淺析水閘施工期開裂的原因及預(yù)防

□孫 劍（貴州省黔中水利樞紐工程建設(shè)管理局）

1.前言

水閘一般興建在軟土地基上，以閘門擋水為主，既能擋水，又能泄水，兼有擋水和泄水的雙重作用，用以調(diào)節(jié)水位、控制流量，多用于河道、渠系及水庫、湖泊岸邊。我國有著悠久的水閘修建歷史，水閘在平原地區(qū)較為常見，大多修建在一些河流的出入口處，以滿足水利事業(yè)的各種要求。水閘類型多，任務(wù)也較廣泛，主要有以下幾種：（如圖1所示）

圖1 各種水閘類型示意圖

盡管我國水閘歷史悠久，施工工藝成熟，但從工作實踐來看，水閘開裂是一個常見的現(xiàn)象，長期以來困擾著工程界。水閘主要由底板和閘墩組成,呈倒丁字形結(jié)構(gòu)，閘墩底部受閘底板混凝土約束,局部抗剪強(qiáng)度不足產(chǎn)生的不均沉降易導(dǎo)致閘體開裂甚至斷裂，造成水閘混凝土施工過程中水閘底板混凝土?xí)r有裂縫出現(xiàn)。其裂縫向上開展一般略超過墩高的一半,常為貫穿性裂縫。上部可自由變形,比較容易產(chǎn)生裂縫，后續(xù)施工的閘墩開裂現(xiàn)象更為嚴(yán)重，對水閘的安全性有很大的影響。閘墩裂縫多數(shù)位于墩墻中部區(qū)域,近豎直向,兩端小,中間大,呈棗核狀，甚至曾出現(xiàn)一條閘墩多處開裂的現(xiàn)象。

2.水閘施工期開裂的原因分析

大量的工程實踐證明，在施工過程中,水閘結(jié)構(gòu)尚未承擔(dān)外部荷載,混凝土結(jié)構(gòu)的開裂主要是由于溫度作用以及地基不均勻沉降造成的。

2.1 底板裂縫成因分析

水閘主要由底板和閘墩組成,底板是水閘的重要組成部分，地板主要由整體式和分離式兩種，如圖2。對整體式地板而言，由于其和閘墩一起澆筑，因此較為牢固，主要適用于地基條件較差的情況。分離式則恰恰相反，由于底板牢固，穩(wěn)定性強(qiáng)，底板順?biāo)鞣较虻木嚯x要遠(yuǎn)大于垂直距離，相應(yīng)的順?biāo)较虻膲毫σ惨笠恍淞芽p主要產(chǎn)生于底板中間部位，垂直于水流方向一般沒有裂縫的出現(xiàn)，因此其所產(chǎn)生的裂縫主要是不均勻沉降形成的，這主要是由于混凝土熱脹冷縮產(chǎn)生大量水化熱造成的。混凝土澆筑后,水泥發(fā)生水化反應(yīng),水化反應(yīng)時產(chǎn)生大量的水化熱，釋放出大量的熱量。盡管底板暴露于空氣中，其熱量可以迅速傳導(dǎo)到空氣中，或者通過與底板連接的地基，導(dǎo)入地下；但是由于混凝土導(dǎo)熱性比較差，無法在短時間內(nèi)釋放大量水化熱，導(dǎo)致大量的熱量積聚于水閘底部。混凝土達(dá)到最高溫度后隨著熱量的散發(fā)又開始降溫，這就產(chǎn)生巨大的溫差，在這種溫度急劇變化的影響下，混凝土開始變形，產(chǎn)生大量的溫度壓力，在這種壓力作用下，水閘底部出現(xiàn)一些裂縫。（如圖2所示）

圖2 地板裂縫示意圖

2.2 閘墩裂縫成因分析

閘墩作為大體積混凝土，開裂機(jī)理與底板基本一致，其溫度裂縫隨外界環(huán)境溫度的周期性變化而呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律，閘墩底部固結(jié)在底板上，上部自由，在早期容易產(chǎn)生“內(nèi)部受壓，表面受拉”的壓力，閘墩裂縫多數(shù)位于墩墻中部區(qū)域，大多呈現(xiàn)兩邊小,中間大的形狀，與底板裂縫的現(xiàn)象有共同之處。但是與底板不同的是，閘墩作為大體積混凝土，熱量傳遞的同時更易在內(nèi)部積存，在閘墩內(nèi)部和表面易形成溫差，內(nèi)部溫度高于外部溫度，出現(xiàn)峰值溫度，產(chǎn)生壓力。而且由于閘墩混凝土澆筑時，底板混凝土已經(jīng)澆筑完成，這就造成新老混凝土之間出現(xiàn)上下層溫差，老混凝土由于施工時間比較長，水化熱已經(jīng)揮發(fā)完畢，溫度不高，但是新混凝土由于剛剛澆筑，其溫度較高，這就產(chǎn)生了新老混凝土之間巨大的溫度差異，產(chǎn)生溫度壓力，以至于這種力量超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生裂縫。（如圖3所示）

圖3 閘墩裂縫示意圖

3.水閘施工期開裂的預(yù)防

3.1 材料選擇

正如上文分析，要減小混凝土溫度裂縫出現(xiàn)的可能性，可采用水化熱較小的水泥原料，盡量減少水泥的使用量，從而降低溫度差異產(chǎn)生的拉力。在水泥的選材上也要格外注意，選擇優(yōu)質(zhì)的、水化熱低的水泥，例如中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥。還可以在水泥中摻入一些活性混合料，從而達(dá)到降低水化熱的目的，例如加入煤灰等，據(jù)實驗證明，加入10%的煤灰可以減少10%的水化熱量，從而提高抗裂性。另外，還要優(yōu)選混凝土骨料，粗骨料占混凝土組成比例接近90%，其中影響最大的是石子，然后再是砂子等骨料。施工過程中一般首選天然骨料，其次再是人工骨料。具體選擇標(biāo)準(zhǔn)見下表1。

表1 巖石熱脹系數(shù)表

3.2 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

水閘混凝土澆筑完畢后要采取養(yǎng)護(hù)措施，這是防止混凝土表面裂縫的重要措施之一，養(yǎng)護(hù)工作做的好，可以有效的減少裂縫的產(chǎn)生。從目前來看，很多養(yǎng)護(hù)措施根據(jù)施工經(jīng)驗而定，沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，造成有些工作事倍功半，其實養(yǎng)護(hù)工作要根據(jù)季節(jié)而定，夏季高溫和冬天低溫要采取不同的養(yǎng)護(hù)措施。研究表明，在低溫季節(jié)進(jìn)行水閘混凝土的施工時，要求混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求的50%以前不遭受凍結(jié)，這時由于溫度低，閘墩散熱比較快，產(chǎn)生拉力大，出現(xiàn)裂縫，因此養(yǎng)護(hù)主要以保溫為主，在混凝土表面覆蓋保溫材料，可以選擇一些導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，因為研究證明，導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫效果越理想。具體見表2。同樣，在夏天高溫時，溫度高，水分蒸發(fā)快，氣候較為干燥，混凝土水化作用也受到限制，收縮引起的拉應(yīng)力很快使混凝土開裂。這時的養(yǎng)護(hù)措施將完全不同于冬季養(yǎng)護(hù)，可以采用倉面噴霧技術(shù)，主要目的是釋放霧氣，在混凝土表面形成一個霧化隔離層，從而很好的隔絕陽光照射，有效的控制混凝土的揮發(fā)速度。另外，在混凝土澆筑完畢后，可采用頂面蓄水的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

表2 常用保溫材料及導(dǎo)熱系數(shù)表

3.3 控制混凝土溫度

控制混凝土的溫度非常重要，如果外界氣溫很高，混凝土相應(yīng)的澆筑溫度也高，從而提高水化速度，不利于降低溫差，我們可以采用埋設(shè)冷水管的辦法，通過冷水來冷卻混凝土溫度，這樣效果比較直接，也比較明顯。冷卻拌和水還可以摻加冰屑，是預(yù)冷混凝土最簡易的方法。但由于水在混凝土中比重不大，單純的冷卻水作用有限，同時由于骨料幾乎占混凝土的90%，因此，可以對骨料進(jìn)行冷卻，方法可以有水冷法、風(fēng)冷法,分別是用冷水冷卻骨料或者用冷風(fēng)吹冷骨料，或者二者結(jié)合使用。

3.結(jié)語

總之，水閘裂縫施工期開裂比較常見，原因也比較復(fù)雜，作為施工技術(shù)人員，需要在施工實踐中，不斷摸索和改進(jìn)施工工藝，做好包括溫度控制以及養(yǎng)護(hù)等各種措施，切實有效的控制裂縫的產(chǎn)生。

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