水工涵閘混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因分析

尹三春

[摘要]水工涵閘屬于水工薄壁結(jié)構(gòu)混凝土工程，開裂的可能性很大，其開裂的主要部位在水工涵閘的墩墻上。而且水工涵閘的底板也有開裂的可能。分別闡述水工涵閘混凝土的墩墻和底板裂縫的形式及其產(chǎn)生的原因，以期為未來(lái)水工涵閘墩墻結(jié)構(gòu)的裂縫防治提供借鑒。

[關(guān)鍵詞]水工涵閘 墩墻 底板 裂縫

中圖分類號(hào)：TU5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2009）0110072-02

一、導(dǎo)言

水工涵閘的裂縫發(fā)生的主要部位在底板和墩墻上。水工涵閘混凝土裂縫形成的主要原因有：建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不周引起的裂縫；基礎(chǔ)處理不善引起的裂縫；結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，分縫分塊過長(zhǎng)引起的裂縫；混凝土的溫度變化引起的裂縫；施工質(zhì)量控制不嚴(yán)引起的裂縫；運(yùn)行期間，由于超載等原因出現(xiàn)裂縫。當(dāng)?shù)装寤炷列藿ㄔ谲浲恋鼗驈椥阅Ａ枯^小的地基上時(shí)，底板所受到的外部約束比較小，其裂縫的產(chǎn)生是由于自身的體積變化引起的，主要是由于溫度的變化引起的。

二、水工涵閘墩墻結(jié)構(gòu)的典型裂縫及其成因

（一）現(xiàn)象

水工涵閘混凝土墩墻結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)“上不著頂，下不著底”的“棗核形”裂縫現(xiàn)象，像湖北荊江分洪北閘的閘墩、石梁河新泄洪閘的閘墩的裂縫，都是這種形式的裂縫。筆者原所在單位曾施工的仙桃市展翅長(zhǎng)河三合垸閘的閘墩也曾出現(xiàn)過類似的裂縫，裂縫通常發(fā)生在施工期間的混凝土的表面，隨后裂縫繼續(xù)向內(nèi)部深進(jìn)，由于水工涵閘的墩墻較窄（一般只有l(wèi)m左右），裂縫很容易貫穿整個(gè)墩墻，形成貫穿性的危害性很大的裂縫，貫穿裂縫多發(fā)生在澆筑后2－3個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間?？p寬受外界環(huán)境溫度的變化影響較明顯，冬季較寬，夏季較細(xì)。由于底板和墩墻混凝土的自身約束，沿截面高度方向，裂縫大多呈中間寬兩端窄的“棗核形”。從混凝土表面看，裂縫底部通常是豎直的，而頂部則向兩邊傾斜。圖1是裂縫容易出現(xiàn)的部位的示意圖。

（二）成因

混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，其線脹系數(shù)一般為1×l0－5/℃左右，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生溫度變形。而建筑物往往受到各種約束（包括外約束和內(nèi)約束）在溫度變形和約束的共同作用下，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)這種應(yīng)力超過混凝土的抗裂強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生裂縫。

在水工涵閘墩墻混凝土結(jié)構(gòu)中，裂縫一方面是由底板或基礎(chǔ)約束引起的。由于墩墻和底板之間存在施工間歇時(shí)間，墩墻混凝土的變形受到底板的約束作用，一開始產(chǎn)生壓應(yīng)力，此時(shí)由于早期混凝土彈模小，徐變度大，壓應(yīng)力不大且很快會(huì)因松弛變形而降低；當(dāng)上部混凝土溫度下降時(shí)，由于底板對(duì)降溫收縮變形的強(qiáng)約束，墩墻就會(huì)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的即時(shí)抗拉強(qiáng)度時(shí)，它便會(huì)出現(xiàn)由里及表的裂縫，且常常是貫穿性的。墩墻的基礎(chǔ)溫差愈大愈有可能出現(xiàn)這樣的裂縫。

另一方面，混凝土為不良導(dǎo)熱體，墩墻內(nèi)外形成溫差，引起混凝土溫度變形的自約束，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，也會(huì)有可能直接導(dǎo)致墩墻由表及里發(fā)展的裂縫。當(dāng)墩墻較薄時(shí)，裂縫是貫穿性的。導(dǎo)致內(nèi)外溫差的原因主要有三種，一是在混凝土剛澆筑后的不久，當(dāng)早期混凝土溫度上升時(shí)，在表面散熱的作用下，內(nèi)部溫度上升得快，表面溫度上升得慢，形成內(nèi)外溫差；二是當(dāng)溫度下降時(shí)，同樣由于外部散熱快，有可能會(huì)導(dǎo)致更大的內(nèi)外溫差；三是當(dāng)遇寒潮冷擊或混凝土遇到大的晝夜溫差時(shí)，表面溫度驟降，內(nèi)外溫差變大，也會(huì)時(shí)有表面乃至貫穿性裂縫的出現(xiàn)。內(nèi)外溫差應(yīng)力大多是短期溫度變化所至，混凝土徐變來(lái)不及發(fā)揮作用，與長(zhǎng)期的溫度緩慢變化所至的應(yīng)力相比較，拉應(yīng)力會(huì)大些，更易出現(xiàn)裂縫。再之，混凝土的內(nèi)外不均勻干縮變形也會(huì)增加淺層混凝土中的拉應(yīng)力，有時(shí)也是直接導(dǎo)致墩墻混凝土開裂的主要原因之一。值得注意的是，當(dāng)墩墻表面裂縫出現(xiàn)后，若再疊加緩慢變化增長(zhǎng)的基礎(chǔ)溫差應(yīng)力，表面裂縫仍然會(huì)向結(jié)構(gòu)內(nèi)部縱深發(fā)展，甚至?xí)蔀樨灤┬粤芽p。由于內(nèi)外溫差拉應(yīng)力在整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的“早、中、晚”期都存在，自墩墻混凝土結(jié)構(gòu)施工后，無(wú)論是在“早、中、晚”期，墩墻都有可能產(chǎn)生裂縫。因早期混凝土的抗拉強(qiáng)度不高，當(dāng)墩墻混凝土剛剛澆筑2－3d時(shí)，盡管整個(gè)墻體還處在溫升過程中，但是已經(jīng)出現(xiàn)裂縫乃至貫穿性裂縫的現(xiàn)象是司空見慣的事，這時(shí)裂縫產(chǎn)生的機(jī)理主要就在于早期墩墻內(nèi)外溫差過大，表面拉應(yīng)力過大。

另外，混凝土在空氣中結(jié)硬時(shí)，體積會(huì)逐漸縮小，稱之為收縮，由此造成的裂縫稱之為“收縮裂縫”?；炷潦湛s由兩部分組成，一是濕度收縮，即混凝土中多余水分蒸發(fā)，體積減少，而產(chǎn)生收縮，這部分占整個(gè)收縮量的80%－90%；二是混凝土的自收縮，即水泥水化作用，使形成的水泥骨架不斷密實(shí)，造成體積減小。混凝土收縮值一般為（0.2－0.4）%，收縮的發(fā)生規(guī)律是早期快，后期慢。影響混凝土收縮的因素很多，砂石級(jí)配差、砂太細(xì)、砂率太高、粗骨料中石粉含量、配合比不良、用水量或水泥用量太多，都會(huì)增加混凝土的收縮率?；炷琉B(yǎng)護(hù)差也是造成混凝土收縮裂縫的原因之一。混凝土澆筑后，表面沒有及時(shí)覆蓋，受風(fēng)吹日曬，表面游離水分蒸發(fā)過快，而內(nèi)部濕度變化小，表面收縮變形受到收縮慢的混凝土的約束，因此在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生收縮裂縫?；炷恋氖湛s現(xiàn)象有好幾種，包括干燥收縮、自身收縮和塑性收縮。干燥收縮即干縮，是混凝土中多余水分蒸發(fā)，體積減少，而產(chǎn)生收縮，這部分占整個(gè)收縮量的80%－90%；自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起，但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面，產(chǎn)生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對(duì)濕度降低，體積減小。水灰比的變化對(duì)干燥收縮和自身收縮的影響正好相反，即當(dāng)混凝土的水灰比降低時(shí)干燥收縮減小，而自身收縮增大。如當(dāng)水灰比大于0.5時(shí)，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計(jì)，但是當(dāng)水灰比小于0.35時(shí)，體內(nèi)相對(duì)濕度會(huì)很快降低到80%以下，自身收縮與干縮則接近各占一半。自身收縮在混凝土體內(nèi)均勻發(fā)生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收縮集中發(fā)生于混凝土拌合后的初齡期，因?yàn)樵谶@以后，由于體內(nèi)的自干燥作用，相對(duì)濕度降低，水化就基本上終止了。換句話說，在模板拆除之前，混凝土的自身收縮大部分已經(jīng)產(chǎn)生，甚至已經(jīng)完成，而不像干燥收縮，除了未覆蓋且暴露面很大的地面以外，許多構(gòu)件的干縮都發(fā)生在拆模以后，因此只要覆蓋了表面，就認(rèn)為混凝土不發(fā)生干縮。在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就要使應(yīng)力增大?，F(xiàn)今許多斷面尺寸雖不很大，且水灰比也不算小的混凝土，也需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響，況且在這些結(jié)構(gòu)里，兩者的發(fā)展速率均要比大壩混凝土中快得多，因此也激烈得多，需要給予更充分的考慮。塑性收縮，在水泥活性大、混凝土溫度較高，或者水灰比較低的條件下也會(huì)加劇引起開裂。因?yàn)檫@時(shí)混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充，這時(shí)混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點(diǎn)拉力，混凝土的表面就會(huì)出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加快，于是裂縫迅速擴(kuò)展。

三、水工涵閘底板結(jié)構(gòu)的典型裂縫及其成因

（一）現(xiàn)象

底板的溫度裂縫隨外界環(huán)境的溫度的周期性變化而呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律，與墩墻裂縫現(xiàn)象十分類似。

底板的沉陷裂縫多屬深進(jìn)或貫穿性裂縫，其走向與沉陷情況有關(guān)，有的在上部，有的在下部，一般與地面垂直或呈30°－45°角方向發(fā)展；較大的貫穿性沉陷裂縫，往往上下或左右有這定的錯(cuò)距，裂縫寬度受溫度變形的影響小，因荷載大小而異，且與不均勻沉降值成比例。地基變形穩(wěn)定后，沉陷裂縫也趨穩(wěn)定。水工涵閘的底板混凝土沉陷裂縫主要為順?biāo)鞣较虻牧芽p，筆者所在的湖北省仙桃市在70-80年代興建的部分涵閘，如大垸子閘、石山港閘的底板等都發(fā)現(xiàn)了這類裂縫，都進(jìn)行了處理，查閱文獻(xiàn)資料，存在這類裂縫的涵閘有：四女寺樞紐北進(jìn)洪閘底板及斜坡段過流面表層混凝土各有14條裂縫，主要為順?biāo)鞣较虻目v向縫。獻(xiàn)縣樞紐節(jié)制閘兩邊孔底板共有5條裂縫，其中左邊孔一裂縫己上下貫通，裂縫總長(zhǎng)48.06m。湖北省江漢航線新城船閘工程下閘首底板顯露出的裂縫共有13條，裂縫總長(zhǎng)約236m，裂縫表面寬度約0.2～4mm，且大多數(shù)裂縫與底板、閘室及消力池兩邊的伸縮縫連通。而底板混凝土的表面溫度裂縫走向則無(wú)一定規(guī)律性，?？v橫交錯(cuò)。裂縫寬度大小不一，一般在0.5mm以下，寬度變化不大。

（二）成因

水工涵閘底板混凝土表面溫度裂縫的成因同墩墻混凝土裂縫的成因相似，特別當(dāng)?shù)装逍藿ㄔ趫?jiān)硬的基巖上時(shí)，受到的約束作用就更大，有可能產(chǎn)生貫穿性的裂縫。由于墩墻增加了底板的剛度，使得底板的抗裂能力顯著增強(qiáng)，一般不會(huì)出現(xiàn)垂直于水流方向的裂縫。水工涵閘底板的順?biāo)鞣较虻牧芽p主要是由于不均勻沉降所造成的。①由于地基土體軟硬不均，或局部存在松軟土，未經(jīng)夯實(shí)和必要的加固處理，即使在相同的外荷載作用下，也會(huì)產(chǎn)生的不同的沉降量，從而引起混凝土的開裂；②結(jié)構(gòu)各部位荷載懸殊，在關(guān)閘蓄水的情況下，上下游方向便受到不同的靜水壓力的作用，會(huì)引起地基的不均勻沉降；③墩墻傳給底板的力也是不均勻的，混凝土澆筑后因地基受力不均，產(chǎn)生不均勻下沉，造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫；④當(dāng)邊墩外填土接近設(shè)計(jì)高程時(shí)底板中部頂面順?biāo)鞣较虻木蜁?huì)有裂縫產(chǎn)生，這完全是由于邊荷載影響形成的；⑤冬季施工，模板支架支承在凍土層上，上部結(jié)構(gòu)未達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度時(shí)，凍土化凍下沉，使結(jié)構(gòu)下垂產(chǎn)生裂縫；⑥水工涵閘如果發(fā)生滲漏，帶走土體的顆粒，也會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降。

四、結(jié)論

本文分析了水工涵閘混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因，墩墻的裂縫主要是溫度裂縫和塑性收縮裂縫，而底板則主要為溫度裂縫和地基的不均勻沉陷所產(chǎn)生。不同的原因?qū)е碌牧芽p的危害程度也不相同，其中貫穿性裂縫的危害最大。

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