輸水渠渡槽工程裂縫成因及處理方法研究

胡 釗

（廣東省水利水電第三工程局有限公司）

0 引言

輸水渠渡槽是指輸水渠工程在跨越山谷、洼地、道路以及其他水利工程時構筑的架空水槽，普遍用于跨區水資源調度、抗洪排澇以及水上交通運輸等領域。隨著我國水利工程和航運事業的發展，輸水渠渡槽得到了廣泛的應用。但渡槽采用的建筑材料基本為石材骨料、鋼筋以及水泥石等，這些材料在使用過程中極易產生裂痕[1]。

渡槽裂縫的產生是由混凝土在硬化和使用過程中，因為體積收縮不均勻，導致變形而引發。渡槽建造用的各種材料中，鋼筋的熱膨脹系數最大，水泥混凝土次之，骨料最小，不同材料之間相互束縛，不能產生自由變形，導致槽體在硬化和使用過程中產生內應力，從而引起骨料、水泥混凝土以及鋼筋的接觸面產生細微的裂痕。隨著輸水渠渡槽使用年限的增加，建造材料在熱脹冷縮過程中，會導致槽體的裂縫持續擴大，最終導致渡槽產生不同程度的滲漏，影響了使用性能，并由此引發嚴重的安全問題，降低了渡槽的使用年限[2]。

處理溝槽裂縫時，應針對具體渡槽工程的特點分析原因，采取科學有效的加固措施，在有效解決裂縫滲漏問題的同時，全面提升渡槽的抗裂縫性能，從而提高渡槽的壽命周期和安全性能，降低使用成本。

1 工程概況

湖北省鄂北地區水資源配置工程起訖是從丹江口水庫清泉溝隧洞進口引水，向沿線城鄉生活、工業和唐東地區農業供水，解決鄂北地區干旱缺水問題的一項大型工程。該工程位于湖北省棗陽市，起訖樁號102+720～108+130，線路平面總長5.41km，設計流量36.2m3/s，設計水位127.70～126.76m，設計水深4.07m。工程建筑物主要有渡槽、明渠等。主體工程主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3 級，導流工程等臨時建筑物級別為4 級。設計洪水標準為50 年一遇，校核洪水標準為200 年一遇。

該工程的4 座渡槽均為30m 一跨，其中七方（方寨）渡槽（102+720～104+200），長度1480m，共49 跨；七方（套樓）渡槽（104+910～106+220），長度1310m，共42跨；七方（申沖）渡槽（106+390～106+840），長度450m，共14 跨；七方（王坡）渡槽（107+210～108+130），長度920m，共29 跨。墩身混凝土強度等級為C50。

工程投入使用后，渡槽的部分位置陸續出現滲漏情況，通過現場探查得知，輸水渠渡槽在施工和使用過程中產生的裂縫為主要滲漏通道，進一步探查發現，輸水渠渡槽槽身出現的裂縫最大寬度達到2.5mm，且呈縱向或環向開裂，縫隙處的混凝土保護層出現剝落現象，鋼筋防銹保護層遭到破壞，部分裂縫處的鋼筋出現銹蝕現象，最大銹蝕率達4%，經上報主管部門批準后，決定對該工程的裂縫作一次系統性的補強加固工作。本文將詳細分析該渡槽工程裂縫產生的種類和機理，并有針對性地提出防止渡槽裂縫的工程措施。

2 輸水渠渡槽工程裂縫形成機理

輸水渠渡槽在工程建設過程中，大量使用水泥，水泥的水化熱量大，如果工程施工不當，或者設計不合理，極易在施工和使用過程中產生裂變。根據實際調查：該工程的裂縫類型中，混凝土因素導致的裂縫中，80%左右是由于設計和施工不當引起的，混凝土自身的因素占15%，其次才是其他因素，如混凝土中的Ca2+析出等。因此本文將分別從材料、施工以及其他因素方面探討裂縫產生的機理。

2.1 設計和施工因素導致的裂縫

渡槽屬于一種大型薄壁混凝土結構的水工構筑物。如果工程設計不合理，輸水渠渡槽極易在輸水荷載與混凝土變形等因素共同作用下產生裂縫。施工過程中的任何工序出現問題，都會導致輸水渠渡槽產生嚴重的裂縫。施工工藝和施工位置的不同，也會導致不同程度的工程裂縫，如振搗施工的方式不正確，混凝土表面會產生嚴重的浮漿，甚至出現混凝土分層離析現象，造成大量的砂漿處于低處，造成混凝土各處厚度不一致、結構不均勻，裂縫極容易在不均勻處產生[3]。

2.2 混凝土因素導致的裂縫

輸水渠渡槽的裂縫程度與混凝土自身的物理性能和力學性能密切相關，包括混凝土的收縮和徐變等。

（1）混凝土的收縮。混凝土的標號、配比等因素都會影響混凝土體積收縮的程度。對于大型的水工構筑物來說，初期收縮多為溫變冷縮，長期收縮多為干縮。在目前的輸水渠渡槽建設過程中，為了提高施工效率，一般使用泵送混凝土進行工程施工。泵送混凝土流動性大，為了增加混凝土強度，需要采用高標號的水泥。與普通混凝土施工相比，高標號的泵送混凝土所產生溫差更大，導致的冷縮應力更嚴重。為了保證泵送混凝土流動性，需要添加大比例的砂石和添加劑，這些因素都會增加混凝土體積收縮的內部應力，降低混凝土的抗裂能力。

（2）混凝土徐變。為了抵消輸水渠渡槽混凝土體積收縮時的內部應力，可以通過混凝土徐變來增強混凝土的變形能力。在輸水渠渡槽混凝土的施工過程中，混凝土徐變可以部分抵消混凝土溫變的內應力，降低收縮開裂的程度。但混凝土徐變自身也存在一定的工藝缺陷，是否采用，需要根據施工情況綜合考量。

2.3 化學侵蝕導致的裂縫

輸水渠渡槽運行過程中，由于槽深部位發生不同程度的滲漏，滲漏部位的混凝土會析出Ca(OH)2，Ca(OH)2與空氣中的CO2發生化學反應，造成混凝土中Ca2+減少，強度下降，造成輸水渠渡槽的強度破壞，減少使用壽命。

輸水渠渡槽為鋼筋混凝土結構物，混凝土本身為無機弱堿結構，其堿性環境會在鋼筋的表面，形成一層致密的水化氧化鐵（Fe2O3·2H2O）薄膜，水化氧化鐵為致密惰性結構，能阻止鋼筋與空氣、水產生化學銹蝕，對鋼筋起著良好的保護作用。當混凝土中Ca2+逐漸減少，堿性環境遭到破壞，對鋼筋的保護作用也會逐漸降低。當混凝土的碳化層超過鋼筋的保護層時，鋼筋便失去了堿性環境的保護，表面就會發生銹蝕。當輸水渠渡槽產生裂縫時，水中的氯離子和游離氧也會隨著裂縫滲入鋼筋的保護層，加快鋼筋腐蝕的速度。如果不采取措施隔斷縫隙滲入的水流，鋼筋的腐蝕速度會不斷加快，導致鋼筋從混凝土層中脫離，失去鋼筋支撐的混凝土渡槽，便會遭到結構性破壞，給輸水渠渡槽的安全運行帶來極大的風險。

3 輸水渠渡槽工程裂縫處理方法

由于輸水渠渡槽供水的特殊性，在維修湖北省鄂北地區水資源配置工程裂縫時，不能采取停水作業，因此，該工程對于貫穿裂縫和大深度裂縫,需要采取鉆孔灌漿的方法。灌漿采用化學漿料，渡槽為預應力混凝土構筑物，打孔的難度較大，因此，注漿時采用在裂縫的騎縫處設置注漿噴嘴的方法，并設置合理的注漿壓力，這種裂縫注漿的施工方式，對預應力渡槽裂縫具有良好的效果，并且不會損壞到輸水渠渡槽的預應力結構。裂縫處硬化后還需要進一步打磨，貼敷碳纖維布進行加固補強，防止渡槽的裂縫在預應力的作用下繼續擴大，減少水和空氣對裂縫內部的進一步侵蝕。該工程采用三層碳纖維布對輸水渠渡槽進行補強加固，要求碳纖維布貼敷的方向與裂縫的走向垂直，嚴禁與裂縫的方向重合，碳纖維布的寬度為70cm 左右。

3.1 鉆孔灌漿

裂縫注漿材料選用的是環氧樹脂漿料，對于深度大于5cm 的裂縫，需要沿縫隙兩側5cm 左右向裂縫打φ=1.4cm，深10cm 的孔，裂縫左右的孔呈梅花形布置，通過孔眼對裂縫雙面進行灌漿處理，對于深度小于5cm 的裂縫，需要將裂縫造成深1cm 左右的“V”型溝槽，用高壓水槍沖洗干凈，再向溝槽填充環氧樹脂砂漿，最后用丙乳樹脂調制砂漿抹平。對于細小的淺表裂縫，可以通過結晶型水泥防水漿料封閉處理，防止裂縫在內應力的作用下進一步擴大[4]。

3.2 纖維布補強

為了防止輸水渠的裂縫繼續滲漏，確保裂縫不再擴大，可以選擇用纖維布對縫隙進行補強[5]。纖維布補強對施工的環境溫度有嚴格的要求，需要環境溫度達到5℃以上。纖維布補強時，為了保證原有混凝土表面保持良好的黏結力，首先需要對原有的混凝土表面打磨處理，然后在磨平的混凝土表面均勻地涂抹樹脂基水泥，讓混凝土表面充分浸潤樹脂水泥漿液，最后沿著縫隙的方向貼上寬為8cm 的化纖樹脂布。若輸水渠渡槽表面有缺損、蜂窩以及空隙時，需要嚴格將這些地方的表面清理干凈，鑿除缺損和蜂窩等缺陷，然后用環氧樹脂膠黏劑膩子磨平，在保證表面平整的基礎上，予以纖維布補強。補強的纖維布除了用化纖樹脂布，為了提高補強的效果，還可以用碳纖維布[6]，碳纖維布需要合理地剪裁，并合理地配置膠水。

4 鄂北地區輸水渡槽裂縫補強工藝和效果

4.1 裂縫補強施工工藝

輸水渡槽進行補強加固前，需要用空壓機將注漿孔和施工區域附近的混凝土表面進行清掃，清掃范圍應當大于作業范圍0.5m 左右。輸水渠渡槽加固補強作業前，應先檢查設備是否運行良好，技術和施工人員、安全人員是否齊全，器具和材料是否準備充分，施工作業必須取得駐場安全工程師的許可后方可實施[7]。

混凝土裂縫的灌漿作業必須從裂縫的最底部開始，自下而上逐步進行，隨著漿液在渡槽縫面內逐步上升，注漿噴嘴也應當隨著上移，當漿液液面達到縫隙頂端時，關閉注漿噴嘴，結束注漿作業。注漿壓力一般為0.1～0.5MPa，具體壓力應當在施工前，通過實地試驗確定，注漿壓力過小，會使漿液灌注不充分；注漿壓力過大，會導致裂縫擴大。注漿過程中，應當讓壓力逐級提升，初始壓力一般設置為0.1MPa 左右，注漿結束后為0.3～0.6MPa。裂縫注漿施工結束后，首先要對灌縫進行檢查，觀察灌縫處是否出現沙眼、小孔或者氣泡，灌縫中是否殘留異物。檢查完畢后，還需要檢測灌縫施工處的密封性能，通過壓力試驗驗證灌縫處的水密情況，保證灌漿材料徹底將灌縫處封閉。檢查工作結束后，應當再對灌封材料進行打磨處理，以便注漿部位繼續貼敷補強纖維布[8]。

此次施工的碳纖維布補強為三層，第一層碳纖維布涂敷后，必須等待膠液基本干燥后，才能依次進行第二層、第三層纖維布的涂敷補強工作。碳纖維布應當嚴格按照“一底一布三膠”的方式，依次進行涂敷，嚴禁將碳纖維布先粘到一起，然后一次性粘貼到輸水渠渡槽的表面，這樣很容易造成碳纖維布脫落。碳纖維布涂敷時，應注意表面平整無褶皺。碳纖維布涂敷完畢后，還應在其表面涂敷兩道環氧樹脂漿液，以形成對碳纖維布的保護層。纖維布涂敷補強施工結束后，還應當做好養護工作，防止纖維布脫落，一般來說，養護周期應當在3 周左右。養護結束后，纖維布須在檢測合格后才能投入使用，否則要對補強纖維布繼續進行翻修或者返工。

4.2 裂縫補強的實施效果

湖北省鄂北地區輸水渡槽工程的縫隙處理過程中，采用了鉆孔灌漿和纖維布補強聯用的技術進行加固。實踐證明，該技術的處理效果顯著，整個縫隙填補加固工程實施至今，未再發生縫隙擴大、滲漏、補強加固纖維布脫落以及縫隙填充材料剝落等現象，大大節省了輸水渠渡槽工程的維修成本，提高了使用壽命，為鄂北地區輸水渡槽工程的安全運行，起到了至關重要的作用。

5 結束語

輸水渠渡槽因為所用混凝土材料固有的性能，加上設計和施工等因素，產生裂縫是不可避免的，裂縫對輸水渠的安全運行有害，并會降低輸水渠渡槽的使用性能。輸水渠裂縫產生后，需要具體分析產生的原因，了解裂縫產生的程度以及危害情況，結合輸水渠渡槽的特點，有針對性地制定科學有效的補強加固措施。這就需要在裂縫的補強加固施工中，選擇合理的裂縫處理方法，規范施工工藝，有效提高輸水渡槽補強加固作業的質量，提高輸水渠渡槽的安全性能，延長輸水渠渡槽的使用壽命。