某倒虹吸管身裂缝成因分析及处理

□杨长庚 □朱颖放 □苏卫涛（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 概况

某倒虹吸工程顺水流方向每隔13m 设一道永久缝，避免结构由于受温度变化、混凝土收缩以及地基不均匀沉降而产生对整体性有影响的裂缝。横断面1 联3 孔，单孔孔径尺寸为6.80m ×6.80m，底板厚为1.25m，顶板厚1.25m，边墙厚1.20m，中隔墙厚1.10m。混凝土标号为C30、W6、F150。

工程区位于太行山前洪积扇前缘与倾斜平原交界部位。倒虹吸水平段基础置于第⑥层卵石与第⑦层中粉质壤土中，第⑥层重探击数12～36 击，平均22 击，结构密实，承载力标准值500kPa。第⑦层压缩系数0.12～0.29MPa-1，平均0.22MPa-1；标贯击数4～15 击，平均10 击，属中等压缩性中硬土，承载力标准值165kPa。

倒虹吸管施工完成后，管顶尚未覆土时检测发现，14＃、18＃、19＃、21＃、23＃管身边墙和中隔墙出现不同程度裂缝共24 条，其中贯穿性裂缝11 组，其余2 条为深度>50cm 的裂缝。裂缝均为竖缝，缝宽多在0.10～0.30mm，裂缝起点均从一期混凝土与二期混凝土接缝处开始。

2 裂缝成因分析

倒虹吸出现裂缝时，管身两侧及顶部均未进行填土，不产生填土荷载。排除了由于外荷引起裂缝的可能性。倒虹吸水平段基础置于第⑥层卵石与第⑦层中粉质壤土中，分节长度为13m，符合《水工混凝土结构设计规范》的分节要求。底板未出现裂缝且止水未现变形也排除了基础不均匀沉陷的可能性。裂缝发生后，根据规范对倒虹吸结构安全性进行复核，经计算，该倒虹吸管身结构尺寸和配筋均满足规范承载能力极限状态和正常使用极限状态设计要求。

某倒虹吸边墙、侧墙和中隔墙厚度均在1m 以上，分析其配合比及试块强度记录，墙体很早即达到设计强度C30，说明混凝土早期水化热释放过于集中，由于混凝土是不良导体，水化热不易散发，会引起墙体内部温升。而墙外表面又恰受到当地穿堂风的影响，温度较低，内外温差产生拉应力可能造成裂缝。另外，根据该倒虹吸浇筑记录，管身底板（相当于一期混凝土）浇筑完成两～五个月后浇筑墙体（相当于二期混凝土），二期混凝土产生的收缩变形会受到一期混凝土的约束，可能造成裂缝。

管身裂缝出现后，相关单位召开了混凝土裂缝专家咨询会议，咨询意见认为:混凝土裂缝是由多种原因形成，主要是由一期混凝土约束、气候条件变化较大、混凝土早期水化热释放过于集中、混凝土施工工艺等原因引起的。

3 加固处理

3.1 处理方案

混凝土结构裂缝，按开度变化可分为死缝、活缝、增长缝三种，其处理措施是不同的。根据工程质量检测机构《某倒虹吸管身段检测报告》结论：“经过5 个月的观测，裂缝的长度、宽度、深度均未发现明显变化。”判定某倒虹吸管身裂缝为死缝。裂缝的存在给倒虹吸的结构安全以及工程正常使用带来影响。主要表现在：降低倒虹吸的抗渗能力；造成钢筋锈蚀，降低材料耐久性；影响结构整体性、安全性；不利于工程正常运行。需要进行处理。混凝土裂缝处理应遵循以下原则：一是裂缝处理遵循“外部封闭，内部灌浆”的防渗补强原则；二是裂缝处理前，先选取1～2条裂缝进行裂缝处理工艺试验，经检测满足要求后再对所有裂缝进行处理；三是裂缝处理后，在保证内在质量的前提下，处理后的外观与原混凝土外观保持一致；四是裂缝处理安排在冬春季低温时期，裂缝张开度较大时进行处理。

根据以上处理原则，外部采用防渗防裂纤维混凝土表面封缝，内部采用环氧树脂灌浆处理。待灌浆达到固化龄期后，进行压水试验检测灌浆质量。

防渗防裂纤维混凝土在修复或翻新受损结构方面具有广阔的应用前景。国内外对此均进行过实际工程的应用，并对其性能进行了跟踪监测。在“关于修复被碱骨料反应损伤的混凝土挡土墙的研究”中，使用了5～7cm 厚的防渗防裂纤维混凝土对该受损挡土墙(宽18m，高5m)进行修复，以阻止由基层混凝土发展到修复层的裂缝，提高该挡土墙的使用年限。经跟踪检测，修补10 个月后，防渗防裂纤维混凝土修复层的裂缝宽度<50μm，而同期对比的预拌水泥砂浆处的最大裂缝宽度已经达到200μm。2003年，日本的Mitaka 大坝已运行60a，其表层混凝土破坏较为严重，出现了裂缝、剥落、渗漏等严重的损伤现象。为了提高大坝的耐久性，在大坝上游面喷射了一层2cm 厚的防渗防裂纤维混凝土保护层，至今没有再出现裂缝等缺陷。

防渗防裂纤维混凝土的安全性能指标应符合表1的规定。

环氧灌浆材料一般均分成主剂和固化剂双组分，按规定比例配制后进行灌浆。影响环氧灌浆材料固化速度的因素比较多，如不同温度条件、一次配浆量的多少、固化剂用量的多少等，因此需在现场进行配合比试验以确定最佳配合比，并可根据需要通过添加促进剂来调整反应速度，以满足灌浆需要。环氧树脂灌浆材料的安全性能指标应符合表2的规定。

表1 防渗防裂纤维混凝土材料安全性能指标表

表2 环氧树脂灌浆材料安全性能指标表

3.2 施工工艺流程

清理缝口→埋设灌浆嘴→结构胶封缝→防渗防裂纤维混凝土施工→密封检查→配制浆液→压力灌浆→封口检查→打磨检验。

3.3 施工技术要求

一是根据《水工建筑物化学灌浆施工规范》的相关规定，结合倒虹吸管身混凝土的特点，采用钻骑缝孔贴嘴灌浆法，骑缝孔深度2cm 左右，贴嘴间距定为0.25～0.40m。裂缝交叉点、尖灭点应布置贴嘴。贴嘴和封缝前应先将缝口两侧各10cm 混凝土基面打磨平整并清理缝口，再用洁净的压缩空气吹干净后及时贴嘴和封缝。二是贴嘴和封缝施工12h 后，采用洁净压缩空气对裂缝与贴嘴之间的畅通性、封缝的密封性、管路安装的牢固性和可靠性等进行压风试气检查，风压≤0.10MPa。三是混凝土竖向裂缝（包括斜缝）灌浆应从最底部一个灌浆嘴开始，自下而上，由深至浅，逐嘴上移注浆。贯穿缝对称均衡进行灌浆。四是灌浆结束标准：灌浆时应待下一个浆嘴出浆饱满，有原浆溢出时结束灌浆，或达到设计灌浆压力并且吸浆率<0.02L/5min 时，稳压30min，再结束灌浆。五是灌浆达到固化龄期后，进行压水试验检测倒虹吸管身灌浆质量。

4 结论和建议

管身裂缝经处理后，不影响倒虹吸工程安全与正常输水。需要注意的是，《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）规定，混凝土结构加固后的使用年限宜按30a 考虑。小于某倒虹吸的设计使用年限50，30a 到期后，应该对该倒虹吸管身重新进行可靠性鉴定。若结论正常，可以延长其使用年限；若出现异常，应采取加固措施。