水工隧洞施工裂縫預防及加固措施

葛鴻飛

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

裂縫一直是水工隧洞混凝土結構存在質量問題的主要原因，裂縫一旦形成，不僅降低了結構的承載力和耐久性，還會造成內部受力鋼筋的銹蝕，加速結構構件的損失，給結構造成了嚴重的安全隱患。尤其對于水工隧洞，更需要控制裂縫，保證結構的安全，防止內部鋼筋銹蝕。水工隧洞由于長期受到水壓力、水沖擊、土壓力以及溫度應力綜合的作用，容易使水工隧洞混凝土結構產生裂縫，因此，裂縫的預防控制以及加固措施是工程界研究的主要課題，減少甚至避免水工隧洞的裂縫，可以大大提高水工隧洞結構的使用壽命和安全性能，并且，有效控制結構裂縫，可以減少經濟投入，節約成本，提高效率。

引起混凝土結構裂縫的原因有兩種，由外力荷載引起的裂縫和由非外力荷載引起的裂縫，外力荷載主要通過增大鋼筋混凝土結構所受的軸力、彎矩、剪力等內力，造成結構內部的破壞；非外力荷載主要是由于設計不妥當、施工質量不高以及施工材料沒有達到標準等原因，都會形成結構的裂縫。因此，產生結構構件裂縫的原因很多，最重要的就是有效的裂縫控制。針對存在裂縫的水工結構，可以采取有效的加固措施對結構進行加固，也可以提高結構的安全性能，延長結構的使用壽命。

1 施工階段裂縫控制措施

裂縫會對水工混凝土結構產生重大影響，避免裂縫產生就要從施工階段采取裂縫控制措施，以減少和避免裂縫的發生。

1.1 材料的選取和管理

混凝土原材料的性能和配比是保證水工隧洞質量的前提，把控好原材料的選取和管理，是杜絕結構裂縫的第一步。控制混凝土的裂縫可以從混凝土原材料的質量、運輸質量、配合比設計、外加劑和養護條件等入手。水泥盡量采用低熱水泥，砂石骨料的選取也需要滿足一定的強度，拌和水需要自來水。在混凝土攪拌后的運輸過程中，也需要控制時間和攪拌車的轉速；在進行攪拌過程中，嚴格按照配合比要求，攪拌完成后需要進行塌落度實驗和強度實驗，保證混凝土的強度等級滿足設計要求。外加劑的使用需要嚴格按照國家的相關標準進行，不同的水泥有不同的外加劑，加入的量也有所不同。

1.2 施工質量的控制

施工質量的好壞直接關系到結構的安全，結構工程師設計安全的結構，還需要施工員合理的施工，否則不僅浪費巨大的物力、人力和財力，還會影響結構的安全性能。施工質量主要從施工工序、混凝土運輸、澆筑和振搗，都要按照驗收標準進行，特別是在振搗過程中，振搗不充分很容易引起混凝土的不均勻沉降，養護過程中，注意濕度的控制以及溫度的變化，減少水化熱反應，降低混凝土的變性速度，保證混凝土的強度等級滿足設計要求。

1.3 溫度控制

裂縫的形成大部分都由于溫度引起的，因此，控制溫度可以有效降低裂縫的發生概率。首先要降低混凝土的入倉溫度，可以在混凝土攪拌過程中加入冰塊等，減少水化熱反應，保持倉面低溫也可以降低混凝土的溫度。另外，還可以降低混凝土的內外溫度差，縮小混凝土的溫度梯度。混凝土在攪拌過程中，由于水化熱反應放出大量的熱，導致混凝土表面溫度不均勻，引起溫度應力，形成裂縫。澆筑過程中，不同的季節采取不同的溫度控制方法，只要避免溫度不均，就可以減少溫度應力的大小，降低形成裂縫的概率。

1.4 高新技術

微生物技術或者納米技術改善混凝土的性能，減少裂縫的發生。有些細菌可以將砂礫和環境中的有機物進行反應，析出碳酸鈣晶體，這種晶體可以提高骨料之間的凝結能力，減少裂縫的發生。納米技術就是采用納米材料提高混凝土材料的耐久性，還可以降低混凝土材料中的含水量，從而提高了骨料之間的密實度，增強了混凝土材料的抗滲能力。這些高新技術都是從源頭出發，改善結構之間的粘結力，提高混凝土的使用性能和耐久性。

2 加固措施

2.1 粘鋼加固混凝土

粘鋼加固混凝土，就是用鋼板貼在混凝土基材表面，使之共同承受外部荷載，實現加固混凝土的作用。這種加固及時、施工比較方便、加固成本低、加固效果比較好，而且增加的自重比較小，不會增加結構本身的荷載，被廣泛運用。但是粘鋼的粘結材料要求很高，鋼板和混凝土能否共同受力，取決于粘結材料的性能。學者候發亮對粘鋼混凝土的粘結性能做了抗拔試驗，試驗裝置如圖1所示，得出了錨固長度的計算公式。

圖1 抗拔試驗裝置

錨固長度計算公式如下：

式中：L——錨固長度，m；

1 170/10.5——根據粘結面剪力分布推到出的系數；

K——安全系數，取值為1.1～1.3；

t——鋼板的厚度，m；

σ0——鋼板中的抗拔應力，Pa；

［σ］——鋼板的極限拉應力，Pa。

在實際粘鋼加固過程中，還需要根據具體的情況，包括原有結構的損傷情況進行錨固長度的設計。雖然粘鋼具有很大的優勢，但是也存在一些問題。比如鋼材是易腐蝕的，由于直接和空氣接觸，就需要對鋼板進行防腐處理，這就增加了加固成本；傳統的凝結材料不能很好地使鋼板和混凝土共同承受外荷載，且容易受到溫度、濕度等自然環境的影響。

2.2 碳纖維加固混凝土

碳纖維加固混凝土就是把碳纖維布粘貼到混凝土表面，使之與混凝土構件共同受力，如圖2所示。

圖2 碳纖維加固混凝土示意圖

碳纖維加固混凝土結構主要流程，先清除混凝土表面的缺陷，然后打底漆，找平后刷樹脂膠，粘貼碳纖維布。因此，加固混凝土的好壞直接取決于中間的樹脂性能，常因施工技術局限，不能完全將碳纖維布和混凝土完美地聯結在一起，不能共同受力，使碳纖維布強大的抗拉性能得不到充分發揮。

2.3 CFRP補強混凝土

傳統的底漆材料和找平材料施工難度很高，氣溫要在5℃以上，濕度要達到85%以上等等，這些施工條件在施工現場很難完成，大大降低了碳纖維布加固混凝土結構的性能，CFRP（碳纖維增強復合材料）的性能得不到利用。因此，有學者提出在找平層和樹脂層涂刷一層柔性聚脲彈性涂層，可以大大改善碳纖維布與混凝土的粘結性能，如圖3所示。

圖3 CFRP補強混凝土示意圖

這種新型的CFRP補強混凝土技術，提高了碳纖維布與混凝土的粘結性能，同時提高了混凝土結構的承載能力和抗震性能；另外，這種聚脲彈性涂層還可以防止有害離子的入侵，提高加固混凝土的耐久性。

3 結論

水工隧洞的裂縫形成的因素很多，只有從施工階段抓起，嚴格控制施工質量，才會減少裂縫的發生。裂縫是水工隧洞混凝土結構的主要控制指標，由于水工隧洞本身工作環境的特殊性，裂縫會嚴重影響水工結構的安全性能，造成安全隱患，降低了結構的穩定性和耐久性。

無論是粘鋼加固混凝土還是粘貼碳纖維布，之間的粘結材料才是保證二者共同工作的關鍵，未來的研究重點應該放在粘結材料上面，以及發現更好的固定方式，不管是機械固定還是化學劑固定，都是有發展空間的。