渠道薄板衬砌混凝土防裂技术

2014-08-15刘哲

陕西水利 2014年5期

刘哲

（中国电建集团第十五工程局有限公司第二分公司陕西西安 710065）

台兰河一、二级水电站工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区温宿县境内，电站为引水式径流电站，引水渠道全长为12.42km。

工程区位于中纬度地带，属于大陆性北温带干旱气候，四季变化明显，昼夜温差较大。多年平均气温8.6℃，多年月平均气温最高21.9℃；多年平均降水量177.7mm，多年平均蒸发量2912mm；多年平均风速为1.25m/s，最大风速为29m/s，相应风向为WNW，主导风向为西风。多年平均年日照时数2687小时，年均雷暴日数25.3天，历年最大冻土深度约80cm。

引水渠道全线采用混凝土现浇衬砌，衬砌厚度10cm～12cm。衬砌防渗结构由上至下依次为：现浇混凝土板、一布一膜（200g/m2+0.5mm）、30mm厚M10砂浆垫层。施工区昼夜温差较大且气候相对十分干燥；渠道混凝土衬砌厚度较薄，并且为素混凝土，故混凝土板容易产生裂缝。

对于引水渠道工程来讲，防渗漏问题是重中之重，混凝土裂缝现象应当杜绝。为此，笔者对渠道衬砌混凝土裂缝原因进行了一系列调查分析，并提出防止裂缝的应对措施。

1 渠道衬砌混凝土裂缝产生原因分析

混凝土产生裂缝的原因有多种，但根本原因是混凝土中的拉应力超过了混凝土的抗拉强度。具体可归结为温度和湿度变化、外荷载产生的变形过大和施工方法不当这三种原因。具体类型有：

1.1 干缩裂缝

干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或混凝土浇筑完毕后的一周左右。干缩裂缝的产生主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果：混凝土受外部条件的影响，表面水分损失过快，变形较大，内部湿度变化较小变形较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束，产生较大拉应力而产生裂缝。相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，干缩裂缝越易产生。干缩裂缝通常会影响混凝土的抗渗性，从而影响混凝土的耐久性，在水压力的作用下会产生水力劈裂影响混凝土的承载力等等。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂用量等有关。

1.2 沉陷裂缝

沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软，或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致。地基变形稳定之后，沉陷裂缝也基本趋于稳定。

1.3 温度裂缝

温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。在混凝土的施工中当温差变化较大，或者是混凝土受到寒潮的袭击时，会导致混凝士表面温度急剧下降而产生收缩。表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力而产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期，通常只在混凝土表面较浅的范围内产生。此种裂缝的出现，会引起混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力。

2 渠道衬砌混凝土防裂措施

通过上述对混凝土裂缝原因的分析，我们可以总结出：调整优化混凝土配合比、加强渠基及坡面砂砾料压实处理、合理优化混凝土板养护措施将是有效的混凝土防裂措施，现就这三个方面的具体措施进行阐述。

2.1 混凝土配合比设计

渠道衬砌混凝土属于薄板结构，在北方少雨多风的气候条件下，混凝土表面水分损失过快，变形较大，往往容易产生干缩裂缝。

根据经验，混凝土的干缩受水灰比的影响较大，水灰比越大，干缩越大，因此在混凝土配合比设计中应尽量控制好水灰比的选用，同时掺加合适的减水剂。

台兰河一、二级水电站工程引水渠道衬砌混凝土为二级配，标号为C20、F200、W6。在配合比设计过程中采用 0.4、0.45、0.5、0.55等几组水灰比进行试配，根据试验结果选定水灰比为0.45，每方混凝土用水 110kg、水泥171kg、粉煤灰 73kg、AXN-1高效减水剂 1.220kg、AXSF引气剂0.0146kg。混凝土现场坍落度控制在40mm～80mm，较低的坍落度可以减少混凝土的干缩，但坍落度过低时混凝土工作性能差，运输和振捣困难，经现场实际操作，发现混凝土坍落度为50mm左右时，工作性能即可满足要求。

合理的骨料级配会使空隙率和总表面积减小，这样拌制的混凝土水泥用量少，可以减少发热量及混凝土的收缩，并且密实度也较好。试验室通过振动密度测试，设计配合比所采用的小石和中石比例为40∶60时能达到最大振实密度，每方混凝土用小石551kg，中石826kg。

混凝土含砂率的大小直接影响到混凝土拌和物和易性、硬化混凝土质量及单方水泥用量，因此在进行配合比设计时必须合理的选择砂率。在新疆台兰河一、二级水电站工程渠道混凝土配合比设计过程中，通过不同砂率混凝土试配试验，我们确定水灰比为0.45时，最佳砂率为31%，每方混凝土用砂631kg。

2.2 地基压实处理措施

渠道边坡砂砾层压实不足，发生沉陷，也是衬砌混凝土产生裂缝的主要原因之一。新疆台兰河一、二级水电站工程引水渠道混凝土衬砌内坡边坡坡度为1∶1.75，坡长10m～13m左右。由于目前国内缺乏适用于渠道坡面碾压的重型设备，所以对渠道边坡基础基本上都采用小型夯机夯实。由于填方坡面上砂砾料不易压实，在施工工艺控制不严的情况下，往往容易出现边坡压实不足，容易产生沉陷，进而影响混凝土板受力而导致衬砌混凝土板开裂的现象，因此加强对边坡砂砾料压实质量的控制尤为重要。

渠堤填筑一般采用16t～20t自行式振动碾沿渠道轴线方向行走碾压，两侧边缘部位难以压实，为了保证衬砌面填筑成型后坡面土体密实，在渠堤土方填筑时靠衬砌面板一侧超填不小于30cm，待填筑完成后采用人工配合反铲挖掘机自上而下进行削坡，削除超填部分。削坡后再采用小型夯具对整个坡面进行夯实整平。采用灌砂法检测坡面土体的压实度，能够达到98%，满足设计要求。

坡面砂砾料一般采用液压反铲进行粗削坡或用液压反铲初步整平，然后人工进行精修坡。人工修坡时，分别在坡脚、坡肩及坡面布设控制桩，顺渠道方向每5m布置一排，桩与桩之间线绳连结，把渠坡分成若干小块，线绳之间挂滑动线绳，人工移动，控制削坡厚度，并严格控制坡面平整度。坡面修整完成后，采用小型夯机对坡面进行压实，台兰河电站引水渠道施工中采用了HZD200型平板振动夯对砂砾层进行压实，该型夯机激振力30kN，影响深度30cm。坡面碾压时1人在坡面上手扶操作夯机，2人在渠顶用麻绳牵引控制夯机上下左右行走。压实时夯迹搭压宽度应不小于1/3板宽。根据现场经验，一般碾压2遍～3遍后压实度即可满足设计要求。压实后的坡面采用2.2kW普通平板振捣器复压一遍，消除夯机行走轮迹，对坡面进一步压实整平。复合土工膜铺设前再根据设计要求在压实整平的坡面进行30mm的M10砂浆垫层施工，彻底找平渠道坡面，为混凝土施工创造了良好施工条件。

2.3 合理的养护方法

北方气候干燥，混凝土养护应注重保湿，防止混凝土表面水份损失太快而产生干缩裂缝。春秋两季昼夜温差较大，时有寒流，混凝土养护还应注重保温，防止混凝土因表面温度急剧下降，内外温差过大而产生温度裂缝。

渠道衬砌混凝土浇筑后及时修整，并人工进行一次压面，待混凝土初凝前，采用DMG80型圆盘抹光机粗抹一遍，再用DMG62型圆盘抹光机精抹一遍，最后人工进行压光出面。气温较低时，混凝土初凝时间较长，浇筑后隔夜再抹面的，必须采用草帘覆盖，防止夜间气温突降造成混凝土受冻。衬砌混凝土板抹光出面后，用喷雾器在混凝土表面喷洒一层水雾，然后立即用塑料薄膜全面覆盖，开始养护。春秋季施工时，塑料薄膜上应加盖1层～2层，并采用草帘保温。夏季施工时，只覆盖塑料薄膜即可，但根据现场情况定时采用喷雾器对混凝土表面洒水一次，以时刻保证混凝土表面的湿润。

衬砌混凝土养护时间长短根据气候情况而定，一般春秋季保温养护10天左右，夏季覆盖保湿养护7天左右，然后进行正常洒水养护，养护时间总长28天。

渠道衬砌混凝土施工面积较大，浇筑过程中混凝土防冻问题难以解决，在新疆地区不宜进行冬季施工。冬季来临前浇筑的面板养护时应增加覆盖草帘的层数，一般采用2层～3层草帘。