渠道襯砌混凝土制縫成套技術在寒冷地區輸水工程中的應用

羅文靈

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局,新疆 烏魯木齊 830000)

以輸水渠道為主體的水資源配置工程，是調節區域水資源供需矛盾，保障地區社會、經濟發展的“生命線”工程。近年來，隨著區域水資源需求的日益增長，位于北方寒冷地區的輸水工程相繼開展了改擴建工作，如近1000.0 km的北疆供水渠道，改擴建方案在原有渠道基礎上加高至7.0 m，同時，針對渠道凍害現象，將梯形斷面改為弧底梯形斷面。

由于地處寒冷地區，可利用的工作時長較短，在以往的渠道修復及維護工作中，受限于傳統混凝土制縫工藝在嚴寒地區的工作效率，渠道的維護進程緩慢[1-3]。

在改擴建施工過程中，襯砌制縫技術更是影響渠系工程建設速率的重要因素之一。鑒于此，研發了多功能渠道襯砌混凝土制縫機，實現了對寒區渠道襯砌混凝土在塑性階段的分格制縫、接縫、充填過程。同時，結合渠道機械化鋪裝設備生產工序，以及面板接縫材料質量需求，研發了接縫止水新材料以及渠道面板接縫充填彈性砂漿等裝備與材料，形成了一套完整的新型混凝土制縫工藝。

1 制縫設備研發

1.1 研制過程

新疆地區XSDY渠道率先采用機械化襯砌渠道，但在襯砌混凝土分縫方面依然采用的是手扶式路面切割機切割，導致工作效率偏低，同時存在投入人員多、對操作手水平要求高、切縫深度不好把握、美觀效果差等問題，此外，此類設備要求混凝土強度達到5.0 MPa后才能切割，切縫后產生的灰漿雜物造成襯砌混凝土表面二次污染，費時費工。如何在快捷、高效、保質保量的前提下解決混凝土的分縫問題成了機械襯砌混凝土的技術難題。

根據襯砌混凝土導軌定向行走的原理，結合路面切縫機的行走轉速，研制出了混凝土聯合切縫機和混凝土水平切縫機，如圖1所示。通過切縫機的切縫深度、寬度、切縫時間來調節切縫機的行走速度。由于切縫機是在導軌上定向行走，切縫的外觀質量得到了保證。進一步地，借鑒機械襯砌混凝土的工作原理，通過對襯砌混凝土的級配、坍落度、攤鋪厚度及分縫阻力、擊振力等方面的綜合研究，設計出了一款在混凝土攤鋪完成后同步完成混凝土的振搗分縫、制縫的機械，工作原理是根據混凝土的縫寬研制出一款類似冰刀的工具將剛攤鋪完的混凝土強行分開，同時將團孔板、止水橡皮置入混凝土中。

圖1 北疆高寒區渠道多功能混凝土制縫機

1.2 設備特點

混凝土嵌入式制縫技術實現將原有大面積薄壁現澆混凝土板塊的切縫、清縫和預埋防滲材料三道工序一次性完成。其實現過程為：混凝土嵌入式制縫機包括用以開縫的開縫殼體，開縫殼體相鄰兩側分別開設有進帶口和出帶口，進帶口與固定儲帶盤或隨動儲帶盤的儲帶盤出帶口連通，開縫殼體中心設置有空心軸，在空心軸內固定有震動泵，在空心軸外套接有可轉動的轉盤，轉盤套于開縫殼體內，兩者間形成走帶空間。

混凝土嵌入式制縫機的應用，包括用于在堤壩坡面移動的桁架，在桁架一側設置有上下排布的上、下軌道，在上、下軌道間滑動連接有用以開設縱向分隔縫的移動制縫機和與其對應的隨動儲帶盤，在所述桁架另一側設置有用以開設橫向誘導縫的固定制縫機，以及與固定制縫機對應的固定儲帶盤。

混凝土嵌入式制縫技術改變了傳統的混凝土分隔縫施工理念，分縫提前至塑性階段，并把混凝土現澆后“分隔縫切割—防滲材料埋設—灌前清縫”三道工序整合一次完成，避免了切割分縫的嚴重噪聲污染以及切割刀片損壞頻繁更換。采用混凝土嵌入式制縫技術制縫時，因混凝土具有良好的塑性，且制縫機嵌入深度彈性可調，確保了制縫能直達混凝土底部的防滲土工膜，同時因一次性完成澆筑和制縫，在進入封閉養護期后無穿插工序，使得混凝土貫通裂縫、干縮裂縫的控制得到改變。聚乙烯閉孔泡沫塑料板在嵌縫時置入混凝土內部，能夠與混凝土充分貼合，加之材料本身防水，在混凝土分隔縫處形成了不透水帶，進一步提高了渠道的防滲抗滲能力。以往混凝土襯砌速度受限于切縫的進度，現在攤鋪造縫一次完成，可最大限度地發揮襯砌機的功效，推進整體工程進展和施工速度。同時混凝土嵌入式制縫技術，實現了在混凝土結構縫內的不同部位可以同時置入性能各異、形狀各異的制縫材料。

1.3 制縫施工工藝

依托改擴建工程對自主研發的多功能混凝土制縫機進行了應用，在此基礎上形成了渠道襯砌混凝土制縫施工工藝。

(1)縱向誘導縫平行渠道軸線方向，按設計要求布置。橫向伸縮縫應每3.0 m設置一道。混凝土攤鋪完成后開啟制縫機進行縱縫施工，縱縫施工完成后再進行橫縫施工。縱縫、橫縫呈十字交叉型式布置。

(2)縱縫嵌縫材料宜使用高壓閉孔板(規格50.0 mm×5.0 mm)，橫縫嵌縫材料宜由高壓閉孔板和橡皮止水帶組成。

(3)制縫時，操作制縫機升降控制系統裝置，使臺車刀架向混凝土表面方向移動，落位后開啟振動電機，制縫刀將分縫材料嵌入到混凝土內部設計深度。開動制縫機，向誘導縫布設方向移動，分縫材料連續不斷被置入混凝土內部，制縫臺車的熨平板聯同刀架同時振動，將分縫材料周邊的混凝土振動密實、表面恢復成型。制縫機行進至襯砌斷面末端時，人工剪斷高壓閉孔板，待高壓閉孔板全部嵌入完畢后設備停止行走，制縫臺車停機。

(4)縱縫施工完成后，將制縫機縫臺車刀旋轉90°，開啟制縫機行走裝置，移動制縫機至伸縮縫制縫起點處，整機定位。開啟制縫機升降控制系統，將制縫臺車刀頭嵌入混凝土底部，開啟制縫臺車振動電機將分縫止水材料嵌入混凝土內部。制縫臺車的熨平板聯同臺車刀架同時振動，將分縫材料周邊的混凝土振動密實、表面恢復成型。制縫臺車行進至混凝土斷面末端時，限位裝置會使臺車及時停車，一道伸縮縫制縫工序完成。操控升降系統提起制縫臺車，開啟制縫機行駛至下道伸縮縫位置，重復上述操作步驟，完成下一道伸縮縫嵌縫施工。

2 渠道面板接縫充填彈性砂漿試驗研究

結合渠道自動化鋪裝設備生產工序和面板接縫材料質量需求，以工作性能和力學性能為基礎，從提高抗裂性、增加耐久性、增加抗變形性能等角度，開展室內面板接縫材料模擬試驗。鋪裝混凝土配合比及性能如表1所示。

表1 鋪裝混凝土配合比及性能

用木板做2個內部尺寸長、寬、高分別為120.0 cm、120.0 cm、10.0 cm的長方體，底部木板和四周木板的內表面用磨平機打磨粗糙，增大混凝土與木模的摩擦力。

具體原材料如下：水泥(P·O 42.5)、粉煤灰(Ⅱ級灰)、減水劑(聚羧酸高效減水劑)、細骨料(河沙)及粗骨料(5.0～20.0 mm連續級配)。

接縫材料選用具有自主知識產權的、高抗裂性、高耐久性材料彈性砂漿，用于鋪裝面板的彈性砂漿性能如表2所示。

表2 接縫材料彈性砂漿性能

兩塊模板分別為A板和B板，A模板混凝土及接縫材料澆筑厚度為10.0 cm，B模板混凝土及接縫材料澆筑厚度為7.0 cm。

澆筑工序為：把拌制好的混凝土澆筑入模板內，達到相應厚度后，用振搗器將表面振搗密實，中間切開寬5.0～7.0 cm縫，在縫中澆筑彈性砂漿，澆筑完成后用抹刀壓平密實。

養護方式：A模板成型后放室外開闊處，無其他防護措施，溫濕度隨大氣環境變化而變化；B模板放室內養護，溫度范圍為20～25 ℃，相對濕度變化范圍為：55%～75%。

試件澆筑完畢后，每天觀察試件接縫處是否有裂縫，經過連續近一個月觀察，試件表面平整完好無任何裂縫，彈性砂漿與混凝土連接良好，交接處無裂縫, 如圖2所示。

進一步的，為了考察渠道面板接縫止水新型彈性砂漿的工作性質，進行了兩次現場試驗，具體過程如圖3、圖4所示。

由室內試驗結果可知，利用彈性砂漿良好的抗變形性能和抗裂性能，在面板間充填彈性砂漿，可起到很好的充填與連接作用。由現場試驗結果可知，彈性體改性砂漿與混凝土粘接良好。

圖2 A、B兩塊模板養護

圖3 第一次現場試驗情況

圖4 第二次現場試驗情況

3 結 論

(1)在混凝土抗壓強度、含氣量、坍落度等基本相同的情況下，單摻礦渣微粉沒有復摻(礦粉+粉煤灰)抵抗硫酸鹽侵蝕好；粉煤灰對硫酸鹽的抵抗侵蝕能力優于礦渣微粉；無論是硫酸鹽侵蝕還是氯鹽侵蝕，優先在混凝土中摻加粉煤灰，其次是粉煤灰+礦渣微粉。認為自主配比研制的接縫止水新材料適用于嚴寒地區輸水工程。

(2)利用彈性砂漿良好的抗變形性能和抗裂性能，在面板間充填彈性砂漿，可起到很好的充填與連接作用，現場試驗結果較好地佐證了這一點。故認為彈性砂漿可滿足嚴寒地區水利工程渠道面板的接縫充填。

(3)研發了多功能渠道襯砌混凝土制縫機、接縫止水新材料、以及渠道面板接縫充填彈性砂漿等裝備與材料，形成了一套完整的新型混凝土制縫工藝，實現了對寒區渠道襯砌混凝土的分格制縫、接縫、充填過程，對嚴寒地區輸水工程的建設、改造和維護具有重大的意義。