水閘閘墩裂縫形成因素及其控制對策研究

史明政，李亞鵬，徐雪飛，翟興濤，張文杰

(威海市水利勘測設計有限責任公司，山東 威海 264200)

水閘閘墩裂縫形成因素及其控制對策研究

史明政，李亞鵬，徐雪飛，翟興濤，張文杰

(威海市水利勘測設計有限責任公司，山東 威海 264200)

水閘作為水利工程中常見的水工建筑物，閘墩位置是最易產(chǎn)生裂縫的部位之一。閘墩裂縫會對水閘所產(chǎn)生的不同程度的危害，這個問題一直在水利工程界延續(xù)而未能得到很好地解決，因此倍受工程界人士的關注。在廣泛收集多方面文獻資料的基礎上，筆者結合多年的實踐工作經(jīng)驗，深入分析了導致這一問題出現(xiàn)的原因，并總結了相應的防治措施。

水閘閘墩;裂縫;裂縫原因;裂縫控制

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.023

1 水閘閘墩裂縫的現(xiàn)狀

水閘由底板和閘墩兩部分構成，其構造屬于T字形水工混凝土結構，閘墩底部的上部可自由伸縮，而下部受閘底板約束則處于固定狀態(tài)。根據(jù)查閱有關施工資料和現(xiàn)場調(diào)查問題工程，發(fā)現(xiàn)閘墩出現(xiàn)裂縫有一定的共性特征，即裂縫部位多為墩墻中部，多高于墩高的一半，即上下均不著邊，下部距底板10～30cm，方向接近豎直，兩端較小，中間最大，為自下而上呈“棗核狀”的貫穿型裂縫。水閘閘墩的裂縫示意圖及水閘支座墊板下閘墩裂縫位置圖見圖1、圖2。

圖1 水閘閘墩裂縫示意圖

圖2 水閘支座墊板下閘墩裂縫位置圖

當前，在已建和新建的諸多水閘工程中，閘墩裂縫的存在具有廣泛性。如湖南衡陽近尾洲水電廠溢流壩泄洪閘，經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)23個閘墩均有裂縫分布，共計發(fā)現(xiàn)裂縫352條。再如，遼寧沈陽石佛寺水庫16孔泄洪閘閘墩混凝土有明顯可見的裂縫共43條，裂縫累計總長度達到72m。這些實際案例足以說明該問題的普遍性和嚴重性。而裂縫的防控作為一個涉及多學科、多領域的綜合性頑固問題，其裂縫成因和有效解決的措施仍有待深入研究。

2 水閘閘墩裂縫形成因素分析

2.1 材料選擇和配比

在具體工程中，如果實際應用的混凝土強度值與設計強度值相差太大的話，就會導致混凝土的水熱化現(xiàn)象嚴重，進而使混凝土內(nèi)部的溫度過高，在其硬化初期就會加大溫度應力。冬季施工的水閘閘墩工程中應當特別注意，因為受季節(jié)因素的影響，混凝土的澆筑會產(chǎn)生更多的水熱化。雖然對混凝土溫度的保持具有良好的效果，但同時也更容易導致新的問題出現(xiàn)，即一旦水泥的用量和標號選擇不當或混凝土配比不合理的話，就會增大出現(xiàn)裂縫問題的幾率。此外，較大尺寸的混凝土結構，膠骨的配比一定要把握好，最好控制在1∶3的比例范圍內(nèi)，同時要盡量降低水泥用量，以減少大量水熱化所引發(fā)裂縫的產(chǎn)生。

2.2 混凝土干縮

混凝土內(nèi)部所含的水分流失主要走向為三方面，一部分是用以滿足水泥水化過程的需要，一部分是泌出混凝土表面，而更多的部分則是在澆筑搗振過程中被蒸發(fā)。它們在水泥的凝結和硬化過程中逐漸散失，最終引發(fā)混凝土體積的變形和減少，該現(xiàn)象被定義為混凝土的干縮現(xiàn)象。因受到混凝土水分蒸發(fā)和含濕量分布不均的變化影響，出現(xiàn)了表面收縮變形逐漸向內(nèi)部減少的梯度變化趨勢。

2.3 施工方法

在混凝土的澆筑施工中，因施工不規(guī)范導致裂縫問題出現(xiàn)的因素很多，如振搗不均、漏振、過振等，這些都會引發(fā)混凝土出現(xiàn)離析、密實度不足等問題，并極大的降低了墩體整體結構的強度?；炷羶?nèi)部氣泡排除不盡問題也較為突出，特別是鋼筋表面的氣泡會使混凝土與鋼筋之間的粘結力下降。

2.4 水閘閘體內(nèi)外溫差

水泥水化中產(chǎn)生水化熱較多，1～3d即釋放熱量的50%左右，甚至更高。而一旦混凝土達到最高溫值，其溫度將下降至與外界溫度等同為止。圖2為混凝土澆筑后溫度變化的過程圖，其中，Tf代表入倉溫度，Tr代表溫升值，Tf代表穩(wěn)定溫度，△T代表最高溫度和穩(wěn)定溫度升高值，即基礎溫差?；炷炼阵w內(nèi)外溫度變化過程線如圖3所示。

圖3 混凝土溫度變化過程線

由于閘墩所需的混凝土體積較大，熱量在傳遞過程中很容易滯留在體內(nèi)，處理不當就會出現(xiàn)內(nèi)部溫度明顯高于外部溫度的情況，兩者落差明顯。而在散熱過程中，內(nèi)部的溫度又受散熱條件的影響，使其內(nèi)部熱度難以散發(fā)出來。該部位的混凝土在升溫和降溫中的溫度都呈梯田式分布狀態(tài)，因此在自生變形中也會出現(xiàn)不一致。而混凝土的內(nèi)部膨脹和外部收縮中都會遇到來自相反部位外部因素的制約和影響，致使出現(xiàn)混凝土外部的拉應力。而一旦外部混凝土的拉應變達到其自身不能承受的極限值時，就會產(chǎn)生裂縫，該裂縫會隨著時間的延長而變大、變深，嚴重時還會使各條裂縫串聯(lián)起來。

2.5 混凝土自生體積變形

無論有無水分蒸發(fā)，混凝土在澆筑后都會在其自身產(chǎn)生化學反應，并出現(xiàn)不同程度的體積變形。一般的混凝土，其出現(xiàn)變形時多為收縮型的。主要是因為水泥水化的過程中因干燥作用而導致水分的消耗，使凝膠孔的液面下降，混凝土的濕度和體積收縮。而導致混凝土體積減小的因素，是因其構成材料的化學成分和水灰比共同作用的結果。當水灰比＞0.50時，其出現(xiàn)的自生收縮和干縮作用可被忽略;而當水灰比 ＜0.35時，其自生收縮和干縮作用所差不多，則必須將其列入考慮范圍。

3 預防控制對策

3.1 混凝土材料

3.1.1 水泥品種的選擇

水泥的種類、應力、混合材料的品種和澆筑溫度等因素，都會對混凝土絕熱溫升產(chǎn)生一定的影響。其中，水泥種類所產(chǎn)生的影響主要源于礦物成分產(chǎn)生的水化熱因素。根據(jù)水泥礦物成分中發(fā)熱速率和發(fā)熱量的高低排序，占比最大的依次為:鋁酸三鈣→硅酸三鈣→硅酸二鈣。即越細的水泥速率越快，而其細度與具體的發(fā)熱量無關。也就是說，在澆筑水閘閘墩的混凝土時，水化熱低即 C2S和C4AF含量高、C3A和C3S含量低的水泥是首選。

3.1.2 骨料的熱學性能

水工混凝土中各成分的質(zhì)量百分比約為:石子63%～65%，砂子22%～23%，水泥7%～10%，水5%。根據(jù)混凝土的熱性極大地受到石子和砂子成分的影響，可以得出粗骨料的礦物性質(zhì)對混凝土的熱學性能有著較為明顯影響的結論，所以，熱學性能好的骨料是作為控制混凝土溫度的根本措施之一。由于當前在國內(nèi)的水利工程施工中，普遍存在就地選取骨料的現(xiàn)象，這就要求施工方在骨料選材時嚴格按照有關規(guī)范標準進行，前期的物理學性能試驗不可少。而在天然骨料不足的項目地區(qū)，最好選用膨脹系數(shù)小的骨料。

3.1.3 膠凝材料用量

在水利工程施工中，一般會采取摻入適量混合料的方法來降低高水熱化可能帶來的裂縫問題。而在混凝土的摻合料研究中，摻加粉煤灰技術在我國的應用較為普及，且效果很突出。具體表現(xiàn)為:在摻加粉煤灰后，混凝土早期強度和極限拉伸值的降低效果明顯，并極大地限制了其自身的發(fā)熱量。舉例說明:在7d齡期，在不考慮混凝土早期可能出現(xiàn)的徐變增加和彈性模量降低因素的前提下，摻加混合料后，混凝土的極限拉伸值會降低19×10-6mm，其溫度變形值也會降低34.1×10-6m，由此可見，向混凝土中添加適量混合料的抗裂法具有極強的應用可行性。

3.2 溫度

采取溫控措施即降低混凝土的入倉溫度，特別是現(xiàn)場新攪拌的混凝土溫度應為6℃左右。當遇到高溫天氣作業(yè)時，可在攪拌混凝土的過程中加入冰塊，而減少水的用量，以保持混凝土的冷卻性能不被降低。為減少裂縫的出現(xiàn)，混凝土澆筑工作最好在春秋季溫差不大的氣候條件下進行。運送混凝土的工具或澆筑倉面都必須全程進行遮陽和降溫處理。當預期內(nèi)部溫度無法降低到施工標準時，可采取在內(nèi)部埋設冷卻水管的方法來降溫。

3.3 施工工藝流程與方法

當前的閘墩混凝土澆筑施工中，泵送混凝土的施工方法最為常見。但因為該工藝對混凝土的流動性、水泥用量和水混比要求較高，且因首期出骨料粒徑小等因素的影響，會出現(xiàn)水化熱溫升快的現(xiàn)象，在一定程度上提高了收縮裂縫出現(xiàn)的概率。所以，在澆筑時，為確保其良好的散熱性，澆筑方式可進行分層澆筑。每一層的澆筑深度應保持在1.0～1.5m的范圍內(nèi)，并在確保前一層混凝土達到初凝要求后再進行新一層的澆筑，最下部的混凝土可與底板一起澆筑，這種連貫澆筑法能有效地降低或消除底板對閘墩混凝土的約束力。此外，還可采用降低伸縮縫長度或分段的方法進行澆筑，采用該方法時必須預留1～2m的后澆帶，當每一分段的混凝土完成收縮后再完成預留帶的澆筑工作。

3.4 后期養(yǎng)護工作

混凝土施工后期養(yǎng)護工作的目的就是為了降低它的變形量。達到保濕、隔熱目的，有效降低裂縫出現(xiàn)率的途徑主要有以下4種。第一，澆筑前把基層和模板都用水澆透，拆模后從頂部進行淋水或澆水處理，使其表面始終處于濕潤狀態(tài)。第二，在閘墩周圍進行塑料膜包裹處理后再澆水的方法，這樣能提升養(yǎng)護效果，降低裂縫出現(xiàn)率。第三，通過在混凝土表面覆蓋塑料膜或已浸濕的草墊或麻片等的方法來保證其表面濕潤度。第四，拆模時間向后推遲3～4天。此外，應特別注意的是，在大風和高溫天氣條件下保養(yǎng)時，應對閘墩結構進行遮陽和擋風處理，以確?；炷帘砻娴臏囟群蜐穸冗m當，盡量降低混凝土表面的散熱量，以確保混凝土表面溫差在施工條件的標準范圍內(nèi)。

3.5 其他

除了上述方法和措施外，還應處理好結構施工前對松軟土和填土等的加固工作。在混凝土的澆筑中還要確保地基的干燥，使其牢固性不被損壞。模板需要具有滿足施工條件要求的強度和剛度，將其牢固地固定在地基上，并注意拆模的時間和拆模順序需要準確，以確保萬無一失。

4 展望

由于導致水閘閘墩混凝土出現(xiàn)裂縫的因素很多，各因素之間又關系密切，在降低一種原因的不利影響時，往往又會產(chǎn)生新的不利因素，防裂措施各有利弊。為將弊端降到最低，在具體的施工應用中，必須倡導科研先行的基本理念，在科學指導的基礎上根據(jù)裂縫機理的研究結果而制定新的防裂技術方法。同時，還要強化工程業(yè)主、科研人員、設計者和施工作業(yè)者之間的協(xié)同作業(yè)。盡管當前國內(nèi)一些工程中已經(jīng)通過如混凝土內(nèi)預埋冷卻水管法、循環(huán)水冷卻混凝土法、同時澆筑墩體底部與底板的混凝土等具體方法，已經(jīng)在一定程度上減輕了裂縫問題的發(fā)生，但距離徹底解決水閘閘墩裂縫問題的研究之路還很漫長。

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TV66

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1672-2469(2016)08-0071-03

2016-02-25

史明政(1965年—)，男，工程師。