無縫設計理論在渠道襯砌中的應用研究

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車844700)

無縫設計理論在渠道襯砌中的應用研究

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車844700)

本文基于國內(nèi)外研究進展，從伸縮縫理論推導出無縫設計相關理論，分析了其實現(xiàn)途徑，采用伸縮縫實際間距優(yōu)化計算方法，對渠道襯砌計算實例進行了分析，得出了膨脹加強帶設計方案，有效抵制了混凝土收縮。以期為今后的渠道襯砌設計施工提供參考。

無縫設計；渠道；襯砌；混凝土

1 引言

渠道襯砌防裂縫與傳統(tǒng)防滲不同，主要是提升渠道輸水效率，盡可能的使水資源安全快速的到達目的地[1]。采用襯砌的渠道耐沖刷能力強，防滲材料使渠道更加穩(wěn)定。但是目前仍存在一些問題，其中最嚴重的便是渠道混凝土板裂縫控制。尤其在三北地區(qū)，四季溫差較大，混凝土襯砌更易出現(xiàn)裂縫[2]。

由于外界條件影響，伸縮縫的弊端逐漸暴露，工程設計中通常采用無縫設計方法來解決此問題[3]。伸縮縫雖然解決了溫縮應力問題，但是其將建筑物變得不連續(xù)，增加了施工難度，致使建筑物很容易出現(xiàn)應力集中，且抵抗地震的能力變差[4]。經(jīng)過長期研究，提出了無縫設計理論，通過對結構應力進行計算，避免設置伸縮縫，降低了施工難度。基于國內(nèi)外研究進展，從伸縮縫理論推導出無縫設計相關理論，并分析其實現(xiàn)途徑。從材料角度進行優(yōu)化，采用伸縮縫的實際間距優(yōu)化計算方法，對計算實例進行分析，有效的抵制了混凝土收縮。

2 超長結構無縫設計理論

2.1 無縫設計定義

隨著環(huán)境溫度變化，渠道混凝土材料會出現(xiàn)熱脹冷縮變形，導致襯砌結構出現(xiàn)裂縫，嚴重地甚至產(chǎn)生破壞，影響渠道使用。本文基于渠道襯砌的變形特性，對渠道結構進行合理設計。工程中常在混凝土板上設置伸縮縫，將伸縮縫兩端的構件分成兩個獨立單元，從而使混凝土板可以橫向水平伸縮，從而釋放渠道襯砌內(nèi)部的應力，使其不發(fā)生變形[4]。

伸縮縫的優(yōu)點顯而易見，但其也存在著不足，因此工程中常采用無縫設計方法。綜合考慮結構、環(huán)境等因素，大量現(xiàn)場試驗證明，無縫設計方法給施工帶來了方便，滿足了建筑物經(jīng)濟性以及美觀要求，同時也能釋放渠道襯砌內(nèi)部的應力，具有較好的應用前景。

2.2 無縫設計理論

在理論力學上，無縫設計方法中的伸縮縫間距應大于渠道混凝土板長度或為無窮大。運用極限思想分析此問題，可得出普通混凝土結構的最大伸縮縫間距Lmax的計算方法。其計算式為：

式中：E——混凝土彈性模量，MPa；H——混凝土結構厚度，mm；Cx——地基阻力系數(shù)，N/mm3；α——混凝土溫度膨脹系數(shù)，/℃，一般取10-5；T——結構的綜合溫差，℃；εp——混凝土的極限拉伸，材質(zhì)差養(yǎng)護不良時為0.5×10-4～0.8×10-4，材質(zhì)好養(yǎng)護優(yōu)降溫緩時為1.5×10-4；中等狀況時為0.8×10-4～1.5× 10-4；σ0——結構的初始邊界應力，MPa。

式（1）是建立在極限思想下，混凝土板承受最大應力且尚未開裂的情況。實際計算中，應綜合考慮施工情況，取平均值作為混凝土伸縮縫的實際間距。伸縮縫的實際間距計算式為：

研究表明，超長結構無縫設計的主要目標為：控制結構溫度變形、控制收縮當量溫差、減少收縮、提高結構的極限拉伸。從控制目標出發(fā)，控制裂縫的出現(xiàn)和生長，最終達到無縫設計目的[2]。

2.3 無縫設計主要實現(xiàn)途徑

在目前的技術水平下，實現(xiàn)無縫設計的措施主要有以下兩方面[5]：

（1）設計方面的措施主要包括：設置后澆帶、施加預應力、增加保溫隔熱措施等。其中，

若不考慮混凝土結構的初始邊界應力，即σ0=0時，可以得到無約束條件的自由邊界伸縮縫間距。結合式（2），考慮到結構的綜合溫差的正負值，可以利用絕對值對式（2）進行優(yōu)化。伸縮縫的實際間距優(yōu)化計算式：后澆帶又稱后澆縫，是目前施工中最為常用的方法。在實際施工中，后澆帶仍存在許多問題，前期施工中易有雜物進入，后澆帶較窄，清洗方法復雜等；兩側鑿毛導致工期延長，后澆帶設計較為復雜，容易影響渠道整體結構。

（2）材料方面：通過改變建筑材料的性能，選擇合適的建筑材料，從而滿足無縫設計的目的。具體做法如下：將低強度的混凝土和復合纖維混凝土混合，提高混凝土抗拉性能，加入膨脹劑，根據(jù)補償收縮混凝土膨脹性能補償混凝土收縮，添加減水劑控制后期干縮。同時采取良好的養(yǎng)護措施，進行低溫養(yǎng)護，從而降低混凝土的水化熱以及終凝收縮[6]。

對建筑物采取良好的養(yǎng)護措施，保證低溫養(yǎng)護，減小混凝土水化熱導致的綜合溫差，冬季及時覆蓋，澆水養(yǎng)護也十分必要。在眾多無縫設計理論中，后澆帶是實現(xiàn)渠道襯砌無縫設計的最常用方法。后澆帶的主要功能為：減小混凝土的溫縮應力，控制地基出現(xiàn)差異性沉降。后澆帶為施工中保留的抵抗結構變形的縫隙，在竣工3個月后進行密封填充，建筑物成為連續(xù)無縫結構。但是，目前后澆帶施工中仍存在一些問題尚未解決：

a.前期施工廢棄物會預留在后澆帶中，由于整個后澆帶寬度僅為1m，清理存在難度；

b.進行澆筑前，需要對后澆帶進行鑿毛，為后期填縫施工增加難度，工期較長；

c.由于需要進行兩次澆筑，二次澆筑前先成型結構處于懸臂狀態(tài)，出現(xiàn)變形。

3 無縫設計理論在渠道襯砌中應用

3.1 無縫設計可行性論證

根據(jù)澆筑成型工藝的不同，渠道襯砌可以分為兩種：預制襯砌和現(xiàn)澆襯砌。

預制襯砌板是在其它場地預先澆筑成型后，再裝配到工程所在渠基面上。其優(yōu)點為：受氣候條件影響較小，適應力強，易于推廣。但這種方法對混凝土預制板間的粘結會產(chǎn)生變形破壞，形成滲漏通道，使大量渠道水從該通道流失，同時對渠道襯砌結構的穩(wěn)定性具有一定影響。

現(xiàn)澆渠道是指直接在渠道現(xiàn)場裝配模板，直接澆筑成型，并在原地進行養(yǎng)護的施工。現(xiàn)澆襯砌板整體性好，襯砌板間完全為剛性連接，能夠形成連續(xù)體。但是由于現(xiàn)澆板在澆筑時就與渠基接觸，兩者間存在相互作用的約束力。因此混凝土板在水化期及后期受環(huán)境因素影響較大，應力應變都不能及時釋放，一旦超過混凝土板的容許應力值很容易出現(xiàn)裂縫。

為了解決渠道襯砌板的滲漏裂縫問題，最有效的方法就是改變混凝土板的材料，采用膨脹混凝土進行澆縫，或采用膨脹加強帶對后澆帶進行澆筑填充。其優(yōu)點為：提高了襯砌板的整體性和防滲效果；施工簡單，不受季節(jié)影響，工期較短；施工費用較低。

由分析可知：在渠道襯砌板澆筑中，采用補償收縮混凝土可以解決渠道開裂，降低施工成本。

3.2 渠道板收縮量計算

通過計算混凝土結構的收縮量，才能確定膨脹劑型號、摻量和膨脹加強帶寬度。因此，渠道板收縮量計算是補償收縮混凝土設計的前提。以梯形渠道為算例，渠道尺寸及各施工參數(shù)如下：渠底寬度4m，渠深度3m，襯砌板厚度0.1m，采用Pc32.5水泥，在夏季進行施工。當?shù)厮募痉置鳎募酒骄鶜鉁貫?6℃，晝夜溫差10℃。

（1）計算環(huán)境溫度產(chǎn)生的應力應變。分別計算非線性溫差、等效線性溫差以及平均溫度，最后得出溫度應變?yōu)椋?/p>

εt=α（-0.83954×A1+T）=2.5684×10-4（4）

（2）受環(huán)境濕度產(chǎn)生的應力應變。將各參數(shù)代入相關計算式，得出濕度應變?yōu)棣舩=1.0667×10-4。則混凝土襯砌板的收縮量為：

εsh=εt=εx=3.63×10-4（5）3.3伸縮縫間距計算及膨脹加強帶的設置

根據(jù)2.2得到的不加膨脹劑普通混凝土收縮量，對普通渠道襯砌板的伸縮縫間距進行計算。收縮溫差取36.3℃，綜合溫差取64.3℃，混凝土拉伸極限為1×10-4，則伸縮縫的間距為：

為了有效發(fā)揮膨脹效能，增加長度方向的膨脹量值，膨脹加強帶寬度應該比后澆帶更寬。根據(jù)規(guī)范規(guī)定：膨脹加強帶寬度取2m。由于膨脹加強帶限制了寬度，必須經(jīng)過計算得到渠道設置段長度。

在渠道襯砌工程中，膨脹加強帶一般采取兩種方法：

（1）普通混凝土與膨脹混凝土交替澆筑，考慮到規(guī)范中長度的具體規(guī)定，最終決定應采用2m普通混凝土與3m膨脹混凝土交替澆筑；

（2）微膨脹混凝土與大膨脹混凝土交替澆筑，即膨脹加強帶采用大膨脹混凝土。

根據(jù)伸縮縫計算式，計算出伸縮縫間距，結合溫差收縮，合理設置膨脹加強帶。特別需要注意：當伸縮縫間距大于混凝土板長度時，不用設縫。根據(jù)實際施工情況不同，兩種方法擇優(yōu)采用。

4 結語

在渠道工程設計中，無縫設計方法的實施途徑較多，工序較少，有利于提高工作效率，減少滲漏，且施工成本較低，因此被廣泛應用。從伸縮縫理論推導出無縫設計相關理論，并分析其實現(xiàn)途徑。從材料角度進行優(yōu)化，采用伸縮縫的實際間距優(yōu)化計算方法，對計算實例進行分析，有效的抵制了混凝土收縮。陜西水利

[1]張煜恒，汪毓霞，劉偉，等.機械化襯砌機在混凝土渠道襯砌中的應用[J].內(nèi)蒙古水利，2013，02:122-123.

[2]王星梅，陳堅，顧青，吳兵.現(xiàn)代渠道防滲新技術的設計與研究[J].中國水利，2013，14:13 -42.

[3]姜靖超，程林.南水北調(diào)新鄉(xiāng)段襯砌混凝土施工技術[J].河南水利與南水北調(diào)，2012，17: 42-44.

[4]南金東，劉飛.淺談南水北調(diào)渠道坡面人工襯砌施工工藝[J].科技創(chuàng)新與應用，2014，32:215.

[5]周龍，趙宏豐，劉輝.河套灌區(qū)渠道襯砌工程凍脹破壞分析及防治措施[J].內(nèi)蒙古水利，2014，01:31-32.

[6]耿威.灌域渠道襯砌土方填筑碾壓試驗技術分析[J].內(nèi)蒙古水利，2015，03:35-36.

（責任編輯：暢妮）

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