渠道现浇混凝土衬砌合理分缝间距与缝宽探讨

2018-09-10季研洲李宗利黄瑞涛

人民黄河 2018年3期

季研洲李宗利黄瑞涛

摘要：现场浇筑的混凝土衬砌结构，分缝设计的合理性对渠道正常运行和使用寿命有较大影响。目前实际工程中的分缝间距和分缝宽度均按经验取值，未考虑不同类型渠基对衬砌底板的水平阻力系数、衬砌板厚度、渠基与衬砌板表面的温度差、混凝土的强度等级等因素对取值的影响。通过理论推导，提出能合理计算伸缩缝间距和缝宽的方法，给出物理意义明确的计算公式，供工程设计参考。

关键词：渠道衬砌；现浇混凝土；分缝；分缝间距；水平阻力系数

中图分类号：S274.2 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.035

为延长渠道衬砌使用寿命，减少渠道渗漏，提高渠系水利用系数，常用现浇混凝土进行衬砌。实际工程中的渠道铺设长度较长，不论是考虑由温度变化引起的衬砌伸缩，还是考虑由不均匀沉降或施工因素引起的问题，都需要进行分缝处理。有关规范[1]提出渠道的现场浇筑混凝土结构分缝间距为3～5m，伸缩缝宽度为2～3cm，但其规定的伸缩缝间距多是基于经验，按照采用的材料和施工方法取值，未考虑渠基土的阻力系数变化、衬砌板的厚度、温差、混凝土强度等因素的影响。

以上这些因素对伸缩缝间距取值的影响，道路建筑工程行业研究较多。王铁梦[2]创建了现代理论计算温度应力的方法，考虑了混凝土收缩、徐变的影响，根据温度应力理论，导出了可以计算伸缩缝间距的公式，并得到推广应用；刘晓春[3]针对王铁梦《工程结构裂缝控制》一书中关于混凝土温度收缩应力基本公式推导过程，根据数学、力学理论提出了修改意见；王成环[4]针对王铁梦建立的温度应力计算公式在實际应用时存在的一些问题，为简化多龄期的复杂运算，减少人为因素对各参数取值的影响，推导出了另一种形式的伸缩缝间距理论公式。但这些研究的对象并不是渠道衬砌。渠道衬砌的厚度一般较小，多在4～20cm范围内，渠基的温度变化很容易受外界环境温度变化的影响，同时与浇筑时渠基土原始温度也有关系。

本研究结合这些关于伸缩缝间距和缝宽设置的理论和计算方法，提出能合理计算渠道现浇混凝土衬砌伸缩缝间距和分缝宽度的公式，给出最大缝宽的计算公式及其详细的推导过程，明确阐述表达式中各项的实际物理意义及取值标准，并通过分析各物理参数变化对平均分缝间距与缝宽设置的影响，提出合理的施工建议。

1 公式推导

因渠道衬砌底板的厚度远远小于其宽度及长度，故认为底板在温度应力作用下处于均匀受拉或受压的状态。以衬砌底板中的变形不动点为原点建立坐标系，并在距变形不动点x处取微分体，见图1。

微分体的长宽高分别为dx、t、H，见图2。假设微分体内承受均匀内力N（N=σxtH），地基对微分体的剪切应力为Q（Q=τtdx），按中心受拉构件计算，微分体的受力情况如图3所示。

首先需要作两个假设。一是假定边界条件。边界条件1：在变形不动点x=0处，位移U=0；边界条件2：在底板端部x=L/2处，温度应力σx=0。二是假设地基刚性，衬砌底板与地基接触面上的剪应力与地基水平位移成线性关系，即τ=CxU（Cx为水平阻力系数），但二者在方向上永远相反。

在水平方向上列平衡方程∑x=0，即

N+dN-N-Q=0（1）

距变形不动点x处的变形位移U由温度应力产生的约束位移与自由位移合成，即

U=Uσ+αTx（2）

当x=0时，温度应力最大。对于中心受拉的混凝土衬砌，当衬砌中部混凝土的拉应力刚好达到极限抗拉强度且尚未开裂，即fL=σmax时，衬砌连续长度即为最大分缝间距，其计算公式为

当衬砌中部混凝土的拉应力刚好达到极限抗拉强度且已经开裂时，开裂后的每段连续长度为最小分缝间距，其长度为最大分缝间距的一半。平均分缝间距的最终计算式为

当x=L/2时，根据式（6）可以得到最大分缝宽度计算公式：上述公式中：E为混凝土弹性模量，N/mm2；H为混凝土衬砌板的浇筑厚度，mm；Cx为渠基土对衬砌底板的水平阻力系数，N/mm3；fL为混凝土的极限抗拉强度，N/mm2；α为混凝土线性膨胀系数，根据规范[1，5]，当温度在0～100℃范围内变化时，取值为1×10-5/℃；T为混凝土衬砌板的计算温差，℃。

以上公式只采用龄期为28d的各参数值，底板混凝土设计强度标准值确定后，各参数值均可从规范[1，5]中查得。

2 不同因素对结果的影响分析

根据上述分缝间距和分缝宽度计算公式，对以下3个因素进行分析：一是渠基土与混凝土衬砌板之间的水平阻力系数；二是衬砌底板的厚度；三是衬砌板在现场浇筑和运行时的温差。

2.1 水平阻力系数

渠道沿线地质条件主要是指渠道地基的性质。不同性质地基的水平阻力系数Cx差别较大。随着地基对混凝土底板水平阻力系数Cx的变化，衬砌底板伸缩缝间距取值相应变化。规范川中推荐了不同性质的地基土对混凝土的水平阻力系数Cx值，可供参考。以规范推荐的水平阻力系数值为变化量，依照式（7）计算现浇混凝土渠道衬砌的平均分缝间距，分别得到C15、C20、C25三个等级混凝土衬砌的分缝间距变化值，其变化趋势见图40根据式（8）计算得到的分缝宽度在0.3～3.0mm范围内。

随着水平阻力系数的增大，3个强度等级混凝土衬砌板的平均分缝间距均减小，强度等级越高，分缝间距越大，且Cx在0.01～0.1 N/mm3范围内时，分缝间距均急速减小。

2.2 衬砌厚度

现浇混凝土衬砌板的厚度H对分缝间距的取值也有一定影响。规范[1]中推荐的渠道混凝土衬砌厚度范围为4～20cm，根据水泥水化热计算公式和各影响系数，得知水化热温差在混凝土板厚度小于50mm时可忽略不计，当厚度超过这一范围时，便会阻碍混凝土板内温度的传递，从而对计算温差造成影响。以软黏土地基为例，计算现浇混凝土渠道衬砌的平均分缝间距，分别得到C15、C20、C25三个等级混凝土衬砌的分缝间距变化值，其变化趋势见图5。根据式（8）计算得到的分缝宽度在1.4～3.0mm范围内。

随着衬砌厚度的增大，3个强度等级混凝土衬砌板的平均分缝间距均逐渐增大，且强度等级越高，增幅越大。

2.3 温差

渠道现浇混凝土衬砌底板是否产生温度裂缝，不由温度随时间的变化过程决定，而是取决于变化过程的温度差值。结构的计算温差大，混凝土衬砌底板中產生的温度应力相应较大。渠道现浇混凝土衬砌板的计算温差主要包括两部分：一是由混凝土收缩变形和徐变变形换算得到的当量温差；二为外界气温、光照等条件变化引起的混凝土衬砌底板内的平均温度变化值[6-7]。王铁梦[2]提出的混凝土收缩变形和徐变变形的计算公式，可换算为当量温差[7]代入式（7）进行计算。

以软黏土地基为例，分析不同温差值对渠道现浇混凝土衬砌分缝间距的影响。取收缩变形当量温差为7.91℃，C15、C20、C25三个等级混凝土的徐变变形当量温差分别为4.35、5.63、6.48℃。按照当地历年温度变化，取冬季日平均气温区间为-6～8℃，夏季日平均气温区间为24～38℃。取衬砌板厚度为10cm，忽略水化热造成的温差。根据式（7）得到分缝间距变化的趋势，如图6所示。根据式（8）计算得到的分缝宽度在1.1～2.4mm范围内。

随着计算温差的增大，3个强度等级的混凝土衬砌的平均分缝间距均逐渐减小，且强度等级越高，变化幅度越大。

3 结论

（1）对伸缩缝平均分缝间距影响最大的是渠基土对混凝土衬砌底板的水平阻力系数。

（2）当浇筑厚度增大时，衬砌板的径向刚度也随之增大，衬砌板的抗裂能力增强，所以衬砌底板的分缝间距增大。

（3）随着温度差值的增大，现浇混凝土衬砌板的温度应力加大，为了满足抗裂要求，衬砌底板的分缝间距应逐渐缩小。

（4）水平阻力系数、衬砌板厚度、温差等因素对缝宽虽然存在一定影响，但计算得到的分缝宽度值很小，在施工中操作不便，故可根据规范推荐值进行施工。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.渠道防渗工程技术规范：SL18-2004[S].北京：中国计划出版社，2011：1-35.

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997：20-25.

[3]刘晓春.混凝土温度收缩应力基本公式推导过程值得商榷[J].武汉科技大学学报（自然科学版），2004，27（4）：392-395.

[4]王成环.大体积混凝土底板伸缩缝理论间距的研讨[J].港工技术，2008（1）：30-33.

[5]水利部水利水电规划设计总院.水工混凝土结构设计规范：SL191-2008[S].北京：中国水利水电出版社，2008：161-162.