冰，体积发生膨胀，当膨胀作用引起的应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂缝，形成渗水通道，加大渗水量，使下一个负温冻胀更为加剧。同时渗水在负温下会发生冻结而造成土体膨胀，局部膨胀使砼衬砌开裂，隆起而折断。且裂缝多集中在坡板１/２左右范围内。
另据有关研究水结冰的膨胀体积公式：
Ud=0.09·S·U·M
式中Ud——毛细管水的过剩体积（膨胀体积）；
U——毛细管的空隙体积；
S——饱和度；
M——成冰率。
可知，水完全结冰可产生9%的体积膨胀，使混凝土遭受很大的内部破坏力。渠底的积水造成了混凝土处于完全饱和状态，冰冻后混凝土体积膨胀更为严重。由于日夜气温的交替变化，经过冻融交替，使渠底积水处混凝土板出现裂缝。同时，此处的混凝土表皮大面积脱落，正是由于混凝土出现冻融交替，使得混凝土表面遭受更为严重的破坏
⑵在冬季，砼衬砌板与渠床基土冻结成一体，共同承受着冻结力、冻胀力以及砼板本身收缩产生的拉应力，当这些应力大于砼板在低温下的极限应力时，板体就发生破坏、开裂。
⑶在地下水位高于渠底的冻土地带，当砼与基土冻结在一起后，由于冻土出现裂缝，砼板亦可能因此而被拉裂。
⑷在冬季，渠内存水并结成较厚冰层的情况下，冰面附近渠坡含水量较高，水分补给充分，冻胀量较大，但砼衬砌板的冻胀上抬受到冰层一侧的限制，因而可能在冰缘线处受弯出现裂缝或折断。
3.2温度应力：由于渠道本身的凹槽形式和坡面走向不同，造成了断面上各部位的日照、风情和表面温度状况有很大差别。当砼板块较大，不能适应温度收缩变形时，将会由于温度应力造成纵向和横向的裂缝。根据工作中观察，南北走向的渠道，阴阳两坡受日照、风情等影响因素基本相同，因此两坡的裂缝规律基本一致；但东西走向的渠道，阴阳两坡受日照因素的影响，断面上各点的温差较大。东西走向的渠道在冬季，断面上各点的冻结深度和冻胀量很不均匀，阴阳两坡由于受冻深和冻胀量差别的影响，裂缝情况差别较大，阴坡较阳坡更容易破坏，裂缝渗水情况相对严重；在夏季不通水时，砼板面一日之内温差较大。根据施工现场试验记录，当气温从20.5℃增高到40℃时，砼板面（阳坡）温度由23.7℃增长到58℃，温差达34℃左右（板下层22℃）。综上所述，温度应力是砼现浇渠道的一个重要的破坏因素。
3.3基础沉陷：在工程地质不稳定地区，基土滑移、沉陷等也是导致渠道砼板裂缝的重要原因。当地质滑动拉力超过砼抗拉强度时就会产生拉裂；填方或黄土湿险地段，基土沉陷使衬砌板架空、断裂。
3.4设计施工方面的原因：设计方面主要是结构形式及防冻措施不科学，抵抗变形差。施工方面一是水灰比控制不好，由于运距长，砼尺寸小，沿途水分蒸发渗漏，导致入仓砼水灰比过小或过大，过小难振捣不密实，过大振捣中易出现塌落裂缝；二是坡板施工时，滑模长度不够，上部振捣引起下部塌落裂缝，如水灰比过大，更易发生裂缝；三是改造渠道在停水间隙施工，刚一停水就施工，基础土含水率大，夯填不密实，加大了冻胀应力，必然产生纵向裂缝，特别易发生在坡脚附近。四是对撒落砼料不回拌合机重新拌合，直接入仓不能保证砼板的有效厚度，抗局部应力差，导致裂缝。
4.减少渠道衬砌混凝土裂缝的防治措施
4.1根据《渠道防渗工程技术规范》SL18-91和《渠系工程抗冻胀设计规范》规定，对标准冻深大于30cm的地区必须进行抗冻胀设计，判断是否采取防治冻胀措施。设计中常采用的防治裂缝措施如下：
(1)按渠道流量确定设计断面结构。对于设计流量大于9.0m3/s的大中型渠道，选择弧形坡脚梯形断面或梯形断面；渠道设计流量在3～9.0m3/s时，选择弧形坡脚梯形断面或弧底梯形断面；渠道设计流量在1～3m3/s时，选择弧底梯形断面或“U”型断面；渠道设计流量小于1.0m3/s时，选择“U”型断面。
(2)根据需要增设防渗（隔水）、排水设施。如采用砼板下铺设塑料薄膜或复合土工布的板膜复合防渗结构，并在坡板顶加设封顶板，防止渠水、雨水灌入；加强排水，降低地下水位等措施。
(3)现浇砼渠道应每隔4～８ｍ设一道横向伸缩缝和纵向伸缩缝，缝宽不宜小于1.5cm，缝内填塞沥青油膏、聚氯乙烯或双组份聚硫密封胶等能适应结构变形、粘结力强、防渗性能好的填料灌实，起到防渗、防裂的效果。
4.2通过调整施工砼配比。添加粉煤灰、减水剂、引气剂等改善砼性能，提高自身抵抗外界环境危害因素的能力。由工程实践证明，由于“粉煤灰效应”，粉煤灰砼的密实度、最大抗压强度、抗弯与抗拉强度、收缩性、抗渗性均好于普通砼，并且可节约水泥，减少工程投资成本10～20%，混凝土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生，减水防裂剂可有效的提高混凝土抗拉强度和抗裂性能。掺加外加剂还可使混凝土密实性好，可有效地提高混凝土的抗炭化性，减少炭化收缩。还要严格控制粗细骨料的质量，砂中的含泥量不应大干1％，粒径应选择上偏粗的中砂。碎石应控制粉尘含量使其不应大于2％，并应选择级配良好的石子以减少空隙率和孔隙率。采用改善骨料级配，加强对混合料的控制，尤其是水灰比和搅拌时间的控制，以免拌和不均影响混凝土质量造成混凝土中含水量局部过大而产生收缩裂缝。
4.3优化振捣工艺确保混凝土振捣密实，振捣时间以混凝土表面呈现泛浆，混凝土不再下沉，表面无气泡为止。浇筑厚度应严格控制，对于无模板的顶层混凝土表面应在混凝土终凝之前抹面压实。
4.4防止不均匀沉降引起混凝土的裂缝。对于高边坡，素混凝土渠道结构的基础，在浇筑之前先保证基础结构密实，削坡平整度，对具有湿陷性的黄土渠段，膨胀土渠段和其它不良地质渠段，应按照设计要求进行特殊处理。削坡后的平整度应不大于0.50m，当遇上覆盖砂砾料时削坡后的平整度应不大于1m，严禁在地基不均匀的基面上进行施工。
4.5在雨季施工应采取排水措施，雨后等基槽彻底晾晒干后，再进行下道施工工序。对于晾晒时间过长的基础在浇筑混凝土前需要进行洒水湿润，若发现软弱、冻土和淤泥地基时应向设计部门和现场监理汇报，并及时进行换填处理，其基土压实系数不应小于0.95%。
4.6衬砌混凝土凝固后应及时养护，由于渠道衬砌混凝土面积大、路线长，容易受风吹雨淋、施工人员践踏等因素影响，因此在夏季宜采取洒水或喷养护剂养护。尽量避免冬季施工，如需冬季施工在遇到气温骤降时需采取保温措施，例如用棉被、土工膜、塑料膜等工具进行覆盖保温，注意要严密，并用土将薄膜压实。
5.结束语
渠道衬砌混凝土板产生裂缝较为常见，但是经过因地制宜改进设计、加强施工管理，混凝土衬砌裂缝是可以预防的，这要靠我们在施工中多观察、多比较、出现问题后多分析、多总结，不断地完善和提高渠道混凝土衬砌施工技术水平，才能更好地服务于南水北调等大型水利工程建设，造福于人民。
[关键词] 水利水电工程 混凝土衬砌 裂缝 预防措施
1.工程概况
南水北调中线京石段马头沟渠道倒虹吸工程S50标桩号：199+538.7～201+388，全长1849.3m，包括马头沟渠道倒虹吸、坟庄排水倒虹吸两座建筑物及出口1452.3m长连接渠。
渠道出口连接渠总长1452.3m，底宽7.0m，内边坡1：2.5，纵坡1/240000，渠内设计水深4.3m；为半挖半填和填方渠道。C20W6F150现浇素混凝土衬砌，衬砌边坡厚度10cm，渠底衬砌底板厚度8cm。，横缝每12m设一道通缝、中间4m间隔采用切缝，切缝深度7cm，纵缝以4m左右设一道切缝，切缝深度为6～7cm，渠底中间设一道通缝。地质岩性多为黄土状壤土、砂壤土、沙砾等。渠段内地下水的类型主要为孔隙水,主要赋存于第四系全新统的砂土及砾卵石含水层中，地下水埋深一般为10～25m，多属潜水。地下水与地表水联系紧密，具有较强或强的富水性和强透水性，部分具中等透水性。渠段内冻土为季节性冻土，冻土厚度0.78～0.88m。渠道内侧混凝土下采用复合土工膜加强防渗，土质基础铺设聚苯乙烯泡沫塑料板保温防冻。
2.渠道衬砌混凝土裂缝的形式、分类和特点
2.1渠道衬砌混凝土裂缝的形式：
现浇混凝土衬砌渠道裂缝具有混凝土工程裂缝的共性，又有不同于大体积混凝土裂缝的突出表现。裂缝一经形成，就很难自身愈合。根据现场调查，渠道裂缝多出现在尺寸较大的现浇混凝土板顺水流方向，缝位一般在渠道坡板坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部，冬季积水或行水的渠道，一般出现在水面附近的坡板上。这些裂缝多呈弯曲线状，坡板上裂缝严重的呈折断破坏状态．在现浇砼渠道中，温度裂缝和拉伸裂缝一般呈发散状。裂缝表现为指向渠顶偏离渠坡的法线，这些裂缝往往和基土冻胀同时发生，形成冻胀裂缝。另外，在东西走向的渠道中，阴、阳两坡裂缝表现有很大的差别，阴坡裂缝较阳坡裂缝更厉害、更复杂。
2.2渠道衬砌混凝土裂缝的分类和特点：
根据裂缝的深度、范围和原因的不同，衬砌混凝土板产生的裂缝可分为表层裂缝、塑性裂缝和贯穿裂缝三种类型。
(1)表层裂缝：产生在混凝土板表面，裂缝长度一般不超过15cm，深度不超过3cm，纹理细碎，形状不规则，如：鸡爪或是龟背状，一般只见裂纹，却看不见明显的缝隙。
(2)塑性裂缝：一般裂缝深度在3~6cm，长度为1~3cm，在混凝土面板上有一道或数道，走向基本平行。
(3)贯穿裂缝：指裂缝将混凝土面板全部贯穿，贯穿整块甚至数块混凝土面板，长度达数米甚至数十米，走向连续规则。
3.渠道衬砌混凝土产生的原因
混凝土面板产生裂缝的原因有多种方面，经在现场观察和研究，认为造成混凝土裂缝产生的根本原因在于：砼由于受自身及外部介质环境的影响，在温度、湿度变化和周边、基础约束的作用下，会产生很大的约束应力，容易产生裂缝；在现浇混凝土渠道衬砌中，水泥混凝土属于薄壁轻型钢性结构，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形和不均匀变形的能力较差。所以，从结构和运行环境分析，现浇砼渠道裂缝主要是由冻胀压力及温度应力产生的，局部裂缝问题可能与施工质量和基础稳定性有很大的关系。
3.1冻胀压力：在冻胀力作用下，破坏情况归结起来有以下几种：
⑴砼防渗材料具有一定的吸水性和空隙率，又经常处在有水的环境中，因此材料内总是会有一定的水分，这些水分在低温下冻结成冰，体积发生膨胀，当膨胀作用引起的应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂缝，形成渗水通道，加大渗水量，使下一个负温冻胀更为加剧。同时渗水在负温下会发生冻结而造成土体膨胀，局部膨胀使砼衬砌开裂，隆起而折断。且裂缝多集中在坡板１/２左右范围内。
另据有关研究水结冰的膨胀体积公式：
Ud=0.09·S·U·M
式中Ud——毛细管水的过剩体积（膨胀体积）；
U——毛细管的空隙体积；
S——饱和度；
M——成冰率。
可知，水完全结冰可产生9%的体积膨胀，使混凝土遭受很大的内部破坏力。渠底的积水造成了混凝土处于完全饱和状态，冰冻后混凝土体积膨胀更为严重。由于日夜气温的交替变化，经过冻融交替，使渠底积水处混凝土板出现裂缝。同时，此处的混凝土表皮大面积脱落，正是由于混凝土出现冻融交替，使得混凝土表面遭受更为严重的破坏
⑵在冬季，砼衬砌板与渠床基土冻结成一体，共同承受着冻结力、冻胀力以及砼板本身收缩产生的拉应力，当这些应力大于砼板在低温下的极限应力时，板体就发生破坏、开裂。
⑶在地下水位高于渠底的冻土地带，当砼与基土冻结在一起后，由于冻土出现裂缝，砼板亦可能因此而被拉裂。
⑷在冬季，渠内存水并结成较厚冰层的情况下，冰面附近渠坡含水量较高，水分补给充分，冻胀量较大，但砼衬砌板的冻胀上抬受到冰层一侧的限制，因而可能在冰缘线处受弯出现裂缝或折断。
3.2温度应力：由于渠道本身的凹槽形式和坡面走向不同，造成了断面上各部位的日照、风情和表面温度状况有很大差别。当砼板块较大，不能适应温度收缩变形时，将会由于温度应力造成纵向和横向的裂缝。根据工作中观察，南北走向的渠道，阴阳两坡受日照、风情等影响因素基本相同，因此两坡的裂缝规律基本一致；但东西走向的渠道，阴阳两坡受日照因素的影响，断面上各点的温差较大。东西走向的渠道在冬季，断面上各点的冻结深度和冻胀量很不均匀，阴阳两坡由于受冻深和冻胀量差别的影响，裂缝情况差别较大，阴坡较阳坡更容易破坏，裂缝渗水情况相对严重；在夏季不通水时，砼板面一日之内温差较大。根据施工现场试验记录，当气温从20.5℃增高到40℃时，砼板面（阳坡）温度由23.7℃增长到58℃，温差达34℃左右（板下层22℃）。综上所述，温度应力是砼现浇渠道的一个重要的破坏因素。
3.3基础沉陷：在工程地质不稳定地区，基土滑移、沉陷等也是导致渠道砼板裂缝的重要原因。当地质滑动拉力超过砼抗拉强度时就会产生拉裂；填方或黄土湿险地段，基土沉陷使衬砌板架空、断裂。
3.4设计施工方面的原因：设计方面主要是结构形式及防冻措施不科学，抵抗变形差。施工方面一是水灰比控制不好，由于运距长，砼尺寸小，沿途水分蒸发渗漏，导致入仓砼水灰比过小或过大，过小难振捣不密实，过大振捣中易出现塌落裂缝；二是坡板施工时，滑模长度不够，上部振捣引起下部塌落裂缝，如水灰比过大，更易发生裂缝；三是改造渠道在停水间隙施工，刚一停水就施工，基础土含水率大，夯填不密实，加大了冻胀应力，必然产生纵向裂缝，特别易发生在坡脚附近。四是对撒落砼料不回拌合机重新拌合，直接入仓不能保证砼板的有效厚度，抗局部应力差，导致裂缝。
4.减少渠道衬砌混凝土裂缝的防治措施
4.1根据《渠道防渗工程技术规范》SL18-91和《渠系工程抗冻胀设计规范》规定，对标准冻深大于30cm的地区必须进行抗冻胀设计，判断是否采取防治冻胀措施。设计中常采用的防治裂缝措施如下：
(1)按渠道流量确定设计断面结构。对于设计流量大于9.0m3/s的大中型渠道，选择弧形坡脚梯形断面或梯形断面；渠道设计流量在3～9.0m3/s时，选择弧形坡脚梯形断面或弧底梯形断面；渠道设计流量在1～3m3/s时，选择弧底梯形断面或“U”型断面；渠道设计流量小于1.0m3/s时，选择“U”型断面。
(2)根据需要增设防渗（隔水）、排水设施。如采用砼板下铺设塑料薄膜或复合土工布的板膜复合防渗结构，并在坡板顶加设封顶板，防止渠水、雨水灌入；加强排水，降低地下水位等措施。
(3)现浇砼渠道应每隔4～８ｍ设一道横向伸缩缝和纵向伸缩缝，缝宽不宜小于1.5cm，缝内填塞沥青油膏、聚氯乙烯或双组份聚硫密封胶等能适应结构变形、粘结力强、防渗性能好的填料灌实，起到防渗、防裂的效果。
4.2通过调整施工砼配比。添加粉煤灰、减水剂、引气剂等改善砼性能，提高自身抵抗外界环境危害因素的能力。由工程实践证明，由于“粉煤灰效应”，粉煤灰砼的密实度、最大抗压强度、抗弯与抗拉强度、收缩性、抗渗性均好于普通砼，并且可节约水泥，减少工程投资成本10～20%，混凝土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生，减水防裂剂可有效的提高混凝土抗拉强度和抗裂性能。掺加外加剂还可使混凝土密实性好，可有效地提高混凝土的抗炭化性，减少炭化收缩。还要严格控制粗细骨料的质量，砂中的含泥量不应大干1％，粒径应选择上偏粗的中砂。碎石应控制粉尘含量使其不应大于2％，并应选择级配良好的石子以减少空隙率和孔隙率。采用改善骨料级配，加强对混合料的控制，尤其是水灰比和搅拌时间的控制，以免拌和不均影响混凝土质量造成混凝土中含水量局部过大而产生收缩裂缝。
4.3优化振捣工艺确保混凝土振捣密实，振捣时间以混凝土表面呈现泛浆，混凝土不再下沉，表面无气泡为止。浇筑厚度应严格控制，对于无模板的顶层混凝土表面应在混凝土终凝之前抹面压实。
4.4防止不均匀沉降引起混凝土的裂缝。对于高边坡，素混凝土渠道结构的基础，在浇筑之前先保证基础结构密实，削坡平整度，对具有湿陷性的黄土渠段，膨胀土渠段和其它不良地质渠段，应按照设计要求进行特殊处理。削坡后的平整度应不大于0.50m，当遇上覆盖砂砾料时削坡后的平整度应不大于1m，严禁在地基不均匀的基面上进行施工。
4.5在雨季施工应采取排水措施，雨后等基槽彻底晾晒干后，再进行下道施工工序。对于晾晒时间过长的基础在浇筑混凝土前需要进行洒水湿润，若发现软弱、冻土和淤泥地基时应向设计部门和现场监理汇报，并及时进行换填处理，其基土压实系数不应小于0.95%。
4.6衬砌混凝土凝固后应及时养护，由于渠道衬砌混凝土面积大、路线长，容易受风吹雨淋、施工人员践踏等因素影响，因此在夏季宜采取洒水或喷养护剂养护。尽量避免冬季施工，如需冬季施工在遇到气温骤降时需采取保温措施，例如用棉被、土工膜、塑料膜等工具进行覆盖保温，注意要严密，并用土将薄膜压实。
5.结束语
渠道衬砌混凝土板产生裂缝较为常见，但是经过因地制宜改进设计、加强施工管理，混凝土衬砌裂缝是可以预防的，这要靠我们在施工中多观察、多比较、出现问题后多分析、多总结，不断地完善和提高渠道混凝土衬砌施工技术水平，才能更好地服务于南水北调等大型水利工程建设，造福于人民。