水閘混凝土裂縫研究初探

徐佶

（上海市金山區(qū)水利管理所，上海 201599）

1 引言

水閘是重要水工建筑物，主要通過(guò)閘門進(jìn)行擋水、蓄水，來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域防汛除澇及引清調(diào)水功能。水閘混凝土裂縫是最常見(jiàn)的一種裂縫，主要集中在水閘閘墩和上下游翼墻等結(jié)構(gòu)的中間和強(qiáng)約束區(qū)部位，有時(shí)也會(huì)貫穿混凝土結(jié)構(gòu)。一般出現(xiàn)在水閘主題結(jié)構(gòu)施工及后期養(yǎng)護(hù)過(guò)程中。

混凝土是水泥、石灰、石膏等無(wú)機(jī)膠凝材料與水拌和的產(chǎn)物，混凝土裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外因素的作用而產(chǎn)生的物理結(jié)構(gòu)變化，裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)物承載能力、耐久性及防水性降低的主要原因。宏觀斷裂力學(xué)不考慮混凝土的微觀結(jié)構(gòu)缺陷，將裂縫作為判斷混凝土材料是否破壞的標(biāo)準(zhǔn)。微觀斷裂理論學(xué)則引入了混凝土微觀層次的缺陷，認(rèn)為混凝土中含有豐富的裂紋，受載荷作用后，裂紋附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)微裂縫區(qū)，且隨著荷載的增加，微裂縫區(qū)裂縫數(shù)量增多，并合成宏觀裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。

2 水閘混凝土裂縫成因分析

根據(jù)成因，水閘混凝土裂縫主要分為以下3 種。

2.1 塑性收縮裂縫

塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)之前，表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮。塑性裂縫一般在干熱或大風(fēng)天氣出現(xiàn)，大多數(shù)位于新澆注的混凝土構(gòu)件表面。該種裂縫兩端細(xì)且長(zhǎng)短不一、中間較寬，互不連貫狀態(tài)，較短的裂縫一般長(zhǎng)20～30cm，較長(zhǎng)的裂縫可達(dá)2～3m，寬1～5mm。

2.2 沉降收縮裂縫

沉陷裂縫的產(chǎn)生是由于結(jié)構(gòu)地基土質(zhì)不勻、松軟或回填土不實(shí)或浸水而造成不均勻沉降所致，或者因?yàn)槟０鍎偠炔蛔?，模板支撐間距過(guò)大或支撐底部松動(dòng)等導(dǎo)致，特別是在冬季，模板支撐在凍土上，凍土化凍后產(chǎn)生不均勻沉降，致使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。此類裂縫多為深進(jìn)或貫穿性裂縫，裂縫呈梭形，其走向與沉陷情況有關(guān)，一般沿與地面垂直或呈30～45 度角方向發(fā)展，較大的沉陷裂縫，往往有一定的錯(cuò)位，裂縫寬度往往與沉降量成正比關(guān)系。裂縫寬度0.3～0.4mm，受溫度變化的影響較小。地基變形穩(wěn)定之后，沉陷裂縫也基本趨于穩(wěn)定。

2.3 溫度裂縫

溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)中。由于混凝土一般結(jié)構(gòu)較大，類似水閘底板、閘墩等大體積混凝土澆筑后，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部而不易散發(fā)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度急劇上升，而表面散熱較快，故在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外形成了較大溫差。而這種在硬化過(guò)程中，由于溫度引起的體積收縮受下層基礎(chǔ)的強(qiáng)約束，混凝土承受較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝士表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多發(fā)生在混凝土施工中后期。

3 防裂防治與修復(fù)措施

3.1 混凝土裂縫防治

混凝土的熱學(xué)和力學(xué)性能隨混凝土中各種物質(zhì)含量的不同而變化。防治混凝土裂縫產(chǎn)生，可采用以下幾種措施：

1）根據(jù)天氣情況合理選擇混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑時(shí)機(jī)，合理增設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)的施工縫，澆筑完成后按要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免結(jié)構(gòu)因突變產(chǎn)生應(yīng)力集中，在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施，在易裂的結(jié)構(gòu)邊緣適當(dāng)提高該部位的配筋率，或者增設(shè)暗梁；3）合理選用鋼筋，配筋應(yīng)采用小直徑、小間距，以提高結(jié)構(gòu)的抗裂性；4）在混凝土中摻適量的粉煤灰可有效削減混凝土的自收縮值和混凝土的絕熱溫升值，水灰比一定，粉煤灰的摻加可減少混凝土水泥的使用量，有效降低混凝土的水化熱溫升。

3.2 混凝土修復(fù)措施

對(duì)于寬度較?。ㄒ话阈∮?.2mm）的混凝土裂縫，可以采用環(huán)氧樹(shù)脂膠結(jié)。首先將混凝土表面鑿毛，再均勻涂抹環(huán)氧樹(shù)脂，直接把細(xì)小裂縫密閉。

對(duì)于寬度較大（一般大于0.2mm）獨(dú)立貫通裂縫，可以向裂縫內(nèi)部灌注強(qiáng)力粘結(jié)材料，沿受拉方向或垂直于裂縫方向?qū)⒘芽p內(nèi)部填充，形成一個(gè)新的復(fù)合體，使強(qiáng)力粘貼材料與原有混凝土結(jié)構(gòu)共同受力，不但能增大原結(jié)構(gòu)的抗裂、抗剪能力，同時(shí)還可以提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、抗裂性和延伸性。

對(duì)部分重要的受力構(gòu)件或病害嚴(yán)重的構(gòu)件，可采用外貼碳纖維布作進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)加固處理。

4 工程實(shí)例

張涇河水利樞紐工程位于上海市金山區(qū)朱涇鎮(zhèn)境內(nèi)，處在黃浦江南岸張涇河入黃浦江豎潦涇的河口段，距北河口約1.2km，全長(zhǎng)為996.6m，張涇河水利樞紐工程包括3×8m 節(jié)制閘和16m 寬船閘（通航標(biāo)準(zhǔn)VI 級(jí)）各一座，于2003年12月15日竣工，至今已運(yùn)行15年。樞紐工程所在防洪排水區(qū)域?qū)偕虾Ｊ兴制卫硪?guī)劃中的浦南東片，是黃浦江干流段防洪工程的重要骨干工程，工程主要功能為防洪、排澇、水資源調(diào)度及航運(yùn)，對(duì)改善黃浦江的防洪狀況和促進(jìn)金山區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的意義。

4.1 節(jié)制閘

節(jié)制閘布置在老河道上，閘室為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共3 孔，單孔凈寬8.0m。閘室長(zhǎng)18m，寬28.2m，底板厚1.4m，底板頂高程-2.50m（上海吳淞高程，下同），閘門坎坎面高程-1.50m，邊墩厚1.0m，中墩厚1.1m。采用升臥式平面鋼閘門，閘門尺寸7.94m×6.1m，重12.5T，配備2×100kN 電動(dòng)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，高程10.55m 處設(shè)啟閉機(jī)平臺(tái)，并建啟閉機(jī)房。

4.2 船閘

船閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為VI 級(jí)通航建筑物，可通行100T 級(jí)駁船，由內(nèi)外閘首、閘室、防沖設(shè)施、內(nèi)外引航道等組成。

外閘首采用C25 鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，閘首長(zhǎng)15m、寬16m、底坎高程-1.10m，底板厚1.9m，邊墩厚1.4m，閘門采用直升式平板鋼閘門，啟閉機(jī)采用QPQ2×250kN電動(dòng)啟閉機(jī)，啟閉機(jī)工作橋橋面高程15.90m。

內(nèi)閘首同樣采用C25 鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，閘首長(zhǎng)14m、寬16m、底坎高程-1.00m，底板厚1.9m，邊墩厚1.4m，閘門采用直升式平面鋼閘門，門頂高程14.60m，啟閉機(jī)、工作橋及控制室結(jié)構(gòu)同外閘首。

閘室有效長(zhǎng)度為190m，凈寬16m，采用鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，底高程-1.10m，底板厚1.20m，邊墻厚0.4m～1.0m。閘室每節(jié)20m，相臨兩節(jié)閘室設(shè)20mm寬伸縮縫，縫間設(shè)橡膠止水。閘室側(cè)墻上設(shè)有系船柱、助航孔等輔助設(shè)施，方便船舶過(guò)閘。

外引航道長(zhǎng)180m，內(nèi)引航道長(zhǎng)200m，引航道寬24m。兩側(cè)均采用鋼筋混凝土L 型樁基防汛墻，墻頂高程外河側(cè)為5.24m，內(nèi)河側(cè)為4.20m；防汛墻底板寬4m，底板面與引航道底齊平，同為-1.10m(外河側(cè))、-1.00m(內(nèi)河側(cè))，底板厚0.60m，墻身厚0.3m～0.6m，直立式防汛墻同時(shí)兼作靠航建筑物，布置部分系船柱。外河側(cè)防汛墻樁基為二排300mm×350mm×10000mm 的鋼筋混凝土方樁，間距1.0m，內(nèi)河側(cè)防汛墻樁基為二排300mm×300mm×10000mm 的鋼筋混凝土方樁，間距1.0m。

4.3 水閘混凝土結(jié)構(gòu)

水閘外觀調(diào)查如表1所示：水閘翼墻表面鋼護(hù)舷脫落嚴(yán)重，混凝土缺少保護(hù)裝置，表面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損壞，普遍存在裂縫、剝蝕、脫落、疏松、鋼筋銹脹以及露筋等現(xiàn)象；止水分鋒損壞尤為嚴(yán)重。

表1 水閘外觀調(diào)查

4.4 水閘裂縫成因分析

混凝土碳化、保護(hù)層厚度嚴(yán)重不足

該水閘大多數(shù)鋼筋保護(hù)層厚度嚴(yán)重不足，與設(shè)計(jì)要求相差甚遠(yuǎn)，同時(shí)由于局部結(jié)構(gòu)混凝土碳化深度已超過(guò)鋼筋保護(hù)層厚度，造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋得不到長(zhǎng)期有效的堿性保護(hù)，從而引起鋼筋銹蝕，銹蝕結(jié)果引起體積膨脹，從而造成面層混凝土開(kāi)裂。

4.5 裂縫的修復(fù)對(duì)策

現(xiàn)根據(jù)鋼筋混凝土構(gòu)件病害，提出以下修復(fù)對(duì)策：

檢修平臺(tái)板梁構(gòu)件中部上下游均有垂直的貫穿性裂縫，存在較大安全隱患，應(yīng)予盡快更換或加固。

對(duì)現(xiàn)狀構(gòu)建病害的處理建議采用水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)，有較好的黏結(jié)性能，并具有較好的抗腐蝕性能。

對(duì)部分重要的受力構(gòu)件或病害嚴(yán)重的構(gòu)件，建議采用外貼碳纖維布作進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)加固處理。碳纖維材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐、耐老化、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，其抗拉強(qiáng)度是同等截面鋼材的7-10 倍。目前碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)已在我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)加固工程中得到廣泛運(yùn)用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)水閘混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并根據(jù)分析成果提出裂縫的防治與修復(fù)措施，最后結(jié)合金山地區(qū)的氣候等特點(diǎn)，對(duì)區(qū)域內(nèi)已實(shí)施的水閘混凝土修復(fù)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出合理建議。