南水北调渠道混凝土衬砌面板裂缝处理研究

何定侹

(中国葛洲坝集团基础工程有限公司，湖北宜昌，443002)

作者简介: 何定侹，男，江西南康人，高级工程师，主要从事施工技术研究。

【摘 要】 南水北调渠道衬砌混凝土面板属于大面积薄壁素混凝土结构，容易出现裂缝，并且由于裂缝受各种因素影响是处于运动状态，采用普通的处理方法会导致裂缝重新裂开。为了保证裂缝处理效果，经过对裂缝形态、运动机理、重新开裂原因进行了研究，并经过多种材料多种工艺的试验和分析，研究出了渠道衬砌混凝土面板裂缝的处理方法。

【关键词】 南水北调; 渠道衬砌; 薄壁混凝土; 裂缝处理; 刻槽

1 概述

南水北调中线干线工程，是缓解我国黄淮海平原水资源严重短缺、优化配置水资源的重大战略性基础设施。输水干线全长1432km(其中天津输水干线156km)。中线总干渠特点是规模大，渠线长，建筑物样式多，交叉建筑物多，总干渠呈南高北低之势，具有自流输水和供水的优越条件。以明渠输水方式为主，局部采用管涵过水。

南水北调中线是一项前所未有的大型引水项目，渠道以复合土工膜为防渗体，表面浇筑8～10cm厚C20素混凝土，渠道坡长均在10m以上，最长35m，属于典型的薄壁素混凝土结构。受昼夜温差、多风、干燥等天气因素以及养护、结构、应力等其他方面因素影响，渠道混凝土衬砌面板极容易出现裂缝。

中线干渠河南段某施工标段，所施工标段渠道全长11.212km，全渠段采用混凝土衬砌，渠道纵坡坡度为1/29000，梯形断面，边坡长19.3～21.3m，坡比1 2，渠坡厚度10cm，渠底厚度8cm，衬砌面板每4m×4m均设置伸缩缝。在渠道衬砌混凝土施工过程中，出现了多种形式的裂缝，因为之前并没有类似的工程，为此施工单位项目部成立了专门的攻关小组，对混凝土衬砌面板裂缝处理进行了专门研究，经过大量分析、试验、总结，终于研究出了成熟的工艺和合适的材料。

2 衬砌面板裂缝的形态和处理原则

根据对结构的影响，衬砌面板裂缝分两大类。一类为对结构有影响，另一类对结构无影响。

2．1 对结构有影响的裂缝

对结构有影响的裂缝主要有以下几种:

(1)地基隆起或塌陷引起的面板破裂。

(2)复合土工膜均已破裂。

(3)伸缩缝热涨过度导致缝边挤碎等。

(4)单块面板内裂缝过多，混凝土面板已经支离破碎。

(5)裂缝过宽，导致混凝土面板、复合土工膜和基面之间有空鼓。

对结构有影响的裂缝处理原则为: 凿除破碎混凝土，消除隐患后重新浇筑。此项处理方法为常规方法。

2．2 对结构无影响的裂缝

对结构无影响的裂缝不需要拆除，本文主要研究对结构无影响的裂缝处理方法。

对结构无影响的裂缝按形态可以分为以下几类:

(1)坡面纵向缝

此类裂缝基本垂直水流方向，长度一般较长，经常自坡面直到坡脚，裂缝宽度一般超过0.4mm，并且在冬夏之前宽度有变化。采用凿开或者超声波探测，深度一般在4cm以上，但受土工膜约束影响，一般不会全部贯通，见图1。

图1 坡面纵向缝

(2)坡脚横向缝

此类裂缝主要受应力集中影响，基本处于坡脚10～20cm高度位置，长度较长，裂缝宽度一般超过0.4mm，并且在冬夏之前宽度有变化。采用凿开或者超声波探测，深度一般在4cm以上。

(3)坡面水平、斜向长缝

此类裂缝数量较少，长度一般为4～12m，裂缝宽度一般超过0.2mm，并且在冬夏之前宽度有变化。采用凿开或者超声波探测，深度一般不超过6cm。

(4)底板长缝

此类裂缝一般较长，超过4m，纵向横向均有，但没有坡面纵向缝直，裂缝宽度一般超过0.2mm，并且在冬夏之前宽度有变化。采用凿开或者超声波探测，深度一般在4cm以上，但受土工膜约束影响，一般不会全部贯通。

(5)短缝

短缝长度小于4m，形状不规则，裂缝宽度一般小于0.4mm，大部分小于0.2mm。采用凿开或者超声波探测，深度一般不超过5cm。

3 裂缝检测

3．1 检测项目

检测项目为裂缝宽度、裂缝深度、裂缝长度。

3．2 检测仪器

检测仪器为裂缝观测仪、带刻度的放大镜、钢卷尺。

4 对结构无影响的裂缝处理方法

因为混凝土面板不是防渗体，不承受结构力，因此，对结构无影响的裂缝不需要补强，也不需要防渗，裂缝处理的目的主要是防止缺陷进一步发展以及造成次生破坏，在处理后不能对水质造成污染。

本工程对结构无影响的裂缝采取表面涂抹、凿槽嵌缝方法。

5 主要机具

电动机具: 电动搅拌器、打磨机、空压机。

手用工具: 钢丝刷、搅拌桶、小铁桶、喷枪、刮刀、毛刷、消防器材等。

6 处理材料与工艺研究

6．1 采用环氧树脂砂浆凿槽修补

针对混凝土面板裂缝，最初采用人工凿槽，再用环氧树脂修补的方法。试验处理的裂缝为坡面纵向缝。

材料性能: 环氧砂浆是以环氧树脂为主剂，配以促进剂等一系列助剂，经混合固化后形成一种高强度、高粘结力的固结体，具有优异的抗渗、抗冻、耐盐、耐碱、耐弱酸防腐蚀性能及修补加固性能。

施工工序为: 人工凿“U”形槽→洗净吹干→涂上稀释后的环氧树脂→槽内填上环氧砂浆→表面刷5～6cm宽环氧树脂。

施工方法为:

①沿裂缝方向凿一个宽25mm、深38mm的“U”形槽沟，槽深为槽宽的1.5倍。

②清除缝内的污物及杂质，并保持缝内干燥。

③为增加老混凝土与环氧砂浆的粘结力，先在槽内涂刷一层环氧基液，其配方为(重量比)环氧树脂100、二丁酯18、乙二胺8～10、并熟化20～30min，然后抹填环氧砂浆，压实压平压光。

处理结果: 裂缝本身闭合良好，在处理完后10 d左右，平行于裂缝的左右两侧20～30cm位置处，出现了两条裂缝。

原因分析: 裂缝形成后，特别是坡面纵向缝等较长的裂缝形成后，裂缝位置对于整个面板来说已经是应力释放点，裂缝本身有轻微的张开和闭合运动，而环氧树脂强度较高刚度较大变形较小，远超过混凝土面板本身的强度，强行将其粘合在一起将导致裂缝两侧出现新的裂缝。

小结: 用环氧树脂等强度、刚度较大，面变形较小的材料进行处理，其性能难于满足要求，因其将产生二次裂缝，即使是采用灌浆方法也是不成功的。

6．2 渗透结晶型水泥基防水材料表面涂刷

因为环氧树脂材料处理不成功，参照桥梁结构裂缝处理的成功经验，对混凝土面板采用表面涂刷渗透结晶型水泥基防水材料处理，其强度、刚度等与混凝土本身较为一致，试图达到对面板重新修复的效果处理裂缝。

材料性能及原理: 水泥基渗透结晶型防水材料是一种刚性防水材料，具有呼吸、防水作用的永久性和独特的自修复能力，安全无毒。与水作用后，材料中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透，在混凝土中形成不溶于水的结晶体，填塞毛细孔道，从而使混凝土致密防水。

施工工序为: 缝表面钢丝刷打磨→洗净吹干→涂刷渗透结晶型水泥基防水材料→养护。

施工方法为:

①防水基面预处理: 除去浮灰、浮浆、油脂等物，冲洗干净; 铲除空鼓、疙瘩以及起皮等疏松部位; 将表面打磨粗糙后用水浸透防水基层。

②制备料浆: 按体积比: 渗透结晶型水泥基防水材料 水=5 2进行配制，搅拌均匀，每次拌料应在25min内用完，使用过程中不得二次加水，料浆用量以干粉计约1kg/m2。

③在缝宽δ＜0.2mm的裂缝混凝土表面直接涂刷，涂刷范围为裂缝两侧各10cm，涂刷一遍，厚度约1mm。

④养护: 当涂层固化到不会被洒水损坏时开始养护，以喷洒水雾为主，保持涂层湿润，养护3d以上。养护主要是促进防水涂层的强度尽早体现、防止开裂、更好地渗透。

⑤施工温度: 施工环境温度不能低于5℃和高于40℃。

处理结果: 长缝基本上在7d左右重新开裂，短缝基本上在1个月左右开裂，只有2m长以内的短缝基本上不开裂。

原因分析: 裂缝形成后，特别是坡面纵向缝等较长的裂缝形成后，裂缝位置对于整个面板来说已经是应力释放点，裂缝本身有轻微的张开和闭合运动，并且面板裂缝属于较宽的裂缝，渗透结晶型水泥基防水材料难于将其愈合。而短缝本身较浅，张开闭合运动较小，渗透结晶型水泥基的渗透效果能够将其愈合。

小结: 用渗透结晶型水泥基防水材料处理短缝是可行的，但渠道裂缝绝大部分是较宽且处于运动状态，渗透结晶型水泥基防水材料难于满足要求。

6．3 柔性水泥基防水材料凿槽处理

渗透结晶型水泥基防水材料处理不成功，主要原因还是难于解决裂缝伸缩变化的问题，因此，处理思路重点转为选用柔性材料来处理裂缝，采用了柔性水泥基防水材料来处理。

材料性能及原理: 柔性水泥基防水材料是一种双组分、高聚物改性的水泥基防水材料，弥补了水泥基刚性防水材料抗拉强度过低、抗冲击强度差的弱点。与普通水泥砂浆相比，具有高强度、高韧性、高粘结性和耐酸碱性、抗渗透性以及低温固化等特点。通过自然蒸发和水化反应干燥成为粘结良好、柔韧、致密的防水涂膜，达到防水的目的。

施工工序为: 人工凿深、宽均为2cm的“U”形槽→洗净吹干→槽内填上柔性水泥基防水材料→表面刷柔性水泥基防水材料。

施工方法为:

①水泥基柔性防水材料涂抹前，基层混凝土强度应不低于设计值的80%。

②基层应平整、坚固、洁净，如果有油污、孔洞等要进行清洗、修补处理。

③施工前，基层面保持基本干燥，无大面积潮湿面时即可施工。

④水泥基柔性防水材料A与B组分按重量比1 1的配比混合，搅拌均匀。搅拌时用砂浆搅拌机或手提电钻配以搅拌齿进行现场搅拌，搅拌时间比普通砂浆要延长2～3min。

⑤在裂缝两侧各10cm范围内涂刷一遍，厚度2mm，表面应压实、抹平。

⑥水泥基柔性防水材料凝结后，进行自然养护，养护温度不低于5℃。未达到硬化状态时，不得浇水养护或直接受雨水冲刷。

处理结果: 4m以上长缝基本上在1个月左右重新开裂，短缝开裂约30%。

原因分析: 裂缝形成后，特别是坡面纵向缝等较长的裂缝形成后，裂缝位置对于整个面板来说已经是应力释放点，裂缝本身有轻微的张开和闭合运动，柔性水泥基防水材料虽然能够适应一部分裂缝的本身变化，但对长期的、频繁的张开、闭合运动还是难于满足要求。

小结: 用柔性水泥基防水材料处理短缝是可行的，但渠道裂缝绝大部分是较宽且处于运动状态，并且其张开、闭合运动是长期的、频繁的，柔性水泥基防水材料对其有一定的效果，但难于满足长期的、频繁的变化。

6．4 柔性水泥基防水材料+玻璃丝布

柔性水泥基防水材料处理不成功，但有一定的效果，为了强化这种效果，因此增加了一层玻璃丝布来进行强化试验。

施工方法为: 人工凿深、宽2cm的“U”形槽→洗净吹干→槽内填上柔性水泥基防水材料→涂刷5～6cm宽柔性水泥基防水材料→贴上一层4cm宽玻璃丝布→涂刷5～6cm宽柔性水泥基防水材料。

处理结果: 玻璃丝布与柔性水泥基粘结效果不好，极容易撕裂，时间一长容易掉下来，在长期水流冲刷的情况下稳定性不确定，难以满足要求。

6．5 聚氨酯防水材料

柔性水泥基防水材料处理不成功，增加玻璃丝布效果也不好，因此要继续选用柔性更好的材料。为此选用了某水利科学研究所试制的双组分聚氨酯防水材料，其柔性更好，弹性更大。

双组分聚氨酯防水涂料施工时，仅需将A、B组分相混合，然后涂于被保护的基面上，混合后涂料中的A、B组分发生反应而固化，即可形成均匀的、富于弹性的防水涂膜。

聚氨酯防水涂料具有以下优点: 涂膜的抗拉强度和撕裂强度高，弹性类似于橡胶具有极佳的力学性能; 耐酸、耐碱、防霉，可以制成阻燃型涂料; 适用温度范围广等优良的化学性能; 与各种材料的粘结强度高，适应能力强; 施工时，操作简便，对于大面积施工部位或复杂结构，可实现整体防水。

聚氨酯防水涂料具有以下缺点: 原材料为较昂贵的化工材料，故成本较高，售价较贵;施工过程中难以使涂膜厚度做到像高分子防水卷材那样均匀一致，为使防水涂膜的厚度比较均一，必须要求防水基层有较好的平滑度，并要加强施工技术管理，严格执行施工操作规程;双组分须在施工现场准确称量配制，搅拌均匀，不如其他单组分涂料使用方便。

施工方法为: 人工凿深、宽1～2cm的“U”形槽→洗净吹干→聚氨酯密封胶配料、拌和均匀→槽内填上聚氨酯防水材料→表面刷4～5cm宽聚氨酯防水材料。

处理结果: 只有极少数裂缝重新开裂，经检查，原因为施工工艺不到位，在加强工艺监管并且重新修补后，未再现重新开裂，达到了处理目的。

7 检查与验收

7．1 检查方法

人工观察。

7．2 验收

根据《南水北调中线干线工程混凝土质量缺陷及裂缝处理技术规定(试行)》，Ⅱ类质量缺陷，由监理组织建设、设计、施工单位，在检查满足有关规范要求后，对处理结果进行验收，并将处理及验收结果报建设单位备案。

目前已经通过通水验收，开始充水。

8 结语

(1)渠道衬砌面板裂缝，若是对结构有影响，必须消除影响结构的因素，并返工。

(2)渠道衬砌这样的薄壁素混凝土出现裂缝后，裂缝位置成了应力释放点，因此采用高强度、大刚度材料去修补是难于满足要求的，容易在周边引起二次裂缝。

(3)渠道衬砌面板裂缝有轻微的张开和闭合运动，并且这种张开、闭合运动是长期的、频繁的，因此要采用柔性很好、弹性很大的材料才能适应这种变形和运动。

(4)渠道长期处于水流冲刷的工况下，裂缝处理材料必须要有很好的粘结力、抗拉力。

(5)经过研究，聚氨酯防水材料能够满足渠道衬砌面板处理的要求。

(6)对混凝土衬砌面板窄裂缝，可以采取表面涂刷或“开槽+表面涂刷”的方法处理，对较宽的裂缝，尽量采用“开槽+表面涂刷”的方法处理，这样更能保证弹性的充分伸展。在裂缝较多的位置最好整体涂刷一遍，这样一方面保证了整体的弹性，另一方面又使整体较为美观。

(7)施工工艺对处理效果有较大的影响，在处理过程中严格注意基底清理、表面清洗、材料配合比和拌和等工艺，施工过程中必须严格工艺作风，以确保质量。