渠道衬砌混凝土制缝成套技术在寒冷地区输水工程中的应用

罗文灵

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局,新疆 乌鲁木齐 830000)

以输水渠道为主体的水资源配置工程，是调节区域水资源供需矛盾，保障地区社会、经济发展的“生命线”工程。近年来，随着区域水资源需求的日益增长，位于北方寒冷地区的输水工程相继开展了改扩建工作，如近1000.0 km的北疆供水渠道，改扩建方案在原有渠道基础上加高至7.0 m，同时，针对渠道冻害现象，将梯形断面改为弧底梯形断面。

由于地处寒冷地区，可利用的工作时长较短，在以往的渠道修复及维护工作中，受限于传统混凝土制缝工艺在严寒地区的工作效率，渠道的维护进程缓慢[1-3]。

在改扩建施工过程中，衬砌制缝技术更是影响渠系工程建设速率的重要因素之一。鉴于此，研发了多功能渠道衬砌混凝土制缝机，实现了对寒区渠道衬砌混凝土在塑性阶段的分格制缝、接缝、充填过程。同时，结合渠道机械化铺装设备生产工序，以及面板接缝材料质量需求，研发了接缝止水新材料以及渠道面板接缝充填弹性砂浆等装备与材料，形成了一套完整的新型混凝土制缝工艺。

1 制缝设备研发

1.1 研制过程

新疆地区XSDY渠道率先采用机械化衬砌渠道，但在衬砌混凝土分缝方面依然采用的是手扶式路面切割机切割，导致工作效率偏低，同时存在投入人员多、对操作手水平要求高、切缝深度不好把握、美观效果差等问题，此外，此类设备要求混凝土强度达到5.0 MPa后才能切割，切缝后产生的灰浆杂物造成衬砌混凝土表面二次污染，费时费工。如何在快捷、高效、保质保量的前提下解决混凝土的分缝问题成了机械衬砌混凝土的技术难题。

根据衬砌混凝土导轨定向行走的原理，结合路面切缝机的行走转速，研制出了混凝土联合切缝机和混凝土水平切缝机，如图1所示。通过切缝机的切缝深度、宽度、切缝时间来调节切缝机的行走速度。由于切缝机是在导轨上定向行走，切缝的外观质量得到了保证。进一步地，借鉴机械衬砌混凝土的工作原理，通过对衬砌混凝土的级配、坍落度、摊铺厚度及分缝阻力、击振力等方面的综合研究，设计出了一款在混凝土摊铺完成后同步完成混凝土的振捣分缝、制缝的机械，工作原理是根据混凝土的缝宽研制出一款类似冰刀的工具将刚摊铺完的混凝土强行分开，同时将团孔板、止水橡皮置入混凝土中。

图1 北疆高寒区渠道多功能混凝土制缝机

1.2 设备特点

混凝土嵌入式制缝技术实现将原有大面积薄壁现浇混凝土板块的切缝、清缝和预埋防渗材料三道工序一次性完成。其实现过程为：混凝土嵌入式制缝机包括用以开缝的开缝壳体，开缝壳体相邻两侧分别开设有进带口和出带口，进带口与固定储带盘或随动储带盘的储带盘出带口连通，开缝壳体中心设置有空心轴，在空心轴内固定有震动泵，在空心轴外套接有可转动的转盘，转盘套于开缝壳体内，两者间形成走带空间。

混凝土嵌入式制缝机的应用，包括用于在堤坝坡面移动的桁架，在桁架一侧设置有上下排布的上、下轨道，在上、下轨道间滑动连接有用以开设纵向分隔缝的移动制缝机和与其对应的随动储带盘，在所述桁架另一侧设置有用以开设横向诱导缝的固定制缝机，以及与固定制缝机对应的固定储带盘。

混凝土嵌入式制缝技术改变了传统的混凝土分隔缝施工理念，分缝提前至塑性阶段，并把混凝土现浇后“分隔缝切割—防渗材料埋设—灌前清缝”三道工序整合一次完成，避免了切割分缝的严重噪声污染以及切割刀片损坏频繁更换。采用混凝土嵌入式制缝技术制缝时，因混凝土具有良好的塑性，且制缝机嵌入深度弹性可调，确保了制缝能直达混凝土底部的防渗土工膜，同时因一次性完成浇筑和制缝，在进入封闭养护期后无穿插工序，使得混凝土贯通裂缝、干缩裂缝的控制得到改变。聚乙烯闭孔泡沫塑料板在嵌缝时置入混凝土内部，能够与混凝土充分贴合，加之材料本身防水，在混凝土分隔缝处形成了不透水带，进一步提高了渠道的防渗抗渗能力。以往混凝土衬砌速度受限于切缝的进度，现在摊铺造缝一次完成，可最大限度地发挥衬砌机的功效，推进整体工程进展和施工速度。同时混凝土嵌入式制缝技术，实现了在混凝土结构缝内的不同部位可以同时置入性能各异、形状各异的制缝材料。

1.3 制缝施工工艺

依托改扩建工程对自主研发的多功能混凝土制缝机进行了应用，在此基础上形成了渠道衬砌混凝土制缝施工工艺。

(1)纵向诱导缝平行渠道轴线方向，按设计要求布置。横向伸缩缝应每3.0 m设置一道。混凝土摊铺完成后开启制缝机进行纵缝施工，纵缝施工完成后再进行横缝施工。纵缝、横缝呈十字交叉型式布置。

(2)纵缝嵌缝材料宜使用高压闭孔板(规格50.0 mm×5.0 mm)，横缝嵌缝材料宜由高压闭孔板和橡皮止水带组成。

(3)制缝时，操作制缝机升降控制系统装置，使台车刀架向混凝土表面方向移动，落位后开启振动电机，制缝刀将分缝材料嵌入到混凝土内部设计深度。开动制缝机，向诱导缝布设方向移动，分缝材料连续不断被置入混凝土内部，制缝台车的熨平板联同刀架同时振动，将分缝材料周边的混凝土振动密实、表面恢复成型。制缝机行进至衬砌断面末端时，人工剪断高压闭孔板，待高压闭孔板全部嵌入完毕后设备停止行走，制缝台车停机。

(4)纵缝施工完成后，将制缝机缝台车刀旋转90°，开启制缝机行走装置，移动制缝机至伸缩缝制缝起点处，整机定位。开启制缝机升降控制系统，将制缝台车刀头嵌入混凝土底部，开启制缝台车振动电机将分缝止水材料嵌入混凝土内部。制缝台车的熨平板联同台车刀架同时振动，将分缝材料周边的混凝土振动密实、表面恢复成型。制缝台车行进至混凝土断面末端时，限位装置会使台车及时停车，一道伸缩缝制缝工序完成。操控升降系统提起制缝台车，开启制缝机行驶至下道伸缩缝位置，重复上述操作步骤，完成下一道伸缩缝嵌缝施工。

2 渠道面板接缝充填弹性砂浆试验研究

结合渠道自动化铺装设备生产工序和面板接缝材料质量需求，以工作性能和力学性能为基础，从提高抗裂性、增加耐久性、增加抗变形性能等角度，开展室内面板接缝材料模拟试验。铺装混凝土配合比及性能如表1所示。

表1 铺装混凝土配合比及性能

用木板做2个内部尺寸长、宽、高分别为120.0 cm、120.0 cm、10.0 cm的长方体，底部木板和四周木板的内表面用磨平机打磨粗糙，增大混凝土与木模的摩擦力。

具体原材料如下：水泥(P·O 42.5)、粉煤灰(Ⅱ级灰)、减水剂(聚羧酸高效减水剂)、细骨料(河沙)及粗骨料(5.0～20.0 mm连续级配)。

接缝材料选用具有自主知识产权的、高抗裂性、高耐久性材料弹性砂浆，用于铺装面板的弹性砂浆性能如表2所示。

表2 接缝材料弹性砂浆性能

两块模板分别为A板和B板，A模板混凝土及接缝材料浇筑厚度为10.0 cm，B模板混凝土及接缝材料浇筑厚度为7.0 cm。

浇筑工序为：把拌制好的混凝土浇筑入模板内，达到相应厚度后，用振捣器将表面振捣密实，中间切开宽5.0～7.0 cm缝，在缝中浇筑弹性砂浆，浇筑完成后用抹刀压平密实。

养护方式：A模板成型后放室外开阔处，无其他防护措施，温湿度随大气环境变化而变化；B模板放室内养护，温度范围为20～25 ℃，相对湿度变化范围为：55%～75%。

试件浇筑完毕后，每天观察试件接缝处是否有裂缝，经过连续近一个月观察，试件表面平整完好无任何裂缝，弹性砂浆与混凝土连接良好，交接处无裂缝, 如图2所示。

进一步的，为了考察渠道面板接缝止水新型弹性砂浆的工作性质，进行了两次现场试验，具体过程如图3、图4所示。

由室内试验结果可知，利用弹性砂浆良好的抗变形性能和抗裂性能，在面板间充填弹性砂浆，可起到很好的充填与连接作用。由现场试验结果可知，弹性体改性砂浆与混凝土粘接良好。

图2 A、B两块模板养护

图3 第一次现场试验情况

图4 第二次现场试验情况

3 结 论

(1)在混凝土抗压强度、含气量、坍落度等基本相同的情况下，单掺矿渣微粉没有复掺(矿粉+粉煤灰)抵抗硫酸盐侵蚀好；粉煤灰对硫酸盐的抵抗侵蚀能力优于矿渣微粉；无论是硫酸盐侵蚀还是氯盐侵蚀，优先在混凝土中掺加粉煤灰，其次是粉煤灰+矿渣微粉。认为自主配比研制的接缝止水新材料适用于严寒地区输水工程。

(2)利用弹性砂浆良好的抗变形性能和抗裂性能，在面板间充填弹性砂浆，可起到很好的充填与连接作用，现场试验结果较好地佐证了这一点。故认为弹性砂浆可满足严寒地区水利工程渠道面板的接缝充填。

(3)研发了多功能渠道衬砌混凝土制缝机、接缝止水新材料、以及渠道面板接缝充填弹性砂浆等装备与材料，形成了一套完整的新型混凝土制缝工艺，实现了对寒区渠道衬砌混凝土的分格制缝、接缝、充填过程，对严寒地区输水工程的建设、改造和维护具有重大的意义。