新疆某供水工程渡槽裂缝成因分析及处理措施

刘晓鹏 吕斌

摘要：新疆某供水工程地处阿勒泰高寒地区，工程试通水期间发现其单向预应力渡槽存在渗漏现象，渗漏通道主要为混凝土裂缝、伸缩缝。通过渡槽渗漏的成因分析，发现施工期间温度应力是造成槽身混凝土裂缝的主要原因，极大的年温差和强劲风力是造成渡槽伸缩缝部分止水失效的主要原因。通过总结国内对渡槽裂缝、伸缩缝缺陷的修补技术，提出对宽度大于0.2mm的裂缝采用化学灌浆及粘贴碳纤维措施进行加固、对渡槽伸缩缝采用4mm厚SK单组分聚脲进行防护的修补措施。另外，对槽身内部采用2mm厚SK单组分聚脲整体进行防护。按照此方案对渡槽缺陷修补后，效果良好，彻底解决了该工程渡槽的渗漏及后续运行过程中的冻融剥蚀破坏问题。

关键词：裂缝处理；SK单组分聚脲；化学灌浆；渡槽；新疆

中图分类号：TV672+.3；TV523 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.01.029

1 工程简介

新疆某供水工程位于阿勒泰高寒地区，工程区多年平均气温5℃左右，年温差、日温差大，寒潮频繁，极端最低气温-43.8℃。供水工程共有4座渡槽，渡槽比降为1/800～1/1000，槽身采用钢筋混凝土单向预应力简支箱形梁槽身结构，单跨20m，为后张法构件。槽身采用矩形断面，净高3.5m，净宽5.5m，底板厚0.5m，侧墙厚0.5m，顶板厚0.4m，边墙与底板连接处设置500mm×500mm贴角。箱形梁与侧挡块之间留有变形缝，槽身两端采用盆式橡胶支座支承，结构缝处设置双道止水，槽身段混凝土等级为C50F300W8。工程完工试通水期间，发现渡槽局部存在渗漏现象，经现场普查及检测，发现渗漏通道主要为渡槽混凝土裂缝和伸缩缝。

2 混凝土裂缝成因分析

根据以往的研究成果，渡槽裂缝产生的原因主要是施工期间混凝土的内外温差和上下层温差[1-6]。

内外温差对阿勒泰高寒地区薄壁混凝土结构裂缝出现起着主导性作用。内外温差产生的原因主要有三方面：一是渡槽混凝土刚浇筑完1～2d，因采用C50高标号混凝土，故早期混凝土温度上升时，内部温度上升很快，表面温度上升较慢，形成内外温差；二是温度下降时，由于表面散热快，因此会形成更大的温差；三是当遭遇寒潮冷击或大的昼夜温差时，表面温度骤降，内外温差变大。有关研究表明[7]：1℃温差产生0.1～0.2MPa温度应力，较大的内外温差产生的温度应力超过混凝土抗拉强度后会导致“自表及里”裂缝的产生。在阿勒泰高寒地区的渡槽结构，由于采用高标号混凝土，且日温差大、寒潮频繁，施工期防止裂缝出现的难度非常大，很容易产生表面裂缝。

上下层温差是渡槽施工工艺导致的。渡槽槽身施工时一般先浇筑底板及底部墩墙，间歇10d左右再浇筑上部结构，此时底部结构内部水化热已消散，而上部新浇混凝土内部温度较高。当上部新浇混凝土温度下降时，受底部约束会产生较大的温度应力，从而在渡槽竖墙中产生“自内而外”的“棗核形”裂缝。南水北调工程漕河、放水河及洛河渡槽都出现过类似裂缝[8-9]。文献[9]分析了洛河渡槽在不同浇筑季节时上、下层不同浇筑间歇期对渡槽竖墙温度应力的影响，分析结果表明，在气温较低的春季、秋季下部结构对上部竖墙薄壁结构的约束更强，很容易产生裂缝。

3 伸缩缝渗漏原因分析

渡槽地处高寒地区，日温差可达到30℃，且秋冬季节风力强劲。渡槽的年最大开度变化可采用下式计算：

△L=αL△T （1）式中：△L为伸缩缝开度变化，m；α为混凝土线膨胀系数，一般取1.0×10-5；L为渡槽单跨跨度，m；△T为年最大温差。

对于跨度为20m的输水工程渡槽，伸缩缝最大开度变化接近2cm。虽然原渡槽伸缩缝设计比较合理，但受较大温差和较大横向风的影响，渡槽伸缩缝顺流方向开度和垂直水流方向的错动较大，容易导致渡槽伸缩缝止水体系的部分失效，造成输水时伸缩缝出现渗漏。

4 国内裂缝及伸缩缝的修补技术及实践

渡槽裂缝和伸缩缝漏水不仅会影响输水效率，造成水源浪费，还会导致混凝土冻融剥蚀破坏以及内部钢筋的锈蚀，漏水渗入地基还会引起基础不均匀沉降，从而影响渡槽运行的安全性和耐久性，因此必须采取适当措施进行处理。

从国内渡槽裂缝的修补实践看，甘肃靖会灌区渡槽工程对宽度小于2mm裂缝采用环氧砂浆材料进行表面封闭，对宽度大于等于2mm裂缝采用环氧材料填补后，又采用玻璃纤维布进行补强；山西西坪沟渡槽裂缝采用打斜孔灌环氧材料及表面采用KH-1表面封闭的方法进行修补；南水北调中线矿务局南沟排水渡槽裂缝采用骑缝打孔灌环氧浆液，表面采用聚氨酯浆液封闭的方案进行修补；湖北引丹灌区的排子河渡槽裂缝采用粘贴碳纤维技术进行加固；甘肃引大入秦天王沟渡槽裂缝采用“壁可法”注浆技术灌注环氧浆液进行补强。

国内对渡槽伸缩缝处理的研究和工程实践较多，引大入秦的庄浪河渡槽伸缩缝用环氧浆液粘贴橡胶止水带进行修补；景电二期工程渡槽采用背水面填塞沥青油麻，迎水面钢板贴橡皮止水并用水泥砂浆封口修补；东深供水工程的官山渡槽和山西禹门口灌区的11#、13#渡槽伸缩缝采用表面涂刷SK单组分聚脲的方案进行处理。

5 渡槽缺陷的修补工艺

该供水工程渡槽地处高寒地区，且为单向预应力渡槽，对裂缝和伸缩缝的修补材料和施工工艺必须符合当地气候条件和渡槽自身结构特点。

5.1 裂缝的补强加固

对于渡槽侧墙竖向裂缝，首先采用环氧树脂浆材对裂缝进行化学灌浆处理，恢复结构的整体性。由于渡槽槽身为预应力混凝土且厚度较薄，不宜打孔，因此采用骑缝贴嘴灌浆的方法。此方法适合渡槽等薄壁结构混凝土，灌浆效果好且不会对混凝土或预应力钢丝造成损坏。然后灌浆完毕后在渡槽裂缝内表面粘贴三层碳纤维布进行加固，纤维方向应与裂缝走向垂直，粘贴宽度70cm。

裂缝处理的施工工序为：清理裂缝表面→粘贴灌浆嘴→封闭裂缝→配制浆液→灌浆→去除灌浆嘴→打磨清理裂缝表面→粘贴碳纤维。

5.1.1 裂缝灌浆

（1）对裂缝表面进行清理。用角磨机加带金刚石磨片进行裂缝表面打磨，用高压风吹除裂缝表面的灰尘、浮渣及松散层。

（2）粘贴灌浆嘴。在裂缝交叉处、较宽处、端部及裂缝贯穿处等均要粘贴灌浆嘴。在灌浆嘴的底盘上抹一层厚约1mm的环氧胶泥，将灌浆嘴骑缝粘贴在预定的位置上（灌浆嘴间距15～20cm）。

（3）封闭裂缝。在裂缝上抹一层厚1mm、宽30mm的封闭材料。抹封闭材料时应防止产生小孔和气泡，保证密闭可靠。裂缝封闭后进行压力试漏，检查密闭效果，凡漏气处，补充密封。

（4）配置浆液。根据现场实际情况选择合适的材料配比，一次配成量要根据灌浆材料的用量和凝结时间来选择。

（5）灌浆。灌浆为施工的关键工序，必须确保施工质量。把配置好的浆液加入注入器，在容器自身压力下自动灌注浆液，浆液灌完后立即注入新的浆液，直至浆液不再减少为止。化学灌浆材料采用环氧树脂类浆材，浆材无毒，可灌性强，具有较好的抗渗性及与混凝土良好的黏结性；固化后收缩性小，材料的抗压、抗拉性能优于混凝土。

（6）去除灌浆嘴，待缝内胶液达到初凝而不外流时，拆下灌浆嘴。

（7）打磨清理裂缝表面。用角磨机带金刚石磨片对裂缝表面进行打磨清理。

5.1.2 粘贴碳纤维布

粘贴碳纤维布要求现场环境温度大于5℃。

（1）混凝土表面处理。将混凝土表面打磨平整，去除表面粉尘、油污等杂质，用清水清洗干净。混凝土表面应干燥，不得有渗水和明水。较大的蜂窝、孔洞部位用环氧腻子填平，修复平整。

（2）粘贴碳纤维布。按设计要求裁剪碳纤维布，配制浸渍胶，并均匀涂抹于粘贴部位。将碳纤维布用塑料刮板轻压于粘贴部位，使碳纤维布平顺，用专用工具顺纤维方向滚压，使浸渍胶充分浸透碳纤维布，不得用金属器具进行碳纤维布施工，以免损伤纤维。粘贴完第一层碳纤维布后，待浸渍胶干燥，再次涂刷浸渍胶粘贴第二层碳纤维，第三层施工步骤与上述工艺相同。最后一层碳纤维布的表面用浸渍胶滚压。

（3）养护。粘贴碳纤维布后，需自然养护24h达到初期固化，应保证固化期间不受干扰。碳纤维布粘贴后应在5℃以上养护14d以上。

5.2 伸缩缝表面止水加强处理

渡槽伸缩缝表面止水加强处理工序为：基面处理→涂刷界面剂→涂刷单组分聚脲→养护。

首先对伸缩缝涂刷范围进行基面处理，伸缩缝钢板处进行除锈及附着污物清理，清理完成后在凹槽部位粘贴高压聚乙烯闭孔泡沫板，使凹槽部位与两侧混凝土基本平整，高压聚乙烯闭孔泡沫板须与钢板黏结牢固。基面处理完成后，涂刷界面剂，刮涂单组分SK手刮聚脲并复合胎基布，聚脲厚度4mm。伸缩缝处理范围为伸缩缝中心左右各外延30cm。

5.3 渡槽槽身内表面整体防护

为了对渡槽槽身内壁混凝土进行防渗及冻融剥蚀破坏防护，提高其使用耐久性，采用SK单组分聚脲对渡槽内表面进行整体防护处理，聚脲涂层厚度为2mm。单组分聚脲防护施工工序为：混凝土基面处理→涂刷界面剂→涂刷单组分聚脲→养护。

涂刷单组分聚脲应在环境温度5℃以上进行，在界面剂风干后实施；单组分聚脲防护采用刮涂、涂刷的方法施工，涂刷聚脲在斜面或立面时采用多遍涂刷，一次涂刷厚度不得大于1mm，后序涂刷应在前一道涂刷表干后进行，直至厚度达到设计要求。大面积防护涂层厚度不小于2mm，单组份聚脲涂刷后，应在5℃以上养护3d，养护期间不得过水。

6 主要材料指标及验收标准

6.1 化学灌浆材料

SK环氧类化学灌浆材料具有较高黏结强度及防渗特性，黏度低、可灌性好，可渗入0.2mm宽混凝土裂缝和微细缝隙内，与其他同類材料相比，其早期发热量低、无毒性、施工操作方便，是较理想的混凝土补强加固材料，主要用于干缝处理。浆液的配制按质量比进行准确计量，浆液必须搅拌均匀。其性能指标见表1。

6.2 碳纤维

碳纤维复合材料是利用高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍形成碳纤维增强复合片材，将片材用专用环氧树脂胶粘贴在结构外表面受拉或有裂缝部位，固化后与原结构形成一整体，碳纤维即可与原结构共同受力。碳纤维布的性能指标见表2。

6.3 单组分聚脲

单组分聚脲由含多异氰酸酯-NCO的高分子预聚体与经封端的多元胺（包括氨基聚醚）混合，并加入其他功能性助剂所组成。单组分聚脲主要技术指标见表3。

6.4 质量验收标准

灌浆施工质量检查采用压水法，孔口压力宜为0.2～0.4MPa，检查孔单孔吸水量为0.01L/min或裂缝不漏水为合格。

单组分聚脲现场施工质量检查每400m2抽检一组黏结强度和厚度，方法按照《水电水利工程聚脲涂层施工技术规程》（DL/T5317-2014）执行。

碳纤维的粘贴必须密实，目测检查不许有剥落、松弛、翘起、褶皱以及超过允许范围的空鼓等缺陷。固化后的贴片层间状况应良好。施工完毕达到养护期后，碳纤维片材与混凝土基面的黏结强度应大于等于2.5MPa。

7 结语

（1）渡槽为薄壁混凝土结构，在高寒地区施工期浇筑混凝土时，受内外温差及上下层温差的影响，极易出现表面裂缝和贯穿性裂缝。受较大的年温差和强劲风力的影响，架高的渡槽槽身伸缩缝顺水流方向开度及垂直水流方向的错动较大，容易导致伸缩缝止水的局部失效。

（2）新疆某供水工程渡槽为单向预应力渡槽，对于裂缝的处理应优先考虑采用骑缝贴嘴灌浆，在保证灌浆效果的前提下减少对原结构混凝土和钢筋的影响。为了防止裂缝出现后可能导致的预应力松弛，在裂缝处粘贴碳纤维补强是必要的。

（3）对渡槽伸缩缝的修补，防护材料底部必须采用空隔层，以适应伸缩缝的较大开度变化。

（4）对高寒地区渡槽裂缝的修补，考虑到长期暴露在野外，必须选用适合的修补材料。对于防护材料，必须选择延伸率大、m3低温且适应大温差的材料。本工程选用的SK单组分聚脲已在新疆高寒地区多个工程的防护中得到验证，效果良好。

参考文献：

[1]王振红，朱岳明，于书萍.薄壁混凝土结构施工期温控防裂研究[J].西安建筑科技大学学报，2007，39（6）：773-778.

[2]王永军，朱耘志，李英杰.漕河渡槽裂缝成因及温控措施[J].水科学与工程技术，2008（2）：41-44.

[3]冯国一，李北星.大型预应力渡槽施工期温控防裂措施研究[J].南水北调与水利科技，2009（2）：11-14.

[4]丁兵勇，朱岳明.墩墙混凝土结构温控防裂研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2007，29（5）；402-406.

[5]陈卫国.放水河渡槽大断面槽身高标号混凝土薄壁结构温控防裂措施[J].预应力技术，2010（5）：11-13.

[6]夏世法，鲁一晖，李秀琳，等.洛河渡槽施工期温控防裂计算[J].南水北调与水利科技，2012（4）：1-6.

[7]王大勇，教婷婷，周政.某渡槽混凝土裂缝化学灌浆处理实践[J].人民长江，2014（10）：49-51.

[8]杨天绥.景电二期工程渡槽伸缩缝防渗漏处理措施[J].防渗技术，2000（2）：30-32.

[9]曹小武，王毅斌，孙志恒，等.深圳东江水源工程渡槽伸缩缝漏水及隧洞裂缝处理[J].中国水利水电科学院学报，2010，8（1）：30-34.