输水渠渡槽工程裂缝成因及处理方法研究

胡 钊

（广东省水利水电第三工程局有限公司）

0 引言

输水渠渡槽是指输水渠工程在跨越山谷、洼地、道路以及其他水利工程时构筑的架空水槽，普遍用于跨区水资源调度、抗洪排涝以及水上交通运输等领域。随着我国水利工程和航运事业的发展，输水渠渡槽得到了广泛的应用。但渡槽采用的建筑材料基本为石材骨料、钢筋以及水泥石等，这些材料在使用过程中极易产生裂痕[1]。

渡槽裂缝的产生是由混凝土在硬化和使用过程中，因为体积收缩不均匀，导致变形而引发。渡槽建造用的各种材料中，钢筋的热膨胀系数最大，水泥混凝土次之，骨料最小，不同材料之间相互束缚，不能产生自由变形，导致槽体在硬化和使用过程中产生内应力，从而引起骨料、水泥混凝土以及钢筋的接触面产生细微的裂痕。随着输水渠渡槽使用年限的增加，建造材料在热胀冷缩过程中，会导致槽体的裂缝持续扩大，最终导致渡槽产生不同程度的渗漏，影响了使用性能，并由此引发严重的安全问题，降低了渡槽的使用年限[2]。

处理沟槽裂缝时，应针对具体渡槽工程的特点分析原因，采取科学有效的加固措施，在有效解决裂缝渗漏问题的同时，全面提升渡槽的抗裂缝性能，从而提高渡槽的寿命周期和安全性能，降低使用成本。

1 工程概况

湖北省鄂北地区水资源配置工程起讫是从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，向沿线城乡生活、工业和唐东地区农业供水，解决鄂北地区干旱缺水问题的一项大型工程。该工程位于湖北省枣阳市，起讫桩号102+720～108+130，线路平面总长5.41km，设计流量36.2m3/s，设计水位127.70～126.76m，设计水深4.07m。工程建筑物主要有渡槽、明渠等。主体工程主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3 级，导流工程等临时建筑物级别为4 级。设计洪水标准为50 年一遇，校核洪水标准为200 年一遇。

该工程的4 座渡槽均为30m 一跨，其中七方（方寨）渡槽（102+720～104+200），长度1480m，共49 跨；七方（套楼）渡槽（104+910～106+220），长度1310m，共42跨；七方（申冲）渡槽（106+390～106+840），长度450m，共14 跨；七方（王坡）渡槽（107+210～108+130），长度920m，共29 跨。墩身混凝土强度等级为C50。

工程投入使用后，渡槽的部分位置陆续出现渗漏情况，通过现场探查得知，输水渠渡槽在施工和使用过程中产生的裂缝为主要渗漏通道，进一步探查发现，输水渠渡槽槽身出现的裂缝最大宽度达到2.5mm，且呈纵向或环向开裂，缝隙处的混凝土保护层出现剥落现象，钢筋防锈保护层遭到破坏，部分裂缝处的钢筋出现锈蚀现象，最大锈蚀率达4%，经上报主管部门批准后，决定对该工程的裂缝作一次系统性的补强加固工作。本文将详细分析该渡槽工程裂缝产生的种类和机理，并有针对性地提出防止渡槽裂缝的工程措施。

2 输水渠渡槽工程裂缝形成机理

输水渠渡槽在工程建设过程中，大量使用水泥，水泥的水化热量大，如果工程施工不当，或者设计不合理，极易在施工和使用过程中产生裂变。根据实际调查：该工程的裂缝类型中，混凝土因素导致的裂缝中，80%左右是由于设计和施工不当引起的，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。因此本文将分别从材料、施工以及其他因素方面探讨裂缝产生的机理。

2.1 设计和施工因素导致的裂缝

渡槽属于一种大型薄壁混凝土结构的水工构筑物。如果工程设计不合理，输水渠渡槽极易在输水荷载与混凝土变形等因素共同作用下产生裂缝。施工过程中的任何工序出现问题，都会导致输水渠渡槽产生严重的裂缝。施工工艺和施工位置的不同，也会导致不同程度的工程裂缝，如振捣施工的方式不正确，混凝土表面会产生严重的浮浆，甚至出现混凝土分层离析现象，造成大量的砂浆处于低处，造成混凝土各处厚度不一致、结构不均匀，裂缝极容易在不均匀处产生[3]。

2.2 混凝土因素导致的裂缝

输水渠渡槽的裂缝程度与混凝土自身的物理性能和力学性能密切相关，包括混凝土的收缩和徐变等。

（1）混凝土的收缩。混凝土的标号、配比等因素都会影响混凝土体积收缩的程度。对于大型的水工构筑物来说，初期收缩多为温变冷缩，长期收缩多为干缩。在目前的输水渠渡槽建设过程中，为了提高施工效率，一般使用泵送混凝土进行工程施工。泵送混凝土流动性大，为了增加混凝土强度，需要采用高标号的水泥。与普通混凝土施工相比，高标号的泵送混凝土所产生温差更大，导致的冷缩应力更严重。为了保证泵送混凝土流动性，需要添加大比例的砂石和添加剂，这些因素都会增加混凝土体积收缩的内部应力，降低混凝土的抗裂能力。

（2）混凝土徐变。为了抵消输水渠渡槽混凝土体积收缩时的内部应力，可以通过混凝土徐变来增强混凝土的变形能力。在输水渠渡槽混凝土的施工过程中，混凝土徐变可以部分抵消混凝土温变的内应力，降低收缩开裂的程度。但混凝土徐变自身也存在一定的工艺缺陷，是否采用，需要根据施工情况综合考量。

2.3 化学侵蚀导致的裂缝

输水渠渡槽运行过程中，由于槽深部位发生不同程度的渗漏，渗漏部位的混凝土会析出Ca(OH)2，Ca(OH)2与空气中的CO2发生化学反应，造成混凝土中Ca2+减少，强度下降，造成输水渠渡槽的强度破坏，减少使用寿命。

输水渠渡槽为钢筋混凝土结构物，混凝土本身为无机弱碱结构，其碱性环境会在钢筋的表面，形成一层致密的水化氧化铁（Fe2O3·2H2O）薄膜，水化氧化铁为致密惰性结构，能阻止钢筋与空气、水产生化学锈蚀，对钢筋起着良好的保护作用。当混凝土中Ca2+逐渐减少，碱性环境遭到破坏，对钢筋的保护作用也会逐渐降低。当混凝土的碳化层超过钢筋的保护层时，钢筋便失去了碱性环境的保护，表面就会发生锈蚀。当输水渠渡槽产生裂缝时，水中的氯离子和游离氧也会随着裂缝渗入钢筋的保护层，加快钢筋腐蚀的速度。如果不采取措施隔断缝隙渗入的水流，钢筋的腐蚀速度会不断加快，导致钢筋从混凝土层中脱离，失去钢筋支撑的混凝土渡槽，便会遭到结构性破坏，给输水渠渡槽的安全运行带来极大的风险。

3 输水渠渡槽工程裂缝处理方法

由于输水渠渡槽供水的特殊性，在维修湖北省鄂北地区水资源配置工程裂缝时，不能采取停水作业，因此，该工程对于贯穿裂缝和大深度裂缝,需要采取钻孔灌浆的方法。灌浆采用化学浆料，渡槽为预应力混凝土构筑物，打孔的难度较大，因此，注浆时采用在裂缝的骑缝处设置注浆喷嘴的方法，并设置合理的注浆压力，这种裂缝注浆的施工方式，对预应力渡槽裂缝具有良好的效果，并且不会损坏到输水渠渡槽的预应力结构。裂缝处硬化后还需要进一步打磨，贴敷碳纤维布进行加固补强，防止渡槽的裂缝在预应力的作用下继续扩大，减少水和空气对裂缝内部的进一步侵蚀。该工程采用三层碳纤维布对输水渠渡槽进行补强加固，要求碳纤维布贴敷的方向与裂缝的走向垂直，严禁与裂缝的方向重合，碳纤维布的宽度为70cm 左右。

3.1 钻孔灌浆

裂缝注浆材料选用的是环氧树脂浆料，对于深度大于5cm 的裂缝，需要沿缝隙两侧5cm 左右向裂缝打φ=1.4cm，深10cm 的孔，裂缝左右的孔呈梅花形布置，通过孔眼对裂缝双面进行灌浆处理，对于深度小于5cm 的裂缝，需要将裂缝造成深1cm 左右的“V”型沟槽，用高压水枪冲洗干净，再向沟槽填充环氧树脂砂浆，最后用丙乳树脂调制砂浆抹平。对于细小的浅表裂缝，可以通过结晶型水泥防水浆料封闭处理，防止裂缝在内应力的作用下进一步扩大[4]。

3.2 纤维布补强

为了防止输水渠的裂缝继续渗漏，确保裂缝不再扩大，可以选择用纤维布对缝隙进行补强[5]。纤维布补强对施工的环境温度有严格的要求，需要环境温度达到5℃以上。纤维布补强时，为了保证原有混凝土表面保持良好的黏结力，首先需要对原有的混凝土表面打磨处理，然后在磨平的混凝土表面均匀地涂抹树脂基水泥，让混凝土表面充分浸润树脂水泥浆液，最后沿着缝隙的方向贴上宽为8cm 的化纤树脂布。若输水渠渡槽表面有缺损、蜂窝以及空隙时，需要严格将这些地方的表面清理干净，凿除缺损和蜂窝等缺陷，然后用环氧树脂胶黏剂腻子磨平，在保证表面平整的基础上，予以纤维布补强。补强的纤维布除了用化纤树脂布，为了提高补强的效果，还可以用碳纤维布[6]，碳纤维布需要合理地剪裁，并合理地配置胶水。

4 鄂北地区输水渡槽裂缝补强工艺和效果

4.1 裂缝补强施工工艺

输水渡槽进行补强加固前，需要用空压机将注浆孔和施工区域附近的混凝土表面进行清扫，清扫范围应当大于作业范围0.5m 左右。输水渠渡槽加固补强作业前，应先检查设备是否运行良好，技术和施工人员、安全人员是否齐全，器具和材料是否准备充分，施工作业必须取得驻场安全工程师的许可后方可实施[7]。

混凝土裂缝的灌浆作业必须从裂缝的最底部开始，自下而上逐步进行，随着浆液在渡槽缝面内逐步上升，注浆喷嘴也应当随着上移，当浆液液面达到缝隙顶端时，关闭注浆喷嘴，结束注浆作业。注浆压力一般为0.1～0.5MPa，具体压力应当在施工前，通过实地试验确定，注浆压力过小，会使浆液灌注不充分；注浆压力过大，会导致裂缝扩大。注浆过程中，应当让压力逐级提升，初始压力一般设置为0.1MPa 左右，注浆结束后为0.3～0.6MPa。裂缝注浆施工结束后，首先要对灌缝进行检查，观察灌缝处是否出现沙眼、小孔或者气泡，灌缝中是否残留异物。检查完毕后，还需要检测灌缝施工处的密封性能，通过压力试验验证灌缝处的水密情况，保证灌浆材料彻底将灌缝处封闭。检查工作结束后，应当再对灌封材料进行打磨处理，以便注浆部位继续贴敷补强纤维布[8]。

此次施工的碳纤维布补强为三层，第一层碳纤维布涂敷后，必须等待胶液基本干燥后，才能依次进行第二层、第三层纤维布的涂敷补强工作。碳纤维布应当严格按照“一底一布三胶”的方式，依次进行涂敷，严禁将碳纤维布先粘到一起，然后一次性粘贴到输水渠渡槽的表面，这样很容易造成碳纤维布脱落。碳纤维布涂敷时，应注意表面平整无褶皱。碳纤维布涂敷完毕后，还应在其表面涂敷两道环氧树脂浆液，以形成对碳纤维布的保护层。纤维布涂敷补强施工结束后，还应当做好养护工作，防止纤维布脱落，一般来说，养护周期应当在3 周左右。养护结束后，纤维布须在检测合格后才能投入使用，否则要对补强纤维布继续进行翻修或者返工。

4.2 裂缝补强的实施效果

湖北省鄂北地区输水渡槽工程的缝隙处理过程中，采用了钻孔灌浆和纤维布补强联用的技术进行加固。实践证明，该技术的处理效果显著，整个缝隙填补加固工程实施至今，未再发生缝隙扩大、渗漏、补强加固纤维布脱落以及缝隙填充材料剥落等现象，大大节省了输水渠渡槽工程的维修成本，提高了使用寿命，为鄂北地区输水渡槽工程的安全运行，起到了至关重要的作用。

5 结束语

输水渠渡槽因为所用混凝土材料固有的性能，加上设计和施工等因素，产生裂缝是不可避免的，裂缝对输水渠的安全运行有害，并会降低输水渠渡槽的使用性能。输水渠裂缝产生后，需要具体分析产生的原因，了解裂缝产生的程度以及危害情况，结合输水渠渡槽的特点，有针对性地制定科学有效的补强加固措施。这就需要在裂缝的补强加固施工中，选择合理的裂缝处理方法，规范施工工艺，有效提高输水渡槽补强加固作业的质量，提高输水渠渡槽的安全性能，延长输水渠渡槽的使用寿命。