南水北調(diào)中線工程涵閘混凝土裂縫控制技術(shù)

□梁 斌（河南省水利第一工程局）

水閘和地涵是南水北調(diào)中線工程常見的水工建筑物，涵閘裂縫發(fā)生的主要部位在底板和墩墻上。涵閘混凝土一旦產(chǎn)生裂縫，將使該建筑物產(chǎn)生滲漏。滲漏的結(jié)果，一方面在壓力水作用下使裂縫逐步擴(kuò)寬和發(fā)展；另一方面加速混凝土碳化。這些混凝土裂縫直接影響混凝土結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性。只有深入分析水工構(gòu)筑物裂縫形式與原因，提出控制措施，才能保證水工構(gòu)筑物的安全，提高其使用壽命。

一、涵閘結(jié)構(gòu)的典型裂縫及其成因

（一）墩墻裂縫

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，縫寬受外界環(huán)境溫度的變化影響較明顯，冬季較寬，夏季較細(xì)。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。

在涵閘墩墻混凝土結(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。

（二）底板裂縫

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)，較大的貫穿性沉陷裂縫，往往上下或左右有錯(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。涵閘的底板混凝土沉陷裂縫主要為順?biāo)鞣较虻牧芽p。

當(dāng)涵閘底板修建在堅(jiān)硬的基巖上時(shí)，受到的約束作用會(huì)很大，有可能產(chǎn)生貫穿性的裂縫。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)生不同的沉降量，從而引起混凝土的開裂；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；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)鞣较蚓蜁?huì)有裂縫產(chǎn)生，這完全是由于邊荷載影響形成的；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。

二、涵閘混凝土裂縫控制施工技術(shù)

（一）混凝土澆筑材料控制

1.優(yōu)先使用低熱和中熱水泥。若需要水工大體積混凝土水化熱低的水泥時(shí)，則適當(dāng)提高C2S和C4AF的含量，并限制C3A和C3S的含量。

2.優(yōu)先選用熱學(xué)性能好的骨料。粗骨料占混凝土組成比例為89%以上，因此，混凝土的熱學(xué)性能在很大程度上取決于粗骨料的礦物性質(zhì)，優(yōu)先選用熱學(xué)性能好的骨料是混凝土溫度控制的治本措施之一。

3.減少混凝土水泥用量，摻拌外加劑。在混凝土中摻混合料，如粉煤灰在我國已有廣泛的應(yīng)用。在混凝土中摻用粉煤后，降低了混凝土的早期強(qiáng)度和極限拉伸值，但混凝土發(fā)熱量降低了。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)性能的要求和建筑物所處的環(huán)境條件，選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿彩菧p少水泥用量和降低混凝土水化熱的重要措施之一。

（二）改進(jìn)施工方法與工藝

1.減小外部約束。當(dāng)涵閘建筑在堅(jiān)硬的基巖上時(shí)，堅(jiān)硬的基巖將約束涵閘的底板混凝土變形的發(fā)展，在底板上就有可能產(chǎn)生貫穿性的裂縫。水工建筑物基礎(chǔ)開挖規(guī)范要求建基面開挖偏差不超過20cm。但由于爆區(qū)兩側(cè)及后排受到夾制作用，或巖性不均一，開挖出的巖基面一般都會(huì)有局部起伏，在巖基面局部起伏處，會(huì)引起壩底應(yīng)力集中，在壩塊因溫度變化而膨脹或收縮時(shí)又增加了約束作用。因此，有些國家規(guī)定，巖基面的局部起伏度不超0.5m，在我國規(guī)范中對(duì)此尚無明確規(guī)定。對(duì)巖基面應(yīng)盡量要求開挖平整，其局部起伏度以不超過0.5～0.8m為宜，否則應(yīng)用混凝土把凹坑填平或局部加用鋼筋并進(jìn)行處理。

2.設(shè)置后澆帶。留置間距首先要考慮能有效削減溫度收縮應(yīng)力，其次為方便施工要考慮與施工縫重合。通過計(jì)算與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在正常施工條件下，每區(qū)段間距取20～30m，有時(shí)還可更小一些，即可保證后澆帶劃分區(qū)段中的混凝土可自由伸縮，有效防止裂縫出現(xiàn)。后澆帶的寬度理論上而言只需1cm已足夠保證溫度收縮變形，但考慮施工方便，避免應(yīng)力集中，一般寬度應(yīng)在70～100cm之間，工程實(shí)踐中大多采用100cm。

混凝土后澆帶施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)注意以下問題：防止外界水侵入；防止雜物落入后澆帶清理困難，為防止雜物落入后澆帶中，在主體混凝土澆筑完成后，拆除后澆帶中的模板并清理出后澆帶，然后密封；防止后澆帶部位軟基土體上拱；防止混凝土施工縫滲水。

3.采用表面真空作業(yè)技術(shù)。采用表面真空作業(yè)，即真空負(fù)壓作用，使?jié)仓幕炷恋乃冶让黠@減小，初始孔隙率降低，改變了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高砂漿與粒料界面的粘結(jié)力與混凝土的密度，能減小混凝土的早期干縮應(yīng)力。在水化程度相同的情況下，真空吸水可以明顯提高混凝土的早期強(qiáng)度。

4.設(shè)置表面鋼筋網(wǎng)。由于混凝土抗拉能力很弱，當(dāng)受到拉應(yīng)力時(shí)極易發(fā)生破壞。因此考慮通過在應(yīng)力集中點(diǎn)處增加一部分鋼筋，以提高局部抗拉強(qiáng)度。某水閘在上閘首閘孔底板增設(shè)鋼筋網(wǎng)，澆筑后經(jīng)過長期觀測，僅發(fā)現(xiàn)一條裂縫，而且長度、寬度都遠(yuǎn)比以前裂縫小得多，隨著混凝土齡期增加，此裂縫逐步回縮，最后幾乎肉眼看不到了。

（三）結(jié)構(gòu)布置改進(jìn)

1.結(jié)構(gòu)的合理分縫和分塊。通倉澆筑的優(yōu)越性是明顯的，一般它能夠簡化柱狀澆筑較繁瑣的后期冷卻和接縫灌漿，縮短工期，使水工混凝土建筑物盡早投入運(yùn)行，是最先考慮的施工方案。但通倉澆筑增加了澆筑塊受基礎(chǔ)約束的拉應(yīng)力區(qū)范圍和高度;增大了澆筑塊的尺寸，其抗御氣溫驟降的臨界幅度相應(yīng)減少，發(fā)生表面裂縫的機(jī)率及條數(shù)增多，同時(shí)表面裂縫發(fā)展的可能性也隨之增加;增大了倉面的尺寸，澆筑過程中更容易出現(xiàn)薄弱面，對(duì)混凝土澆筑的平倉振搗要求更高。且水工混凝土建筑物體積和斷面尺寸較大，施工難于一次澆筑到設(shè)計(jì)高程，所以需要進(jìn)行合理的分縫分塊澆筑。

2.設(shè)置貼腳。為了防止混凝土局部的應(yīng)力集中，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀苊?，在水工涵閘的設(shè)計(jì)中，設(shè)置貼腳能防止墩墻底部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

另外，設(shè)置貼腳還可以增加結(jié)構(gòu)的抵抗垂直于水流方向的水平水壓力的作用，增強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)抵抗不平衡力矩的能力，增強(qiáng)了底板的抗裂能力，降低了底板產(chǎn)生順?biāo)鞣较蛄芽p的可能性，也增加混凝土結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，從而大大延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.結(jié)構(gòu)平緩過渡。由于底板的面積和厚度都很大，對(duì)上部澆筑的墩墻有較強(qiáng)的約束力，減小底板對(duì)墩墻的約束，使結(jié)構(gòu)平緩過渡，將對(duì)墩墻的防裂十分有利。底板對(duì)墩墻在水平方向x，y兩個(gè)方向均有約束作用，垂直方向z則沒有約束。如果能減小x方向或者y方向的約束作用，使結(jié)構(gòu)平緩過渡，將會(huì)明顯改善墩墻的應(yīng)力分布。將一定高度的墩墻和底板同時(shí)澆筑，將底板對(duì)墩墻的約束變成墩墻對(duì)墩墻的約束，由于墩墻在y方向的厚度很薄，只有l(wèi)m左右，對(duì)上部混凝土在y方向的約束作用很小，因此，x方向的約束自作用就可以忽略不計(jì)，從而有效地降低底板對(duì)墩墻的約束，減小墩墻受約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

三、結(jié)束語

涵閘混凝土的裂縫問題已經(jīng)被越來越多的人所重視。早期裂縫的產(chǎn)生與混凝土的溫度和收縮有關(guān)，所以必須加強(qiáng)涵閘的早期溫度和自生體積變形方面的控制，控制好原材料第一關(guān)，合理的進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，保證滿足澆筑控溫要求，采用先進(jìn)的施工方法與工藝，并不斷改進(jìn)，從而才能不斷提高水工混凝土施工裂縫的可控性，保證南水北調(diào)工程達(dá)到優(yōu)良工程。

[1]吉順文，朱岳明等.平原地區(qū)水工混凝土裂縫成因與防裂研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（4）.

[2]劉金培.水工混凝土裂縫的處理[J].中國水利，2009(2).