引水隧洞衬砌混凝土裂缝原因及对策措施技术

引水隧洞衬砌混凝土裂缝原因及对策措施技术

唐亚运

中国水利水电第五工程局有限公司  四川成都610000

摘要：随着现代化水利基础设施建设的推进，隧洞工程在引水、排水领域扮演着越来越重要的角色。然而，隧洞衬砌混凝土裂缝是影响工程使用寿命的关键因素。裂缝并非单一因素所致，而是多重因素交织作用的结果。基于此，本文深入分析了引水隧洞衬砌混凝土产生裂缝的原因，并以问题为导向提出降低引水隧洞衬砌混凝土裂缝风险的策略。

关键词：引水隧洞；衬砌混凝土；裂缝；产生原因；应对策略

引言：近年来，随着我国水利工程规模的不断扩大，隧洞建设面临更加复杂的环境与工艺要求。根据《水利工程质量管理规定》中的相关要求，工程团队需注重工程全生命周期的风险防控，在隧洞衬砌混凝土施工过程中，裂缝会影响工程安全，还可能带来长期的维修养护压力。因此，施工精准识别裂缝成因并采取有效对策，具有重要的实践意义。

一、引水隧洞衬砌混凝土产生裂缝的原因

1.设计细节疏漏，裂缝初见端倪

引水隧洞衬砌混凝土裂缝，往往源于设计阶段的细节疏漏。设计过程中，若未充分考虑地质条件、地下水变化及温湿度波动因素，可能导致混凝土在实际使用中应力均匀，进而诱发裂缝。设计隧洞时未能精准预测衬砌结构的变形、收缩和膨胀行为，会导致部分区域应力集中，形成裂缝[1]。除此之外，对混凝土材质的选择与配比的考虑不足，同样会影响其抗裂性能。若施工团队未能有效控制混凝土的配合比，水泥、骨料和水的混合比例不当，会导致其在硬化过程中出现裂缝。设计之初忽视衬砌的温度变化对混凝土硬化过程的影响，会加剧温差引起的内应力，造成裂缝。在引水隧洞的设计过程中，结构的刚度与柔韧性之间的平衡也是一个重要因素。设计者若未充分评估地下水渗透、衬砌与土体之间的相互作用，会造成衬砌抗渗性不足，水压作用下混凝土的微小裂缝逐渐扩展，最终形成明显裂缝。

2.施工工艺偏差，结构暗藏隐患

在施工过程中，若施工人员未严格按照设计图纸和施工规范执行，会造成结构强度不均，进而诱发裂缝。混凝土浇筑过程中，如果施工人员对材料的拌制、运输或浇筑操作不到位，混凝土搅拌不均匀或浇筑速度过快，会形成局部密实度不均，进而导致微裂纹。另一方面，施工过程中混凝土的养护不到位，对温湿度控制不严格，也会加剧混凝土内部的收缩变形，易使其表面出现裂缝。除此之外，衬砌结构的接缝处理不到位也是一大隐患。如果接缝部位施工质量存在疏漏，接缝的结合处便会成为裂缝的萌发源。施工过程中对混凝土振捣不足同样是一个不容忽视的问题，若浇筑混凝土后未及时进行充分振捣，可能存在气泡或空隙，降低衬砌层的整体密实度，为裂缝的形成创造条件。

3.外部荷载突变，裂缝逐步扩展

当隧洞所处的地理环境发生变化，或是受到突如其来的外部力量作用时，混凝土结构便可能经历急剧的应力集中，产生裂缝。隧洞长期使用过程中，地质环境的变化或外部荷载的增加，会在结构内引发不可忽视的应力波动。当隧洞周围的地基沉降，水流压力波动，或是临近工程的开挖作业，都会瞬间改变原有的应力分布[2]。这些突变带来的荷载变化，会造成衬砌混凝土局部超载，引起应力过大、裂缝逐步扩展。混凝土作为脆性材料，承受突变荷载时，内部会产生应力集中现象，在应力传递较为集中的区域，微小裂纹会迅速发展为显著裂缝。除此之外，混凝土荷载突变往往伴随着塑性变形与收缩不同步，加剧裂缝的扩展，在荷载波动持续作用下，裂缝进一步扩大，导致衬砌的结构失稳，从而影响整个引水隧洞的安全性。

4.长期环境侵蚀，增加修复难度

随着时间的推移，环境因素对隧洞衬砌混凝土的持续侵蚀会导致裂缝扩大。引水隧洞的混凝土长时间暴露在湿润、高温及化学介质的环境中，逐渐发生物理与化学变化，极大地增加裂缝的形成与扩展风险。水分的持续渗透，逐步溶解混凝土中的水泥基质，导致其结构强度下降，变得更加脆弱。在水流、地下水外部环境的作用下，混凝土的表面会发生溶蚀、侵蚀现象，微观结构发生变化，这些外部表现就是形成裂缝的内在条件。除此之外，温度变化引起的热胀冷缩效应，会对混凝土的结构产生反复拉伸压缩作用，加剧混凝土表面与内部的裂缝扩展。在极端气候变化的影响下，混凝土表面产生的微裂缝会因为水分渗透而迅速发展，形成更加显著的裂缝网络，进一步削弱结构的稳定性。长期的外部环境作用，加速裂缝的扩展速度，让原本微小的裂缝逐渐扩大，增加修复难度，影响隧洞的耐久性。

二、降低引水隧洞衬砌混凝土裂缝风险的策略

1.优化结构设计，消除源头隐患

合理的设计能够确保衬砌结构的力学性能，还能有效避免因设计不当而引发的裂缝问题。设计阶段需要充分考虑地质条件、地下水位、温度变化以及隧洞的使用环境等多方面因素[3]。设计人员应当综合分析这些因素，力求设计出最适合当前环境的结构，确保结构各部分应力分布均衡，以防局部应力集中造成裂缝。

施工团队在实际操作过程中，承担着将设计方案落地并实施的责任，必须紧密配合，确保设计理念准确无误地转化为实际工程。衬砌混凝土施工的首要任务是严格遵循设计要求，避免因操作偏差导致裂缝。施工团队应全面评估现场的地质情况与水文特征，合理调整施工方案。在设计中已经预见到的收缩、膨胀或变形问题，在实际操作中施工团队需重视这一问题，确保混凝土的浇筑、振捣与养护符合设计标准，避免因混凝土浇筑不均匀或过度振捣引发微裂缝。为确保施工质量，施工团队要密切关注衬砌各部分的应力分布与温度变化。在温度较高或水位较深的隧洞中，混凝土可能产生收缩膨胀，因此在浇筑过程中，施工团队需要采用温控措施，控制温差引起的裂缝。除此之外，接缝的处理尤为关键，施工团队必须对接缝部位进行精细操作，避免接缝错位，确保混凝土之间连接紧密，减少因接缝不良引起应力集中。

2.规范施工流程，保障工程质量

施工流程的每一环节都是确保工程质量的关键，严格管理施工流程，能有效减少施工过程中的不确定因素，避免因操作不当引发裂缝。规范施工流程能够确保各项施工操作按时高质量完成，保证混凝土的浇筑、振捣、养护工序都达到设计要求，防止因细节问题导致衬砌结构隐患积累。制定标准化施工流程能有效减少人为因素的干扰，提升施工团队的整体作业效率，最终实现裂缝风险的最小化。

在具体施工过程中，施工团队应按照规范要求执行每一环节，在混凝土浇筑养护阶段，施工团队必须严格遵守时间、环境、操作方面的控制要求。混凝土浇筑前，施工团队应对施工现场进行详细检查，确保基础底面模板的清洁，避免杂物影响混凝土的附着性。浇筑过程中，施工团队要按规定的配比严格调配混凝土，确保混凝土均匀、密实，避免因材料质量不合格或配比不当导致混凝土出现空隙。浇筑完毕后，施工团队应及时进行振捣作业，保证混凝土的密实度达到设计要求，减少因孔隙气体滞留造成的弱点。混凝土养护阶段同样不可忽视，施工团队可以根据外部环境合理调整养护方法。在高温环境下，施工团队要增加养护频次，避免因混凝土水分蒸发过快而产生裂缝；而在寒冷季节，应采取加热措施，避免低温造成混凝土冻结，影响混凝土强度。除此之外，施工团队还需要抽查混凝土的硬化情况，确保所有结构部位的密实性达到设计要求，最大程度避免裂缝。

3.加强荷载监测，化解应力风险

引水隧洞长期运行过程中，会受到水流压力、温差变化多种因素的共同作用，导致混凝土结构应力均匀。若荷载变化较大或不均匀，容易造成混凝土衬砌的裂缝[4]。因此，加强荷载监测，及时发现并识别潜在的应力过载情况，是防止裂缝出现并控制其扩展的关键手段。荷载监测能够准确获取隧洞内部的应力状态，为进一步的修复作业提供数据支持，确保结构的稳定性。

施工团队可以建立精细化荷载监测系统，实时监控隧洞内外的压力与应力变化。施工团队需确保这一系统覆盖隧洞的关键部位，并部署高精度的应变计、压力传感器和无线数据传输系统，保证荷载监测信息的准确性。在布设监测设备时，施工团队应根据隧洞的形态、材料属性以及结构特点确定传感器的位置，重点监控可能出现应力集中的区域。施工团队需配备专门的监测团队，对数据进行实时分析，发现可能的荷载异常变化，立即采取有效措施进行干预调整。在荷载监测的过程中，施工团队还应结合隧洞的使用情况，定期进行回顾分析，识别可能存在的长期应力积累问题，并对于在监测中发现的应力异常，立即进行详细的模拟分析，制定应对方案。施工团队建立健全的荷载监测与预警机制，能够及时感知隧洞衬砌混凝土的受力状态，并依据荷载变化对施工过程进行相应的调整，降低裂缝风险。除此之外，施工团队还应建立多级应急响应机制，一旦发生应力超标或荷载不均的情况，迅速采取有效措施，防止裂缝扩展，最大程度确保结构的完整性。

4.选用抗裂材料，抵御环境侵蚀

在引水隧洞的衬砌混凝土工程中，选用抗裂材料能够有效降低裂缝风险。随着时间的推移，隧洞内外环境的变化，会对混凝土产生侵蚀效应，进而影响其结构稳定性。施工团队使用抗裂性能强的材料能够有效提升混凝土的耐久性，减少环境因素对结构造成的损害。

施工团队在选用抗裂材料时，应依据项目的具体环境条件、施工难度及长远耐久性要求确定混凝土配比。在水压较大或湿度较高的隧洞中，施工团队可以选择具有防水、抗渗透性的特殊水泥与添加剂，以提高混凝土对外界环境的适应能力。为确保抗裂效果，施工团队需严格控制原材料的质量，确保水泥、骨料以及添加剂符合设计要求，并进行必要的配比优化。除此之外，施工团队还需引入高性能纤维材料，增加混凝土的抗拉强度，有效提高其抗裂性能，减少由于结构自重或温差变化产生的微裂纹[5]。施工过程中，施工团队需要严格按照抗裂材料的技术规范进行搅拌混凝土，确保混凝土的均匀性。施工团队可以对材料性能进行针对性检测，确保选用的抗裂材料能够达到预期的抗裂效果。同时，施工团队应在浇筑过程中加强对施工工艺的监控，避免因操作失误而影响材料的性能。

结束语：引水隧洞衬砌混凝土的裂缝问题是结构安全的严重隐患，也是影响隧道长期稳定性的关键因素。面对复杂的施工环境，施工团队需要深入理解各类技术细节，并根据不同项目的实际情况灵活调整策略。面对日益严峻的施工挑战，施工团队应借助新型材料、科学管理和精密监测技术，提高衬砌混凝土裂缝的风险控制水平，推动行业进步。

参考文献：

[1]陈成锋,罗小成.浅析平底圆形引水隧洞衬砌混凝土裂缝控制方法[J].水利建设与管理,2024,44(08):40-47.

[2]张建斌,李得超,赵海龙.引水隧洞现浇混凝土衬砌结构裂缝防治技术[J].水利规划与设计,2024,(04):140-146.

[3]李翔宇,王晓兴,王祝国,赵斌,王海军.长期运行引水隧洞开裂衬砌受力影响规律与承载特性[J].水电能源科学,2024,42(01):106-110+133.

[4]王红帅.北疆某长距离地下引水隧洞衬砌混凝土裂缝原因探讨[J].水利技术监督,2021,(11):7-10+18.

[5]武荣成,陈杰.高寒地区水电站引水隧洞衬砌混凝土裂缝的控制[J].云南水力发电,2021,37(10):36-40.