渠道衬砌混凝土裂缝分析与处理

1、渠道衬砌混凝土裂缝分析与处理1 引言南水北调中线工程渠道衬砌采用C20W6F150素混凝土，衬砌机衬砌施工，渠底混凝土厚度为8cm、边坡混凝土厚度为10cm。横缝每12m设一道通缝、中间4m间隔采用切缝，切缝深度7cm，纵缝以4m左右设一道切缝，切缝深度为67cm，渠底中间设一道通缝。渠道11标地处河北省新乐市，渠道全长4.9km，全部为土渠段，地质岩性多为黄土状壤土、砂壤土、沙砾等。渠段内地下水的类型主要为孔隙水,主要赋存于第四系全新统的砂土及砾卵石含水层中，地下水埋深一般1025m，多属潜水。地下水与地表水联系紧密，具有较强或强的富水性和强透水性，部分具中等透水性。渠段内冻土为季节性冻土，

2、冻土厚度0.780.88m。混凝土下采用复合土工膜加强防渗，土质基础铺设聚苯乙烯泡沫塑料板保温防冻。2 渠道混凝土裂缝的出现至2007年11月底已衬砌渠道3.5km， 2008年1月5日检查，渠道左、右边坡、渠底出现裂缝共计53处；2008年2月3日再次检查，渠道左、右边坡、渠底裂缝增加到183处，其中渠左、渠底裂缝比前期数量大量增加，渠底裂缝大部分位于渠底低洼积水处，同时这些部位出现混凝土表皮脱落；部分混凝土板隆起，最大隆起高度40mm。裂缝出现的时间及部位见下表。3 渠道混凝土裂缝成因分析从表中裂缝出现的时间、部位、形状和裂缝发生的环境条件分析，结合有关资料，笔者将引起裂缝的原因归结为两类

3、：3.1基础冻涨引起的裂缝3.1.1基础冻涨的原因基础冻涨是由于在负温天气下，基础土质中的水结冰造成基础体积膨胀，当膨胀达到混凝土抗折强度极限时，导致混凝土板断裂，基础冻涨必须具备负温和一定的含水量两个主要因素。据气象统计资料显示，一月是当地全年最冷的月份，月平均气温为-2.8，冻土厚度达0.780.88m。2008年12月至1月最低气温达-8，平均负温天气持续近一个月。根据基础含水量测定，砂土层含水量5.78.7%，土层含水量12.514.2%，砂层含水量5.66.2%，很明显壤土层含水量偏高，正是由于这两个主要因素的存在造成了基础冻涨。3.1.2 裂缝的形成本段地质情况是渠道边坡下部和渠底

4、基础土质多为砂土或壤土，由于地面水的下渗，加之本表1 渠道衬砌混凝土裂缝统计裂缝出现时间裂缝数量(条)部位走向宽度（mm）基础土质结构形式2右边坡纵向0.21壤土/砂混凝土+膜+保温板4左边坡纵向0.21壤土/砂混凝土+膜+保温板4渠底纵向0.20.8砂混凝土+膜+保温板39右边坡纵向0.21.6壤土/砂；砂/壤土；砂混凝土+膜2左边坡纵向0.20.8壤土/砂；砂/壤土；砂混凝土+膜2渠底纵向0.20.5砂土；砂混凝土+膜39右边坡纵向0.21.8壤土/砂；砂/壤土；砂混凝土+膜42左边坡纵向0.21.5壤土/砂；砂/壤土；砂混凝土+膜49渠底纵向0.21砂土；砂混凝土+膜区域地下水与地表水联

5、系紧密，具有较强或强的富水性和强透水性，使得砂土和壤土层含水量偏高，并且形成持水层，基础极易受冻。从渠道边坡发生裂缝的部位分析，渠坡上部发生裂缝41处，而下部裂缝87处，渠道下部砂土或壤土基础部位的裂缝明显高于上部砂层基础部位的裂缝。并且大部分裂缝发生在未铺设聚乙烯保温板的渠段，已铺设聚乙烯保温板的渠段仅出现少量裂缝。从裂缝发生的时间上分析，渠底和渠左边坡裂缝较渠右边坡出现时间晚，但裂缝数量急剧增加。渠道走向为西南至东北向，渠左边坡为阳面，渠底处于半阳面，所以裂缝出现时间较晚。从裂缝的形状看，裂缝处混凝土板均有隆起现象，缝口上大下小。冬季后检查裂缝时，发现大部分裂缝在基础冻涨消失后有所收缩，隆

6、起的混凝土板不同程度的回落。综合以上裂缝发生的情况，可以看出，基础冻涨导致了衬砌混凝土板裂缝的出现。3.2 混凝土表面冰冻引起的裂缝2008年1月5日前出现53处裂缝，其中渠道右边坡出现39处，渠底和渠左边坡各2处。2008年1月5日至2008年2月3日之间，出现130处裂缝，渠道左边坡和渠底大量增加。渠道边坡由于后期气温急剧下降的原因，直接造成了混凝土板裂缝大量增加和隆起。2008年1月份出现的两次降雪，使渠底低洼处出现积水，随气温的降低，积水处混凝土表面出现冰冻。根据有关资料统计，当地最冷月平均气温-3时，最低可达-10以下，可出现6070次通过0的正负交替次数。另据有关研究水结冰的膨胀体

7、积公式： Ud=0.09SUM式中 Ud毛细管水的过剩体积（膨胀体积）； U毛细管的空隙体积； S饱和度； M成冰率。可知，水完全结冰可产生9%的体积膨胀，使混凝土遭受很大的内部破坏力。渠底的积水造成了混凝土处于完全饱和状态，冰冻后混凝土体积膨胀更为严重。由于日夜气温的交替变化，经过冻融交替，使渠底积水处混凝土板出现裂缝。同时，此处的混凝土表皮大面积脱落，正是由于混凝土出现冻融交替，使得混凝土表面遭受更为严重的破坏。3.3 保温措施不足造成的基础冻涨已衬砌完成的3.5km渠道，只有1km段的基础采取了铺设聚乙烯保温板防冻措施，本段渠底只出现4处裂缝，渠坡6处裂缝，其余未铺设聚乙烯保温板渠段的渠

8、底裂缝51处，渠坡裂缝122处。由此可见，聚乙烯保温板对基础的隔热防冻起着关键作用，未铺设聚乙烯保温板的渠段基础冻涨严重，直接导致了混凝土板裂缝的出现。4 渠道裂缝处理根据裂缝的宽度、裂缝的分布数量和材料的不同特性，采用不同的处理方法。处理后的裂缝要能保证结构原有的整体性以及防水防渗漏的要求。本工程采取表面涂抹、凿槽嵌缝、拆除重新浇筑混凝土等方法。4.1 表面涂抹处理对于缝宽0.2mm的裂缝，涂抹水泥基渗透结晶型防水材料进行表面处理，即可以保证原混凝土的整体性，又可利用防水材料的渗透作用，填塞缝隙，达到防水的目的。缝宽0.2mm0.4mm的裂缝，为防止裂缝的变化造成处理失效，采用涂抹水泥基柔性

9、防水材料进行表面处理。材料性能及原理1）水泥基渗透结晶型防水材料是一种刚性防水材料，具有呼吸性、防水作用的永久性和独特的自修复能力，安全无毒。与水作用后，材料中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透，在混凝土中形成不溶于水的结晶体，填塞毛细孔道，从而使混凝土致密防水。2）水泥基柔性防水材料是一种双组分、高聚物改性的水泥基防水材料，弥补了水泥基刚性防水材料抗拉强度过低、抗冲击强度差的弱点。与普通水泥砂浆相比，具有高强度、高韧性、高粘结性和耐酸碱性、抗渗透性以及低温固化等特点。通过自然蒸发和水化反应干燥成为粘结良好、柔韧、致密的防水涂膜，达到防水的目的。施工方法及要求1）水泥基渗透结晶型防水材

10、料防水基面预处理：除去浮灰、浮浆、油脂等物，冲洗干净；铲除空鼓、疙瘩以及起皮等疏松部位；将表面打磨粗糙后用水浸透防水基层。制备料浆：按体积比水泥基渗透结晶型防水材料：水=5：2进行配置，搅拌均匀，每次拌料应在25分钟内用完，使用过程中不得二次加水，料浆用量以干粉计约1kg/m2。在缝宽0.2mm的裂缝混凝土表面直接涂刷，涂刷范围为裂缝两侧各10cm，涂刷一遍，厚度约1mm。养护：当涂层固化到不会被洒水损坏时开始养护，以喷洒水雾为主，保持涂层湿润，养护3天以上。养护主要是促进防水涂层的强度尽早体现、防止开裂、更好的渗透。施工温度：施工环境温度不宜低于5和高于40。2）水泥基柔性防水材料水泥基柔性

11、防水材料涂抹前，基层混凝土强度应不低于设计值的80%。基层应平整、坚固、洁净，如果有油污、孔洞等要进行清洗、修补处理。施工前，基层面保持基本干燥，无大面积潮湿面时即可施工。水泥基柔性防水材料A与B组分按重量比1：1的配比混合，搅拌均匀。搅拌时用砂浆搅拌机或手提电钻配以搅拌齿进行现场搅拌，搅拌时间比普通砂浆要延长23分钟。在裂缝两侧各10cm范围内涂刷一遍，厚度2mm，表面应压实、抹平。水泥基柔性防水材料凝结后，进行自然养护，养护温度不低于5。未达到硬化状态时，不得浇水养护或直接受雨水冲刷。4.2 凿槽嵌缝处理缝宽0.4mm的裂缝，由于裂缝较宽，进行凿槽嵌缝处理，保证修补材料的牢固性。嵌缝材料为

12、水泥基柔性防水材料或聚硫密封胶。4.2.1材料性能双组份聚硫密封胶是以液态聚硫橡胶为基料配制而成的常温下能够自硫化交联的双组分密封胶，对金属及混凝土等材质具有良好的粘接性，可在连续伸缩、振动及温度变化下保持良好的气密性和防水性，耐久性甚佳。明渠专用聚硫密封胶是渠道工程选定的填缝材料。 施工方法及要求1）水泥基柔性防水材料沿裂缝方向凿成一个宽25mm、深38mm的“U”型槽沟，槽深为槽宽的1.5倍。清除缝内的污物及杂质，用清洁的压力水彻底冲洗、湿润，确保施工面干净、潮湿。粉料、液料按约5：1的比例混合成厚质膏状。将拌和好的防水砂浆填入槽内压实，为确保表面平整度，在初凝具有一定强度后立即

13、进行找平处理。施工环境温度不宜低于5和高于40，拌和好的料浆在20分钟内用完。2）聚硫密封胶沿裂缝方向凿成一个宽25mm、深38mm的“U”型槽沟，槽深为槽宽的1.5倍。清除缝内的污物及杂质，并保持缝内干燥。将混合好的双组分底涂液涂刷在被粘表面上，干燥成膜。按产品使用规定的配合比，将两个组份混合，达到色泽均匀无色差，填平密封处，并压实。4.3 拆除重新浇筑混凝土对于单块混凝土板抬动1cm以上且有多处裂缝的进行拆除处理，拆除后对基础的冻涨层清除，更换与原基础介质相同的材料，压实度达到设计指标后重新浇筑混凝土；抬动1cm以上裂缝较少，且裂缝危害不大的只对裂缝进行处理。5 结论据统计，南水北调渠道沿

14、线有18个标段的衬砌混凝土均出现类似裂缝，其中只有一个标段衬砌混凝土为岩基，裂缝较轻，其余标段衬砌混凝土基础均为土质和砂砾料，裂缝较为严重。渠道衬砌混凝土板厚仅810cm，极易受基础冻涨而出现裂缝甚至断裂，结构设计时应对引起基础冻涨的原因进行综合分析，采取足够的保温措施。1）设计时应根据不同的地质情况采取足够的保温措施，特别是对含水量高的土质基础和背阴面渠坡，保温板的设计是重要的环节。根据对渠道混凝土板裂缝分析及处理措施专题研究，及时对原设计进行完善，后期衬砌的混凝土且未铺设保温板或换填砂砾料的基础，全部增设聚乙烯泡沫板保温层，加强了对基础的保温措施。2）施工中严格控制保温板拼接质量，保温板尺寸应尽量大，板面完整无损，并且板间应粘结，提高保温效果。施工期较长的渠道，气温较低时应及时清理渠道底部的积雪、积水，防止混凝土冻融而出现裂缝。3）基础冻涨消失后，抬起的混凝土板有不同程度的回落，根据裂缝的宽度，