南水北调渠道衬砌混凝土裂缝及其防控

□李国彦（河南省水利第二工程局）

1.渠道衬砌设计的的概况

南水北调中线工程渠道一般多采用明渠设计，梯形断面，典型型式为上口宽50～120m左右，渠道底宽13～23.5m，边坡系数 1：2～1：3.5，渠道纵比降 1：28 000 左右，渠全断面采用混凝土衬砌，边坡衬砌厚度10 cm，底板厚8 cm，衬砌混凝土强度等级为C20，抗冻标号F150,抗渗标号W6；渠深9.0 m左右，渠道坡面长20～50m；正常水深7.0m，加大水深7.5m左右。渠道结构型式自下而上为：开挖基面、5～20 cm粗砂（或砂砾石）垫层、2～2.5cm厚的保温板、防渗复合土工膜、8～10 cm厚混凝土面板，面板纵横向皆设有半缝和通缝并交叉布置。

2.渠道衬砌混凝土裂缝成因及其防控

衬砌混凝土施工中导致产生裂缝的因素有多种，主要是环境温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性，以及原材料不合格（如碱骨料反应）、模板变形、基础不均匀沉降等引起的。

2.1 基面变形引起的裂缝

由于开挖基面不平、回填材料不密实（尤其换填或回填的砂砾料局部不实）引起局部不均匀沉降造成衬砌混凝土裂缝，或者膨胀岩土类遇水膨胀引起基面隆起造成衬砌混凝土裂缝。防控办法为加强对基面的验收（尤其对超欠挖面重点加强处理和控制），严格控制回填材料的质量和压实度,严格控制保温板的铺设质量（尤其是平整度及防止翘起和悬空）；针对膨胀岩土类基面可采用粘性土换填1.5m以上予以消除。另外，渠道高填方不均匀沉降引起的衬砌混凝土裂缝，可延长沉降期（延长至6个月以上），待沉降趋稳后再衬砌混凝土来予以消除。

2.2 混凝土配合比设计或生产不当引起的裂缝

混凝土施工配合比不当，未经严格试配、混凝土原材料质量失控或者拌和时间不够、运输能力跟不上等等引起的混凝土裂缝。普通硅酸盐水泥出厂强度都很高，而衬砌混凝土多为F150、W6、C20，如只考虑混凝土强度而不考虑其和易性和塌落度等也易产生裂缝。处理措施是反复模拟试验，优化施工配合比，使用优质高效的外加剂，在保证混凝土和易性的前提下减少单位用水量和水泥用量，从而降低水化热引起的温度应力和干缩变形。严格控制混凝土原材料质量，砂子应采用级配良好的中砂，细度模数2.4～2.8，含泥量小于3%；碎石采用连续级配，针片状颗粒含量不大于10%，含泥量小于1.0%，存放场地铺设混凝土地坪，保证骨料清洁。

另外，还必须严格控制混凝土生产过程和混凝土入仓及浇筑的质量。应定期对混凝土骨料含水率、细度模数、超逊径进行检测，根据检测结果调整混凝土施工配合比，每4h检测一次骨料含水率，雨后加密检测，在保证水胶比不变的情况下，根据含水率变化对施工配合比进行动态调整，严格按照试验室出具的施工配合比进行配料拌和，控制混凝土拌和时间；还应定期对称量系统经常进行校核，定期检定，确保原材料称量精度；对拌和机叶片磨损情况应经常进行检查，确保拌和机工作正常，避免夹带生料；定期在出机口取样检测混凝土坍落度、泌水性、黏聚性、温度、含气量等指标，及时掌握混凝土拌和物质量，对混凝土拌和质量进行严格控制，对入仓的不合格混凝土材料必须及时清理。一般情况下，渠坡为1：2时混凝土坍落度宜控制在6.0～7.0cm之间，渠坡为1：2.5～3.0混凝土坍落度宜控制在 6.5～7.5cm之间。

2.3 人为因素产生的裂缝

人为因素很复杂，一般表现在施工人员未进行岗前培训，质量意识差，粗心大意，振捣不到位，不合格的料未及时清除，浇筑振捣和抹面不及时；混凝土在终凝后未达到一定强度之前受到扰动（如承重受力、切缝等扰动），此类情况很容易引起裂缝的产生，出现的裂缝也最多。处理办法是通过多加强岗前培训，提高思想认识，规范施工操作行为，做好施工细节，在衬砌前先进行一段非正式模拟衬砌试验，待人机配合熟练后再开始渠道衬砌混凝土施工。尽可能减少混凝土终凝后未达到一定强度之前受到的承重、切缝等扰动，例如：可以采取跳仓浇筑来保证新浇混凝土不受相邻仓位切缝的影响而产生裂缝。

2.4 施工中环境温度引起的裂缝

当白天气温高于25℃时，由于混凝土面板太薄表面失水过快，混凝土易干缩，抹面时机不好掌握，易产生裂缝。一般可利用夜晚进行衬砌混凝土浇筑，采取加冰水拌和混凝土，从骨料内部取料等方式降低混凝土出机口温度；或采取遮阳措施，缩短运输时间等措施降低混凝土入仓温度，避免混凝土温度过高出现假凝现象。混凝土浇筑完成后，及时覆盖养护，采用表面覆盖养护棉毡，洒水保湿养护，养护期间保证混凝土表面湿润。

当气温低于0℃时衬砌面板也易冻裂，所以做好冬季保温工作也很关键。当气温低于0℃时最好停止衬砌混凝土浇筑施工；如果必须施工，必须采取加热拌和水，改变投料顺序，先将水与骨料拌和，再加水泥拌和的搅拌顺序，避免水泥超过28℃出现假凝现象。混凝土入仓前避免在空气中长时间暴露，以免混凝土入仓温度下降。在混凝土浇筑完成后，要及时覆盖保温养护，采取密闭材料封闭面板，并其内部采用煤炉加热的方法保证混凝土硬化的适宜温度，并防止混凝土遭受冻害。

2.5 大风等特殊天气引起的裂缝

由于衬砌混凝土板太薄、面积较大，当衬砌混凝土施工当天风力超过3级时，很容易引起混凝土面板表面失水过快，来不及收面已产生裂缝。可采取的措施是，计划浇筑混凝土前，注意观察天气预报和气象规律，尽量避开大风天气来进行衬砌混凝土浇筑；如果在浇筑过程中刚好出现了大风天气，要提前增加抹面人员及时抹面，抹面完成后及时喷洒养护剂（或养护膜），并注意及时采用不透风的塑料膜（布）予以覆盖，一般覆盖到5MPa以上（如切缝的时间）即可。

2.6 基础进水冻胀引起的裂缝

北方冬季气温较低，往往因为保暖覆盖不到位，再加上衬砌面板下面进水冻胀也容易产生裂缝。冬季平均气温多低于0℃，施工中混凝土面板切缝用水和养护用水很容易在坡脚汇集，且局部的坡肩保护不当或者排水系与土工膜之间粘接不紧密，也易使面板下进水，由于冬季水分蒸发缓慢，积水难以消除，当寒潮来袭时，饱和水很容易产生冰冻，很容易使面板或齿墙产生裂缝。因此，冬季尽可能减少用水量，渠肩加强防护，渠底明水也要及时排除。当不能及时进行渠底衬砌时，要用干土或草袋覆盖保暖，以防冻融破坏。

2.7 混凝土结构缺陷引起的裂缝

由于在渠脚处渠坡与齿墙刚性连接，且无钢筋连接，当齿墙基础沉降，或者切缝水和养护用水长时间浸泡齿墙使其地基变软，齿墙也会下沉，进而在齿墙上部坡面距离坡脚30～50cm处产生水平裂缝。此类结构缺陷引起的裂缝通常采用设计方式将刚性连接变为柔性连接，或者在易裂缝处设计并切割一条诱导缝，将无组织的裂缝变成一条规则的沉降缝，并采用填塞聚硫密封胶封闭的方式彻底予以解决。

总之，衬砌混凝土施工中影响并造成混凝土出现裂缝的因素很多，施工中一定要遵循自然规律，科学合理地安排施工，并对出现的混凝土裂缝问题认真分析总结，及时采取有效的预防措施，方能有效地减少衬砌混凝土裂缝的产生，确保衬砌施工质量，顺利通过竣工验收。同时，作为现场施工管理人员要严把衬砌中的每一道工序的质量关，从混凝土配合比设计优化、原材料质量控制、拌和站投料拌和、运输、现场入仓振捣到后期混凝土切缝和养护等等，皆应做到人尽其责，层层把关，严格落实三检制。实践证明，只要施工中高度重视，严把衬砌施工各道工序关，注重施工细节，渠道衬砌混凝土裂缝是可以有效预防的。