南水北调中线总干渠京石应急段渠道衬砌冻胀裂缝原因分析

杨凤桂

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 概述

南水北调中线总干渠京石应急渠段现渠道已多次通水运行，建成初期渠道衬砌的混凝土在2007年时已发现局部存在裂缝，经过2007年至2008年初冬季后，发现裂缝已有发展。据此情况，河北省水利水电勘测设计研究院南水北调项目部多次组织本院专家进行现场查勘，并组织专题会议研究分析裂缝产生的原因及危害。为进一步查明裂缝产生的原因，组织我院地质、岩土实验室、渠道设计人员深入现场，在调查及初步分析的基础上，选择具有代表性的裂缝处，开挖取样，填方段取回土样进行击实试验，以便进行现场土样的主要土岩特性的数据进行分析。

现场取样主要试验项目为颗分、天然含水量、天然密度，填方段取样进行室内击实试验。以便取得衬砌土体最优含水量，最大干密度，与已压实的填筑土体天然含水量、天然密度进行比较，判断填筑土体的密实度。

2008年3月8 日至3月20日，完成现场重点裂缝的调查分析及取样试验工作。共在10个标段、15个裂缝发育点进行，每个工作点开挖3个取样坑，取样位置在土体以下0.1，0.4m不同深度取原状土样共计74个，填方段取击实试验样品6个，并取混凝土试块14处。

现场调查分析及取样时，有地质、渠道设计、岩土实验人员现场做了较为详尽的描述。重点描述了衬砌型式、建基条件、施工时间、裂缝形态、地质条件为衬砌裂缝原因初步分析提供详细基础资料。

2 渠道衬砌裂缝原因初步分析

由于现场已对每个调查点进行了详尽描述，结合土工试验成果会有助于分析每个取样点的地质条件，本文不再逐一重复叙述，只对规律性的现象进行初步总结。

（1）取样点的地基土体（包括砂石回填料）天然含水量较大，土样湿润，填方段的天然含水量都高于最优含水量。个别土样在取样时仍具冻土状态，较高的天然含水量，在冬季具备了土体受冻产生冻胀的基本条件。

土体天然含水量偏高的原因，15个取样点中有10处是在2007年10月至11月衬砌，2007年9月下旬至10月中旬，正是本地区遇到反常的较强大气降雨过程，因赶工期的原因，将较高含水量土体作为地基进行衬砌，距入冬时间较短，产生冻胀。实验结果天然含水率为28%～30%。填筑时含水量的控制是否存在问题，天然含水量原本就高也是其原因。

（2）填方土体密实度大部未达到0.98的要求，尤其混凝土衬砌板直接接触的表层土体，个别取样位置目观土体具松散状。

土体密实度不足的原因，可能是在衬砌前进行清坡，削坡过程中，局部人工找平，另外斜坡小面积的雨水冲沟，土体未进行压密，斜坡人工找平时表层达到要求的密实度确实很难做到。

（3）在调查取样的15个位置中，有7处衬砌的混凝土板有明显的冻胀隆起迹象，最大隆起达4cm，且已有解冻后混凝土板回落的明显迹象，明显是因冻胀而产生裂缝及局部的隆起。冻胀破坏主要发生在水位线一定范围内，且沿渠道方向分布。通水结束后坡腰、坡脚及渠底，裂缝宽度从几毫米至十几毫米，延伸长度多达几十至上百米。分析原因：

①局部土含水量高，温度低，造成土体水当大气负温传入土中时，土中的自由水首先冻结成冰晶体，随温度降低，周围未冻结的水向冻结区迁移和积聚，使冰晶体不断扩大，土体随之发生隆起，最终导致冻胀严重。土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的关键因素。在整个冻胀破坏过程中，水是最重要的因素。

②砂砾石垫层区。地下水位高于渠道水位时，设计采用铺设在渠坡铺设40cm砂砾石垫层及集水井排水，由于砂砾石是良好的渗水通道，在高水位情况下水在砂砾石空隙中积聚，在负温下水汇集结冰，体积膨胀，导致冻胀，使混凝土板隆起、破裂。

③水位变化区。现场检查冻胀多发生在渠水位变化区存在冻胀，渠水位距冻结区较近，有水源补给毛细通道，使水能够补充到未冻结区，形成冰晶体，水源充足，冰晶体不断扩大，因此在渠水位变化区，产生冻胀，此类冻胀裂缝水平或小角度顺水流方向延伸。

（4）衬砌形式中，衬砌板其下铺设保温板的渠段裂缝发生几率明显较少，如在未铺保温板的位置（桩号202＋982），裂缝产生很多，隆起现象严重，向上游铺设保温板的渠段未发生裂缝，说明保温板抗冻胀的效果明显，但铺设保温板的渠段也有较多的混凝土裂缝。

本次调查取样因时间原因，仅在典型裂缝发生较为严重的地点进行，调查的数量偏少，仅为调查点裂缝原因的初步分析。

3 结语

混凝土裂缝产生的原因是多方面的，冻胀是混凝土衬砌产生裂缝的主要原因之一，另外混凝土抗冻标号是否满足要求，填方段地基沉陷变形的情况，地基土体的干缩变形，混凝土的配合比，衬砌工艺、后期养护如何及混凝土性能等都会引起裂缝产生。事实上许多裂缝在冬季之前也有不同程度的发现，个别点冻胀加剧了裂缝的发展，因此裂缝产生的原因并非只是单一冻胀，很可能是多方面的因素，具体到某一裂缝产生的原因，目前还很难讲清，对典型的裂缝加强观测和高填方段地基沉陷变形的观测很有必要。同时，应认真分析衬砌工艺全过程对裂缝产生影响的因素。

目前的临时通水是在低水位运行，将来的正常运行对渠道混凝土衬砌板来说是新的考验。较薄的混凝土板在通水加荷载后，地基变形条件及稳定对混凝土的影响可能将是主要条件，且还会产生新的冻胀，故应重视运行期的观测。

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