现浇砼防渗衬砌渠道裂缝原因初探及对策

1.概述
农业灌溉用水约占全国总用水量的63%，不论从节水潜力还是用水比重考虑，建设节水型社会的重点是农业灌溉节水，而农业灌溉节水的重点又在大型灌区。大型灌区节水的主要措施之一就是渠道防渗。在大中型灌区骨干工程改造中，砼渠道防渗衬砌，由于其适应性广、耐久性好、糙率小，抗冲性能和防渗效果好而成为目前普遍采用的一种节水工程措施，现浇砼衬砌渠道更是由于结构缝少、造价底、机械化程度较高而被广泛应用。但运行中发现，约30%的现浇砼渠道在5年左右就出现裂缝（严重的1～２年），裂缝漏水不仅削弱了节水效果，减少了使和寿命，而且成为灌溉管理的安全隐患。因此在设计和施工中必须针对裂缝产生的原因，提出相应的对策，以减少裂缝数量和裂缝发生的程度，延长使用寿命，发挥更大效益。
2.砼现浇渠道裂缝的形式和特点
现浇砼衬砌渠道裂缝具有砼工程裂缝的共性，又有不同于大体积砼裂缝的突出表现。裂缝一经形成，就很难自身愈合。
根据现场调查，渠道裂缝多出现在尺寸较大的现浇砼板顺水流方向，缝位一般在渠道坡板坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部；冬季积水或行水的渠道，一般出现在水面附近的坡板上。这些裂缝多呈弯曲线状，坡板上裂缝严重的呈折断破坏状态．
在现浇砼渠道中，温度裂缝和拉裂缝一般呈发散状。裂缝表现为指向渠顶偏离渠坡的法线，这些裂缝往往和基土冻胀同时发生，形成冻胀裂缝。
另外，在东西走向的渠道中，阴、阳两坡裂缝表现有很大的差别，阴坡裂缝较阳坡裂缝更厉害、更复杂。
3.现浇渠道裂缝原因分析
通过多年的观测实践，认为造成裂缝产生的根本原因在于：砼由于受自身及外部介质环境的影响，在温度、湿度变化和周边、基础约束的作用下，会产生很大的约束应力，容易产生裂缝；在现浇砼渠道衬砌中，水泥砼属于薄壁轻型钢性结构，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形和不均匀变形的能力较差。所以，从结构和运行环境分析，现浇砼渠道裂缝主要是由冻胀压力及温度应力产生的，局部裂缝问题可能与施工质量和基础稳定性有很大的关系。
3.1冻胀压力：在冻胀力作用下，破坏情况归结起来有下面几种：
⑴砼防渗材料具有一定的吸水性和空隙率，又经常处在有水的环境中，因此材料内总是会有一定的水分，这些水分在低温下冻结成冰，体积发生膨胀，当膨胀作用引起的应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂缝，形成渗水通道，加大渗水量，使下一个负温冻胀更为加剧。同时渗水在负温下会发生冻结而造成土体膨胀，局部膨胀使砼衬砌开裂，隆起而折断。据西北水科所在冯家山灌区渠道上进行的试验，当最低气温为-12℃时，阴坡板以下20～25cm处地温为-6.7℃，处于冻结状态；且温度分布是边坡上下两端高中间低。所以裂缝多集中在坡板１/２左右范围内。
⑵在冬季，砼衬砌板与渠床基土冻结成一体，共同承受着冻结力、冻胀力以及砼板本身收缩产生的拉应力，当这些应力大于砼板在低温下的极限应力时，板体就发生破坏、开裂。
⑶在地下水位高于渠底的冻土地带，当砼与基土冻结在一起后，由于冻土出现裂缝，砼板亦可能因此而被拉裂。
⑷在冬季，渠内存水并结成较厚冰层的情况下，冰面附近渠坡含水量较高，水分补给充分，冻胀量较大，但砼衬砌板的冻胀上抬受到冰层一侧的限制，因而可能在冰缘线处受弯出现裂缝或折断。
3.2温度应力：由于渠道本身的凹槽形式和坡面走向不同，造成了断面上各部位的日照、风情和表面温度状况有很大差别。当砼板块较大，不能适应温度收缩变形时，将会由于温度应力造成纵向和横向的裂缝。根据工作中观察，南北走向的渠道，阴阳两坡受日照、风情等影响因素基本相同，因此两坡的裂缝规律基本一致；但东西走向的渠道，阴阳两坡受日照因素的影响，断面上各点的温差较大。东西走向的渠道在冬季，断面上各点的冻结深度和冻胀量很不均匀，阴阳两坡由于受冻深和冻胀量差别的影响，裂缝情况差别较大，阴坡较阳坡更容易破坏，裂缝渗水情况相对严重；在夏季不行水时，砼板面一日之内温差较大。据宝鸡峡灌区曾在渭高抽段试验记录，当气温从20.5℃增高到40℃时，砼板面（阳坡）温度由23.7℃增长到58℃，温差达34℃左右（板下层22℃）。综上所述，温度应力是砼现浇渠道的一个重要的破坏因素。
3.3基础沉陷：在工程地质不稳定地区，基土滑移、沉陷等也是导致渠道砼板裂缝的重要原因。当地质滑动拉力超过砼抗拉强度时就会产生拉裂；填方或黄土湿险地段，基土沉陷使衬砌板架空、断裂。宝鸡峡灌区98km塬边渠道这种现象较为明显。
3.4设计施工方面的原因：设计方面主要是结构形式及防冻措施不科学，抵抗变形差。施工方面一是水灰比控制不好，由于运距长，砼尺寸小，沿途水分蒸发渗漏，导致入仓砼水灰比过小或过大，过小难振捣不密实，过大振捣中易出现塌落裂缝；二是坡板施工时，滑模长度不够，上部振捣引起下部塌落裂缝，如水灰比过大，更易发生裂缝；三是改造渠道在停水间隙施工，刚一停水就施工，基础土含水率大，夯填不密实，加大了冻胀应力，必然产生纵向裂缝，特别易发生在坡脚附近。四是对撒落砼料不回拌合机重新拌合，直接入仓不能保证砼板的有效厚度，抗局部应力差，导致裂缝。
4.减少裂缝的防治对策
4.1从设计方面优化断面结构。就是在设计时采用新材料，新工艺、新技术，确定合理的断面形式和尺寸，使其具有削减冻胀和温度应力的能力。根据《渠道防渗工程技术规范》SL18-91和《渠系工程抗冻胀设计规范》规定，对标准冻深大于30cm的地区必须进行抗冻胀设计，判断是否采取防治冻胀措施。设计中常采用的防治裂缝措施如下：
⑴按渠道流量确定设计断面结构。对于设计流量大于9.0m3/s的大中型渠道，选择弧形坡脚梯形断面或梯形断面；渠道设计流量在3～9.0m3/s时，选择弧形坡脚梯形断面或弧底梯形断面；渠道设计流量在1～3m3/s时，选择弧底梯形断面或“U”型断面；渠道设计流量小于1.0m3/s时，选择“U”型断面。
⑵根据需要增设防渗（隔水）、排水设施。如采用砼板下铺设塑料薄膜或复合土工布的板膜复合防渗结构，并在坡板顶加设封顶板，防止渠水、雨水灌入；加强排水，降低地下水位等。
⑶现浇砼板采用肋形板、楔形板或中间加厚板。
⑷现浇砼渠道应每隔５～８ｍ设一道横向伸缩缝和纵向伸缩缝，缝宽不宜小于1.5cm，缝内填塞沥青油膏或聚氯乙烯等能适应结构变形、粘结力强、防渗性能好的填料灌实。
⑸对于冻土和淤泥基础应进行换填处理，基土压实系数不小于0.95。
4.2通过调整砼配比，添加粉煤灰、减水剂、引气剂等改善砼性能，提高自身抵抗外界环境危害因素的能力。工程实践证明，由于“粉煤灰效应”，粉煤灰砼的密实度、最大抗压强度、抗弯与抗拉强度、收缩性、抗渗性均好于普通砼，并且可节约水泥，减少工程投资10～20%。
4.3采用预制装配法衬砌渠道。随着填缝材料性能的不断提高完善，预制装配方案愈受重视。预制装配法的优点是受气候条件的影响小，砼质量容易保证，可以工厂化生产，特别是在已成的渠道上施工，能减少施工与行水的矛盾。
4.4加强施工质量监督和运行管理。高标准的施工质量是实现完美设计的唯一途径；科学的管理是延长渠道使用寿命的重要法宝，要尽早的发现裂缝，并在裂缝早期采取补强措施，以防事态扩大。我们要本着“以防为主，防重于修，修重于抢”的原则，加强运行管理，确保渠道长治久安。