无缝设计理论在渠道衬砌中的应用研究

木提力普·吾斯曼

（新疆塔里木河流域喀什管理局提孜那甫河下游管理站新疆莎车844700)

无缝设计理论在渠道衬砌中的应用研究

木提力普·吾斯曼

（新疆塔里木河流域喀什管理局提孜那甫河下游管理站新疆莎车844700)

本文基于国内外研究进展，从伸缩缝理论推导出无缝设计相关理论，分析了其实现途径，采用伸缩缝实际间距优化计算方法，对渠道衬砌计算实例进行了分析，得出了膨胀加强带设计方案，有效抵制了混凝土收缩。以期为今后的渠道衬砌设计施工提供参考。

无缝设计；渠道；衬砌；混凝土

1 引言

渠道衬砌防裂缝与传统防渗不同，主要是提升渠道输水效率，尽可能的使水资源安全快速的到达目的地[1]。采用衬砌的渠道耐冲刷能力强，防渗材料使渠道更加稳定。但是目前仍存在一些问题，其中最严重的便是渠道混凝土板裂缝控制。尤其在三北地区，四季温差较大，混凝土衬砌更易出现裂缝[2]。

由于外界条件影响，伸缩缝的弊端逐渐暴露，工程设计中通常采用无缝设计方法来解决此问题[3]。伸缩缝虽然解决了温缩应力问题，但是其将建筑物变得不连续，增加了施工难度，致使建筑物很容易出现应力集中，且抵抗地震的能力变差[4]。经过长期研究，提出了无缝设计理论，通过对结构应力进行计算，避免设置伸缩缝，降低了施工难度。基于国内外研究进展，从伸缩缝理论推导出无缝设计相关理论，并分析其实现途径。从材料角度进行优化，采用伸缩缝的实际间距优化计算方法，对计算实例进行分析，有效的抵制了混凝土收缩。

2 超长结构无缝设计理论

2.1 无缝设计定义

随着环境温度变化，渠道混凝土材料会出现热胀冷缩变形，导致衬砌结构出现裂缝，严重地甚至产生破坏，影响渠道使用。本文基于渠道衬砌的变形特性，对渠道结构进行合理设计。工程中常在混凝土板上设置伸缩缝，将伸缩缝两端的构件分成两个独立单元，从而使混凝土板可以横向水平伸缩，从而释放渠道衬砌内部的应力，使其不发生变形[4]。

伸缩缝的优点显而易见，但其也存在着不足，因此工程中常采用无缝设计方法。综合考虑结构、环境等因素，大量现场试验证明，无缝设计方法给施工带来了方便，满足了建筑物经济性以及美观要求，同时也能释放渠道衬砌内部的应力，具有较好的应用前景。

2.2 无缝设计理论

在理论力学上，无缝设计方法中的伸缩缝间距应大于渠道混凝土板长度或为无穷大。运用极限思想分析此问题，可得出普通混凝土结构的最大伸缩缝间距Lmax的计算方法。其计算式为：

式中：E——混凝土弹性模量，MPa；H——混凝土结构厚度，mm；Cx——地基阻力系数，N/mm3；α——混凝土温度膨胀系数，/℃，一般取10-5；T——结构的综合温差，℃；εp——混凝土的极限拉伸，材质差养护不良时为0.5×10-4～0.8×10-4，材质好养护优降温缓时为1.5×10-4；中等状况时为0.8×10-4～1.5× 10-4；σ0——结构的初始边界应力，MPa。

式（1）是建立在极限思想下，混凝土板承受最大应力且尚未开裂的情况。实际计算中，应综合考虑施工情况，取平均值作为混凝土伸缩缝的实际间距。伸缩缝的实际间距计算式为：

研究表明，超长结构无缝设计的主要目标为：控制结构温度变形、控制收缩当量温差、减少收缩、提高结构的极限拉伸。从控制目标出发，控制裂缝的出现和生长，最终达到无缝设计目的[2]。

2.3 无缝设计主要实现途径

在目前的技术水平下，实现无缝设计的措施主要有以下两方面[5]：

（1）设计方面的措施主要包括：设置后浇带、施加预应力、增加保温隔热措施等。其中，

若不考虑混凝土结构的初始边界应力，即σ0=0时，可以得到无约束条件的自由边界伸缩缝间距。结合式（2），考虑到结构的综合温差的正负值，可以利用绝对值对式（2）进行优化。伸缩缝的实际间距优化计算式：后浇带又称后浇缝，是目前施工中最为常用的方法。在实际施工中，后浇带仍存在许多问题，前期施工中易有杂物进入，后浇带较窄，清洗方法复杂等；两侧凿毛导致工期延长，后浇带设计较为复杂，容易影响渠道整体结构。

（2）材料方面：通过改变建筑材料的性能，选择合适的建筑材料，从而满足无缝设计的目的。具体做法如下：将低强度的混凝土和复合纤维混凝土混合，提高混凝土抗拉性能，加入膨胀剂，根据补偿收缩混凝土膨胀性能补偿混凝土收缩，添加减水剂控制后期干缩。同时采取良好的养护措施，进行低温养护，从而降低混凝土的水化热以及终凝收缩[6]。

对建筑物采取良好的养护措施，保证低温养护，减小混凝土水化热导致的综合温差，冬季及时覆盖，浇水养护也十分必要。在众多无缝设计理论中，后浇带是实现渠道衬砌无缝设计的最常用方法。后浇带的主要功能为：减小混凝土的温缩应力，控制地基出现差异性沉降。后浇带为施工中保留的抵抗结构变形的缝隙，在竣工3个月后进行密封填充，建筑物成为连续无缝结构。但是，目前后浇带施工中仍存在一些问题尚未解决：

a.前期施工废弃物会预留在后浇带中，由于整个后浇带宽度仅为1m，清理存在难度；

b.进行浇筑前，需要对后浇带进行凿毛，为后期填缝施工增加难度，工期较长；

c.由于需要进行两次浇筑，二次浇筑前先成型结构处于悬臂状态，出现变形。

3 无缝设计理论在渠道衬砌中应用

3.1 无缝设计可行性论证

根据浇筑成型工艺的不同，渠道衬砌可以分为两种：预制衬砌和现浇衬砌。

预制衬砌板是在其它场地预先浇筑成型后，再装配到工程所在渠基面上。其优点为：受气候条件影响较小，适应力强，易于推广。但这种方法对混凝土预制板间的粘结会产生变形破坏，形成渗漏通道，使大量渠道水从该通道流失，同时对渠道衬砌结构的稳定性具有一定影响。

现浇渠道是指直接在渠道现场装配模板，直接浇筑成型，并在原地进行养护的施工。现浇衬砌板整体性好，衬砌板间完全为刚性连接，能够形成连续体。但是由于现浇板在浇筑时就与渠基接触，两者间存在相互作用的约束力。因此混凝土板在水化期及后期受环境因素影响较大，应力应变都不能及时释放，一旦超过混凝土板的容许应力值很容易出现裂缝。

为了解决渠道衬砌板的渗漏裂缝问题，最有效的方法就是改变混凝土板的材料，采用膨胀混凝土进行浇缝，或采用膨胀加强带对后浇带进行浇筑填充。其优点为：提高了衬砌板的整体性和防渗效果；施工简单，不受季节影响，工期较短；施工费用较低。

由分析可知：在渠道衬砌板浇筑中，采用补偿收缩混凝土可以解决渠道开裂，降低施工成本。

3.2 渠道板收缩量计算

通过计算混凝土结构的收缩量，才能确定膨胀剂型号、掺量和膨胀加强带宽度。因此，渠道板收缩量计算是补偿收缩混凝土设计的前提。以梯形渠道为算例，渠道尺寸及各施工参数如下：渠底宽度4m，渠深度3m，衬砌板厚度0.1m，采用Pc32.5水泥，在夏季进行施工。当地四季分明，夏季平均气温为26℃，昼夜温差10℃。

（1）计算环境温度产生的应力应变。分别计算非线性温差、等效线性温差以及平均温度，最后得出温度应变为：

εt=α（-0.83954×A1+T）=2.5684×10-4（4）

（2）受环境湿度产生的应力应变。将各参数代入相关计算式，得出湿度应变为εx=1.0667×10-4。则混凝土衬砌板的收缩量为：

εsh=εt=εx=3.63×10-4（5）3.3伸缩缝间距计算及膨胀加强带的设置

根据2.2得到的不加膨胀剂普通混凝土收缩量，对普通渠道衬砌板的伸缩缝间距进行计算。收缩温差取36.3℃，综合温差取64.3℃，混凝土拉伸极限为1×10-4，则伸缩缝的间距为：

为了有效发挥膨胀效能，增加长度方向的膨胀量值，膨胀加强带宽度应该比后浇带更宽。根据规范规定：膨胀加强带宽度取2m。由于膨胀加强带限制了宽度，必须经过计算得到渠道设置段长度。

在渠道衬砌工程中，膨胀加强带一般采取两种方法：

（1）普通混凝土与膨胀混凝土交替浇筑，考虑到规范中长度的具体规定，最终决定应采用2m普通混凝土与3m膨胀混凝土交替浇筑；

（2）微膨胀混凝土与大膨胀混凝土交替浇筑，即膨胀加强带采用大膨胀混凝土。

根据伸缩缝计算式，计算出伸缩缝间距，结合温差收缩，合理设置膨胀加强带。特别需要注意：当伸缩缝间距大于混凝土板长度时，不用设缝。根据实际施工情况不同，两种方法择优采用。

4 结语

在渠道工程设计中，无缝设计方法的实施途径较多，工序较少，有利于提高工作效率，减少渗漏，且施工成本较低，因此被广泛应用。从伸缩缝理论推导出无缝设计相关理论，并分析其实现途径。从材料角度进行优化，采用伸缩缝的实际间距优化计算方法，对计算实例进行分析，有效的抵制了混凝土收缩。陕西水利

[1]张煜恒，汪毓霞，刘伟，等.机械化衬砌机在混凝土渠道衬砌中的应用[J].内蒙古水利，2013，02:122-123.

[2]王星梅，陈坚，顾青，吴兵.现代渠道防渗新技术的设计与研究[J].中国水利，2013，14:13 -42.

[3]姜靖超，程林.南水北调新乡段衬砌混凝土施工技术[J].河南水利与南水北调，2012，17: 42-44.

[4]南金东，刘飞.浅谈南水北调渠道坡面人工衬砌施工工艺[J].科技创新与应用，2014，32:215.

[5]周龙，赵宏丰，刘辉.河套灌区渠道衬砌工程冻胀破坏分析及防治措施[J].内蒙古水利，2014，01:31-32.

[6]耿威.灌域渠道衬砌土方填筑碾压试验技术分析[J].内蒙古水利，2015，03:35-36.

（责任编辑：畅妮）

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