現澆混凝土渠道施工期凍脹原因及預防措施

范繼友，劉廣輝，任澤儉

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109）

南水北調濟南至引黃濟青明渠段工程呈東西走向，全長111.26km，其中，混凝土現澆襯砌渠道長76.7km，沿小清河新辟梯形明渠，渠底寬9.1～13.5m，渠內坡 1∶2.25，外坡 1∶2.0，渠道縱坡1/18000，采用全斷面現澆混凝土防滲襯砌。設計流量為50m3/s，加大流量為60m3/s。

渠底采用中粗砂反濾盲溝+透水管逆止排水防揚壓，渠底縱向伸縮縫沿輸水渠方向布置。橫向伸縮縫垂直于輸水渠軸線布置，長度與輸水渠橫斷面輪廓相同，渠底橫向伸縮縫每隔3.5m設置一條，渠坡每隔28m設一道橫向通縫，其余伸縮縫均為半縫，切縫深度6cm，縫寬均為1cm，渠道襯砌采用C20W8F200素混凝土。

1 渠道混凝土襯砌型式及施工工序

1.1 結構型式

明渠段全斷面機械現澆高性能混凝土面板防滲渠道，混凝土襯砌結構型式分為兩種：型式Ⅰ為板下換填砂礫石墊層防凍脹、渠底碎石盲溝逆止排水防揚壓；渠道襯砌自下而上鋪設10cm厚中粗砂、10cm厚碎石墊層（渠坡碎石墊層為5～30cm），現澆C20厚20cm高性能混凝土面板。型式Ⅱ為渠坡鋪設聚苯乙烯泡沫板、渠底換填碎石墊層防凍脹，渠坡暗管逆止排水防揚壓；渠坡襯砌自下而上鋪設聚苯乙烯泡沫板保溫、PE復合土工膜防滲，現澆8cm厚高性能混凝土；渠底自下而上鋪設10cm厚中粗砂、10cm厚礦石墊層，現澆C20厚10cm高性能混凝土板。

1.2 機械化襯砌施工工序

明渠段渠道主體工程共分9個施工標段，其中1～7標段為全斷面混凝土襯砌。2011年2月18日開工，3月下旬開始渠道試驗段襯砌，5月開始渠道襯砌全面施工。渠道襯砌主要施工工序為：渠床削坡、砂石料鋪設及碾壓、襯砌機現澆襯砌混凝土、襯砌板養護及割縫。

2 襯砌渠道凍脹裂縫情況及原因

2.1 襯砌渠道凍脹裂縫情況

2012年1月下旬（春節前后），施工2標段、5標段均為襯砌型式I，已澆筑成型的部分渠底混凝土板有凍脹上浮現象，與渠坡混凝土板縱向分縫處出現錯臺、渠底襯砌板抬高，最高處高出3cm，個別部位渠底襯砌板因凍脹壅高，出現縱向（順渠道方向）裂縫，縫寬約1mm。渠底襯砌縱向上分為三幅，三幅全部襯砌的，兩邊幅部分襯砌板中間受凍漲向上隆起、裂縫，均為順渠道方向裂縫，中幅板基本沒裂縫；渠底只澆筑兩邊幅板中幅未澆筑的，基本無裂縫。個別渠坡襯砌在位于坡腳上1m左右，出現順渠道方向裂縫，大部分位于渠坡陰面。換填砂礫料墊層較厚的渠坡襯砌未出現凍脹（樁號27+766～30+093段），該段渠坡中粗砂墊層厚度為10cm，碎石墊層厚為30cm。

施工3標段襯砌型式II渠坡襯砌在坡腳以上30～50cm范圍內出現縱向裂縫，一般在渠坡陰面，縫寬1.0～1.3mm，渠坡陽面裂縫較少。

施工1標段地下水位較高，渠內水深約為1.5m，渠底無凍脹，其余標段渠內無水。施工4、6、7標段冬季之前未進行渠底襯砌，渠坡基本無凍脹裂縫現象。

2.2 凍脹原因分析

對凍脹破壞的渠底襯砌板拆除、探查發現：渠道襯砌砂礫料墊層厚度滿足設計要求；襯砌混凝土板頂面以下凍土深度達40～50cm，砂礫料墊層凍結成塊，砂石料墊層底以下凍土厚度達10～20cm；地下水位距襯砌混凝土板頂面約50cm。根據檢查情況和當時氣象條件，初步分析產生凍脹破壞原因如下：

1）特殊氣候條件影響。根據工程沿線氣象資料，2012年冬季（2011.12～2012.2月）氣溫比常年低，低溫持續時間長，1月22日～25日連續4d最低溫度低于-10℃，最低為-14.4℃，為30年一遇嚴寒天氣，凍土深達到50cm；冬季雨雪較多，雨雪水沿渠坡會流至渠底，通過渠底與渠坡的施工縫及渠底襯砌板切割縫斷裂處滲入砂石料墊層（切割縫大部分還沒有填膠），同時遇到低溫，使墊層凍結，持續寒冷凍層加厚，造成墊層和地基土凍脹。

渠底地基及墊層發生凍脹后，渠底襯砌板受兩側坡腳處渠坡襯砌的約束（渠底、渠坡全部襯砌完成后，相當于全部封閉的倒拱底板，地基凍脹變形產生約束力），產生約束應力，造成分縫處錯臺、渠底及渠坡襯砌板裂縫等凍脹破壞。渠底襯砌板未澆筑或未全部澆筑的則不產生約束應力，未發生凍脹破壞。

2）地下水位影響。通過現場探查、觀測，出現凍脹段地下水位較高，水位在砂石墊層以下約20～40cm，持續寒冷低溫，凍結緣逐漸加厚，地下水通過毛細管上升，滲入砂礫料墊層，逐漸使墊層結凍、地基土凍脹，發生凍脹破壞。

3）地質因素影響。部分渠段渠坡中間位置及渠底存在連續或間斷的黏土層，黏土層中含水量較大，在持續低溫條件下，水分受凍結、滲透作用滲入砂石料墊層中，使砂礫料墊層和地基土凍脹，直接導致襯砌面板凍脹破壞，襯砌板出現凍脹裂縫。

3 預防及處理措施

3．1 地下水位要求

對渠底、渠坡全斷面襯砌完成的渠道冬季蓄水保溫，防止凍脹，對地下水位較高的渠段蓄水位應高于地下水位。

3．2 渠底渠坡襯砌施工注意事項

若冬季不能蓄水保溫，應科學安排渠底、渠坡襯砌施工的時間順序，或渠底襯砌不全部封閉，避免冬季因凍脹渠底、渠坡相互約束產生應力，造成破壞。渠道襯砌應及時割縫，施工縫和切割縫按要求及時充填聚硫密封膠等止水材料，防止滲水。

3．3 渠坡黏土夾層帶處理

為防止渠坡黏土夾層凍脹，宜將渠坡上富含水分的黏土夾層帶適當多清除，增加換填墊層厚度，提高排水、防凍脹效果，特別是陰坡。

3．4 渠底襯砌板凍脹抬高、錯臺處的處理

渠底襯砌板凍脹抬高、錯臺的，隨著溫度升高一般逐漸恢復到位，影響不大。對個別地方抬高仍較大的（抬高1cm以上），整塊板全部斷裂的拆除重新澆筑。

3．5 未貫通的裂縫處理

對未貫通的裂縫，根據裂縫類型試驗確定處理方案，待氣溫適宜時進行裂縫處理，以滿足工程安全及使用要求。

4 結語

機械化混凝土襯砌是一種較先進和經濟實用渠道工程施工工藝，應用越來越廣泛。大型渠道襯砌工程施工周期長，有些工程項目需要跨冬季、雨季施工，由于工程的水文氣象、地質條件、運行工況不同，根據襯砌渠道工程項目的特點，需要不斷探索越冬保溫措施、科學施工工藝和預防凍脹破壞方案，才能確保工程安全。