膨胀土渠道衬砌面板裂缝形成机理研究

(江西省上饶市科信水利水电勘察设计咨询有限公司， 江西 上饶 334000)

1 概 述

在水利施工建设中膨胀土渠道衬砌面板裂缝较为常见，其危害较大。衬砌面板出现裂缝不仅影响渠道施工质量，而且在后期运营服务中极易造成渗漏病害，严重的会引发决堤。因此研究渠道衬砌面板裂缝形成原因，有利于指导施工，保证施工质量。

本文以江西省内南水北调工程中膨胀土南昌试验段为研究对象，分析膨胀土渠道衬砌面板裂缝成因并提出具有针对性的防治措施，力求为水利施工建设提供相应指导。

2 工程概况

南水北调工程中膨胀土南昌试验段全程1.88km，共设有10个试验分区，分别是5个中膨胀土试验区(中1、2、3、4、5区)、3个弱膨胀土试验区(弱1、2、3区)、2个填方试验区(填1、2区)。根据各自特点设计相应试验方案。该试验区有多项科研项目，重点研究开挖边坡稳定性预测、强膨胀土渠道处理、防渗给排水设计、水泥改性处理施工、膨胀土及高填方渠道安全监测等施工技术难题。

2014年8月，南昌试验段施工开始，2015年5月，所有试验区段渠坡面板混凝土衬砌全部完工。经实地调查，试验区出现不同程度混凝土裂缝，并逐渐发育，到2016年2月最后统计时止，各渠段充水试验前裂缝数量超过160条。混凝土面板裂缝在充水试验前已经进行了处理，但经过多次渠道充、退水工况模拟运行等试验，试验区段内仍出现了不同程度的面板裂缝。为此实地调查统计裂缝情况(裂缝数量、分布、产生时间)，统计分析产生裂缝原因，结合工程实践需求针对性地提出防范措施，以提升工程质量。

3 渠道充水试验前

渠道衬砌完毕，在未进行充水试验时，统计裂缝情况如下：5个中膨胀土试验区共计88条，平均每个试验区18条，其中中5区数量最多，达到41条，占其总数的47%；3个弱膨胀土试验区共计47条，平均每个试验区16条，其中弱2区达到25条，占其总数的53%;2个填方试验区共计25条，平均每个试验区12.5条，其中填1区达到17条，占其总数的68%。中、弱膨胀土试验区衬砌面板裂缝情况大致相同。其基面结构层依次选择水泥改性土、非膨胀土、土工格栅加筋土等换填措施。结合各自裂缝情况，其渗控系统方案设计具体为：弱1、2区选择排水板与复合土工膜结合方案，中1、2、3区选择25cm厚的砂砾石反滤料与复合土工膜结合方案，弱3与中5区选择30cm砂砾石反滤料与复合土工膜结合方案，中4区选择水泥改性土上浇筑混凝土面板(裂缝少且深度、宽度均很小)方案。因弱膨胀土与中膨胀土试验区裂缝性状与形成原因大致相同，为了节约研究经费，仅选择中膨胀土试验区作为研究对象(结果见图1)。

图1 不同时段内中膨胀土试验区裂缝数量

中膨胀土试验1、2、3、5区裂缝出现在30天之后，此时混凝土强度满足相关规范标定数值，由此可排除施工原因造成裂缝出现。

中4区渗控结构设计与其他中膨胀土试验区大致一样，裂缝较多，裂缝位置、裂缝性状、出现时间与其他试验相同，因此将其作为研究对象，以降低研究成本。中4区的不同位置试验方案略有区别，一级马道以下，边坡、渠底选择35cm砂石垫层与复合土工膜、衬砌组合方案；一级马道以上左侧选择砌石联拱并种植植被，右侧选择菱形格构并种植植被。在中膨胀土4区渠坡、渠底等处布设测斜管、应变仪、孔隙水压力计多种监测仪器。监测表明，裂缝并不是由膨胀土特性与地质条件等影响造成的。

通过裂缝出现时段内的监测数据分析(中4区裂缝数量与时间变化曲线见图2)。可知大量裂缝出现时段都集中在30天之后。结合各试验区选择的方案，对比分析裂缝数量。渠坡选择砂砾料垫层的出现大量裂缝，选择滤水网垫的裂缝数量居中，不采用垫层滤料与复合土工膜的裂缝数量最小。砂砾石反滤层厚度与裂缝数量呈正相关关系，中4区裂缝数量最大，其多出现在坡脚。造成该现象的主要原因是：砂砾料垫层沉降稳定后，铺设复合土工膜使砂砾料受到扰动；坡脚与渠坡衔接处设计不合理(见图3)；砂砾料回填后断面不整齐；土工膜覆盖后存在褶皱现象等。

图2 中4区裂缝数量与时间变化曲线

图3 坡脚齿槽开挖与渠坡衔接实景

分析裂缝统计情况，衬砌面板裂缝多为水平裂缝，并且大部分集中于渠坡和齿槽相邻的板块位置,并且贯通性长大裂缝也集中在这个部位。底板裂缝数量不多，分布松散，无规律可寻。斜向裂缝绝大部分集中于试验区隔离堤与渠道交角位置，分析原因，是隔离体填筑沉降受到两侧渠坡约束造成的。中5区下游隔离堤八字形裂缝是因为施工操作不合理诱发的，具体原因是渠坡面板衬砌后，排水设计不到位，大量雨水浸入反滤层，渠坡结构因受扬压力作用而受损。

4 渠道充水试验后

渠道充水试验前，先处理已存在的衬砌面板裂缝，较小的A类裂缝选择环氧树脂涂刷，较大的B类裂缝选择裂缝两侧凿除3cm左右的槽后填涂聚硫密封胶。经处理后各试验区在充水、蓄水、退水等过程中，渠坡与底板均无渗水现象，表明渗控设计合理并具有良好效果。经检测，渠底、渠坡衬砌面板仍存在裂缝，但比充水前情况改善很多(见表1、表2)。

分析表1与表2中数据可知，4个循环期过后，中3试验区裂缝27条，中4区裂缝20条，是由左侧深层滑坡影响造成的；弱2区和中5区裂缝数量一致，均是10条，该试验区砂砾石反滤层厚度高出其他试验区15cm；弱1与弱3区选择排水网垫，很少出现裂缝，仅2条左右。忽略滑坡影响的中3与中4试验区，裂缝生成规律大致总结如下：衬砌完成后裂缝出现区域与模拟试验裂缝出现区域一致，表明充水前砂砾石是造成裂缝出现的原因之一。

表1 充水试验各试验区裂缝数据统计

表2 各试验区每期充水后新产生裂缝数据统计

进一步分析，裂缝产生的概率受到蓄水循环遍数的影响，前期呈现负相关关系，之后不受其影响。以中3与中5区为例，中3区第一遍蓄水后产生裂缝25条，第二遍蓄水仅产生裂缝2条，第三遍及第四遍蓄水未出现裂缝。

模拟渠道运行工况后共计产生裂缝85条，其表现形式有水平、斜向、纵向3种。表2汇总数据显示，水平裂缝37条，其占比43.5%，斜向裂缝40条，占比47%；纵向裂缝8条，占比9.4%。水平裂缝多集中在中3与中5试验区、弱2试验区内，其中中3区有14条，中5区与弱试验区分别有3、4条，其他试验区仅4-6条左右。中3区与中5区水平裂缝多出现在左右侧渠坡面板和齿槽相邻位置，尤其中3左坡裂缝严重，标号中3-1-10裂缝长度达到11.87m，并延伸至上游，中3-1-11裂缝长度为8.64m，两条裂缝高度一致，并彼此位于对方延长线位。其主要因为受到较大滑坡变形扰动、地下水与齿槽上部垫层沉降等因素影响。

斜向裂缝多分布于隔离堤与左右坡的交线位置，中4区上游隔离堤裂缝数量多且不断发育，其中最长裂缝为10.88m，剩余几个均在5.26～7.45m范围内。斜向裂缝产生原因为：隔离堤和渠坡前后分开施工；隔离堤施工场地制约压实工艺不到位，蓄水后沉降量不同，形成新裂缝。纵向裂缝数量较少，仅出现8条，并且没有规律可寻。纵向裂缝产生原因为:试验区分界处各种试验方案，施工时间不同，压实度不到位，渠道蓄水后接触带两侧沉降量不同，造成混凝土衬砌板开裂。经综合分析，纵向裂缝影响不大。

5 应对措施

在实际工程建设中，结合试验段膨胀土渠道衬砌面板裂缝分布及形成原因，考虑现场施工条件，为防止裂缝形成提出4项改进措施：

a.在砂砾石原材料充足的条件下，渠道工程坡面选择砂砾料填充反滤层时，应充分考虑施工影响因素与沉降时长等实际情况，符合反滤标准后尽量减小砂砾料厚度。

b.在坡脚位置布设通缝；对混凝土齿槽结构进行改进，面板和齿槽衔接自然过渡；用排水网垫替换砂砾料反滤层；回填砂砾料不进行齿槽开挖，选择排水网垫与齿槽底碎石盲沟连接，使其水流经盲沟内的透水软管、混凝土齿槽内PVC管逆向排出渠道中，取得了较好排水效果。

c.由于斜向裂缝主要出现在渠段隔离体与渠道换填体交角处，因此应将施工临时道路铺设于换填土结构层之外。

d.当渠坡面板完工后，堤顶路与马道必须设置临时排水设施，并覆盖保护预留出的复合土工膜，降低积水向下浸入对面板结构造成的损害。

6 结 论

本文以江西省内南水北调工程中膨胀土南昌试验段为研究对象，选取具有代表性的试验区分析裂缝形成机理，统计分析各个试验区内的裂缝产生时段、裂缝性状、裂缝数量等情况。分析表明，渠坡裂缝受砂砾料垫层稳定性影响，与其厚度相关。应在满足反滤要求后尽量减小砂砾料垫层厚度；斜向裂缝产生主要受结构设计、施工工艺的影响，应优化结构设计与施工工艺，尽量降低两侧沉降量的不均衡性；蓄水裂缝与蓄水前裂缝分布及产生原因类似，但其规模远小于蓄水前。

南水北调南昌段工程实施过程中，充分借鉴上述试验段裂缝成因，并与实际工程条件相结合，针对性提出相应防治措施。渠道衬砌面板竣工后取得了良好质量效果，裂缝数量明显减少，无渗漏情况，本研究可为类似工程施工提供参考。

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