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地下工程防水的“概念設計”方法
發布時間：2014-08-09
近十幾年來地下工程建設飛速發展 ,尤其是國內外的土木界非常重視我國專家最近提出的“地下空間可持續發展”概念 ,即認為２１世紀是人類大力開發、利用地下空間的世紀 ,地下工程防水技術也變成了學術界和工程界十分關注的熱點問題。大量工程實踐證明 ,一個地下工程項目的成敗 ,在很大程度上取決于對地下水治理的效果如何。這其中涉及到防水設計、防水材料、施工工藝以及巖土環境條件和地下結構構造等多方面因素的合理選擇及相互協調。因此 ,盡管國內外的一些學者及工程技術人員投入了大量的精力、物力和財力 ,從防水技術可能涉及的各專業領域分別進行了深入研究 ,也取得了豐碩的成果 ,但由于地下工程本身的特點及防水技術還涉及很多從目前的理論及技術發展水平來說不易很好定量控制的因素 ,仍然有很多工程甚至是重要的地下工程存在滲漏水隱患或已導致事故。鑒于此 ,筆者在分析現有技術條件特點的基礎上 ,提出了地下工程防水的“概念設計”方法 ,具體思路是 ,對于常規防水設計無法恰當地綜合考慮的因素 ,如某些環境因素、施工技術因素、防水材料特性以及上述諸因素與設計方案的適應性等 ,要從其物理概念出發 ,定性或半定量地分析它們之間的相互影響關系 ,進而找到一個平衡點 ,使之達到最大程度的協調即匹配 ,最終獲得最佳的防水效果。以下就從分析防水技術應用中存在的問題出發 ,詳細闡述防水“概念設計”的原理及方法。１地下工程滲漏水病害分析
就目前我國地下工程滲漏水病害現狀來說 ,主要存在以下幾方面的問題 :
１．１設計因素
(１)由于對地下水的運動規律認識不足 ,工程防水標高確定不合理 ,再加上忽視了上層滯水危害 ,該設防的未予設防 ,從而造成工程滲漏。
(２)防水層的受力分析不能滿足工程要求。例如防水設計中 ,防水涂料保護層往往被設計成防水涂膜層上撒砂作為與砂漿的結合層 ,對于１．５ｍｍ厚的防水層來講 ,當砂漿達到一定強度后 ,往往形成一塊帶有許多突出毛刺的硬板面 ,在外力作用下 ,防水薄膜很容易被刺穿。
(３)選用的防水方案沒有考慮到當時的使用條件 ,如果與本工程的結構特點不相適應 ,也將造成工程滲漏水。如地下通廊的設計中一般只取通廊的橫斷面計算 ,縱向均為構造配筋。因此長達幾十米的通廊剛度較小 ,雖然設置了變形縫 ,但混凝土仍出現環向裂縫而漏水。
(４)結構細部防水設計不詳細。如變形縫、穿墻管等細部構造不當 ,以及選材不妥 ,使之成為地下工程滲漏水的主要隱患。
(５)不能因地制宜地選擇防水或堵漏方案 ,片面地采用全堵法或灌漿法 ,造成堵漏失敗。
(６)周圍環境變化造成滲漏。勘察時地下水位較低 ,因而沒有考慮防水措施 ,工程建成后 ,由于生產用水或生活用水排放不當或管道滲水 ,從而造成滲漏。
(７)對地下水的浮力作用認識不足 ,施工中沒有采取足夠的抗浮措施 ,造成地下工程整個浮起斷裂或部分浮起斷裂而造成滲漏。
１．２材料因素
(１)隨著商品混凝土的推廣應用 ,防水混凝土配制原則難以實現。特別是泵送混凝土塌落度較大 ,水灰比往往超過限值 ,有的則以增加水泥用量的方法來滿足大塌落度的要求 ,對施工要求更高 ;否則由于混凝土收縮增大 ,易出現裂縫而造成滲漏。
(２)對新型防水材料的性能、作用和如何應用認識不清。如在防水混凝土中不管是礦渣水泥還是普硅水泥 ,都機械地應用ＵＥＡ復合膨脹劑、明礬石、膨脹水泥等 ,施工養護仍按傳統施工工藝 ,未能取得預期效果。
(３)材料質量達不到設計要求造成滲漏。十多年來 ,我國的建筑防水材料發展很快 ,但在地下工程特殊環境下使用尚有局限性。
(４)材料選擇忽視工程特點 ,例如建筑拒水粉用于地下工程 ,由于拒水粉防水原理與地下工程防水不相適應而造成滲水。
１．３施工因素
(１)地基產生不均勻沉降 ,造成結構斷裂。
(２)防水卷材粘接不牢 ,拐角、留槎接槎處理不好或防水層碰傷等而造成滲漏。
(３)澆注防水混凝土時 ,只注重級配和外加劑而忽略了施工質量 ,水灰比控制不嚴 ,振搗不實 ,產生蜂窩、麻面、孔洞等而造成滲漏。
(４)變形縫或穿墻管等部位的施工 ,未認真將橡膠止水帶、塑料止水帶部位進行定位 ;澆注兩側混凝土時 ,任意碰撞 ,形成止水帶偏斜、搭接不良而造成滲漏。
(５)對混凝土澆水養護不夠。防滲混凝土規范要求澆筑１０～１２ｈ后 ,至少澆水養護１４ｄ。拆除模板后的澆水養護更為重要 ,它可以大大減少硬化收縮 ,從而提高混凝土的強度 ,否則易產生干縮裂縫而滲漏。
(６)回填土質量的好壞對地下工程的防水性能有很大的影響。當回填土不密實時 ,由于大氣降水和周圍地表水的補給 ,回填土層就會形成含水量大的上層滯水層。這層滯水對工程產生靜水壓力 ,如遇防水薄弱環節 ,則易造成工程滲漏。
(７)地下工程的外墻防水難度大 ,因外墻距基坑護壁距離小 ,使防水施工困難。
１．４其它因素
(１)對防水工程的認識問題。防水工程作為主體工程的子工程 ,對其重要性往往認識不足。
(２)防水造價是影響防水工程質量的一個因素。
(３)管理不當造成滲漏。
(４)監理人員對防水不熟悉。
２地下工程防水“概念設計”法
為了依靠現有的防水理論、技術條件有效地解決上述各種問題 ,筆者認為需要引入一種貫穿于設計、施工甚至隱患治理等各個階段的全新的防水設計思想 :以地下工程防水涉及的主要物理過程或現象為基礎 ,通過定性或半定量的物理概念來判斷各主要防水影響因素在某一具體工程中的重要性地位、相互間的適應性關系 ,最后決策設計方案、材料選擇、施工工藝過程以及地下結構主體之間的協同工作或匹配問題。當然在操作中 ,這兩個步驟是相互滲透并交織在一起進行的 ,這里暫且把它稱為“概念設計”方法。該方法的實質就是以物理概念為起點 ,因素匹配為手段 ,因素共同作用為目的 ,其中又以各主要影響因素之間的匹配問題最為關鍵。所以下面主要就匹配問題展開論述。匹配 ,顧名思義就是兩者之間互相適應。這里所說的匹配就是指防水設計、材料和施工工藝與建筑物相適應。舉例來說 ,具有優良防水性能的三元乙丙片材 ,如果沒有良好的施工工藝和施工質量相配合也會導致滲漏水。防水施工方法不外乎噴射、涂刷、抹壓、注漿、粘貼等 , 防水材料可分為瀝青基、橡膠類、塑料類、水泥基及聚合物等。不論采用何種施工工藝和材料 ,都要與建筑物基面相接觸。所以從這一角度考慮 ,防水質量控制 ,必須重視防水層與基面粘接和適應性這兩個概念。從物理化學概念分析 ,粘附作用涉及粘接劑本身性能與基面條件兩方面。結構上的防水層 ,可以看作防水層粘附在結構上。防水材料要取得良好的防水性能 ,首先要很好地粘附。當然有時在變形較大的地方 (如屋面伸縮縫 )常采取與基底脫離的辦法 ,但兩側仍要很好地粘附。如果材料粘附性能不好或達不到要求 ,則要采取界面處理或附加措施。那么防水材料如何與結構更好地粘附 ?這里不能不就混凝土結構基面特性作一番探討。例如地下建筑結構物表面 ,存在水的滲透與蒸發動態平衡過程。如果滲透大于蒸發 ,則結構基礎呈濕潤狀態 ;相反 ,基面則呈干燥狀態 ,但表面還存在散濕 ,此時散濕量約０．０２４Ｌ／(ｍ２·ｄ),并在基面呈強堿狀態 (ｐＨ＞１２),因此選擇材料需適應這種特殊環境。
要使防水材料具有良好的性能 ,必須選擇與基面相適應、匹配的材料。
地下建筑滲漏水 ,主要是“三縫” (裂縫、施工縫、變形縫 )滲漏和大面積滲漏。常采用封縫材料、修補材料、嵌縫材料、注漿材料等 ,這些材料同樣存在與基面匹配的問題。概括起來可分為兩大類 :、
(１)設計與施工匹配問題 ;
(２)材料與
結構物匹配問題。
２．１設計與施工匹配
防水設計往往根據工程所在地水文地質情況、工程質量要求等 ,從防水原理出發 ,根據工程結構特點 ,選擇合適的設計方案 ,然后經過施工技術人員努力來達到理想的設計意圖。這就需要考慮設計與施工的互相匹配問題。在實踐中經常出現試驗室成果好而在工程應用時達不到預期效果的現象 ,解決這個問題 ,要處理好以下幾個方面的關系 :
(１)設計與施工技術相匹配
對于一種防水方案 ,它有一定的技術要求 ,如果施工人員缺乏這種技術或經過努力有了這種技術 ,但在現場仍難以達到要求的水平時 ,設計人員應該更換方案。
(２)設計與施工質量匹配
設計一種方案 ,要考慮到偶然因素及人為影響。在變形縫設計時 ,要采用多道防線 ,就是這個原因。
(３)設計與施工組織、工程難易程度匹配
大型工程施工時 ,由于工序繁雜 ,尤其在工程緊的情況下 ,施工負面影響較大。如果大型工程 ,結構型式為雙層襯砌還夾有柔性防水層 ,結果還是發生了多處滲漏。究其原因就是在于工序多、時間緊的情況下 ,影響因素互相干擾 ,嚴重降低了防水質量。
２．２材料與結構物匹配
材料與結構物匹配是防水設計、施工中經常要考慮的問題 ,一般又可分為以下幾個方面 :
(１)封縫材料與基底的粘接
封縫材料是通常用于裂縫滲漏水處理的止漏材料 ,有快凝水泥、防水漿等。這些材料具有快凝特點 ,但由于都有一定的收縮性 ,堵水后不能作為最后一道防水防線 ,只能作為臨時堵水措施 ,最后還須采取附加防水措施。
(２)修補材料與基面匹配
修補材料與基面匹配就是要選擇與基面相適應的材料。當修補對象是混凝土結構時 ,應采用在荷載和溫度作用下變形性能基本一致的無機材料或以無機材料為主體的復合材料進行修補 ,才會有較好的耐久性。而對于單純樹脂類有機材料 ,雖然本身強度高 ,但由于其彈模、變形系數與主體結構有較大差別以及透氣性差等問題 ,導致結合層的耐久性差。
(３)嵌縫材料與基面粘接
地下工程縫隙的基面不能保證干燥 ,致使反應型密封材料與基面粘接強度與試驗室數據相差甚遠 ,這就是材料與基面不相匹配的問題。如在某大型工程中 ,選用聚氨酯嵌縫膏 ,雖然價格昂貴 ,但實際效果不理想。究其原因 ,就是材料與基面難以很好粘接。如果選擇既能與基面很好粘接又與嵌縫材料粘附的過渡界面材料 ,效果就大不一樣。這就表明在研究嵌縫材料的同時 ,也要探討嵌縫材料和基面相匹配的問題。
２．３附加防水層與基面匹配
建筑物表面作附加防水層時 ,不論是柔性或剛性防水層都存在與基面相適應的問題。混凝土結構是相對不透水的 ,但當水分蒸發時 ,內部水分會遷移、擴散至表面 ,如果使用非滲透性材料進行大面積修補 ,水分會通過基底混凝土擴散到不透水材料和基底混凝土接觸面上 ,易使修補材料失效。例如蘭州地區某公路隧道處于寒凍區 ,由于采用聚氨酯防水涂料作附加防水層 ,使水分遷移阻塞通道 ,水分積聚在涂膜內 ,冬季結冰時造成凍脹破壞。
有機類防水涂料易脫皮 ;水泥類剛性防水層施工質量與作業人員技術水平、責任性關系極大 ,而且材料本身特性與基面粘結性也存在不少問題。所以必須改進此類材料及其與基面的粘接狀況 ,如采用丙乳水泥砂漿、膠乳水泥砂漿等。建筑物結構基面可采用涂界面處理劑或采用摻加聚合物水泥凈漿 ,然后抹上同類防水材料的辦法 ,即可達到使兩者更好結合的目的。
目前地下建筑基面要達到基本干燥是困難的 ,這就提出了使用快凝聚合物水泥砂漿防水層的問題。采用噴射方法 ,將改性聚合物水泥砂漿迅速噴上基面 ,利用聚合物與基面良好的粘接特性及改性后快凝的特點 ,使材料與基面接觸后迅速改變觸變性能 ,不流淌 ,并迅速固化 ,這樣為后續防水層施工創造了良好的作業條件 ,更能保證質量。快凝聚合物水泥砂漿研究與應用是工程上亟待解決的問題 ,目前正在推廣應用中。
２．４注漿材料與基面的匹配
注漿材料種類較多 ,從材料性能分有聚氨酯、丙烯酰胺、環氧樹脂、水泥、水玻璃幾大類 ,這些材料性能各異 ,使用時要根據工程特點、材料性能而選用。例如大同云崗石窟的某窟檐修補采用環氧類材料 ,該材料粘結力大 ,強度高 ,應該是較理想的修補材料。但云崗石窟是砂巖巖基 ,修補材料線脹系數與砂巖差距較大 ,強度差異亦大。修補后溫度變化時 ,使原來１條裂縫變成２條裂縫。聚氨酯類注漿材料用于堵水時 ,也易出現與基面接觸粘結性差的問題 ,最終發生滲漏 ,不得不采用其它防水措施補強。
３結語
地下工程的防水設計 ,在選擇防水材料和設計方案時 ,必須充分了解材料特性和基面性能 ,并要與施工方法相結合 ,慎重地進行施工方案設計 ,妥善選擇方案 ,方能取得良好效果。相信隨著“防水工程學”這一門新型交叉學科的出現 ,一定會吸引更多的科技人員關注這一新領域而取得滿意的效果。以上所述的各類匹配問題 ,是人們在從事防水工作中逐步認識的 ,它是筆者所提出的防水“概念設計”方法的核心內容 ,目前已解決了一些實際問題 ,但還有待進一步發展、完善.
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