水工建筑物變形縫施工技術問題與改進方法研究

高建文，蔡少奇

(廣東順水工程建設監理有限公司，廣東 佛山 528300)

1 水工建筑物變形縫施工技術問題

變形縫是水工建筑物中伸縮縫和沉降縫的總稱，它的作用是為了抵消水工建筑物在結構層面上的因溫度變化、老化等外界因素帶來的伸縮和沉降，以免建筑物的結構遭到破壞。

其中伸縮縫是為了防止水工建筑物因溫度變化導致產生隆起、折疊等結構變化而設置的構造縫。水工建筑物建設的地點通常遠離較堅硬的地面，水渠泵站等建筑物的地基易發生不規律的沉降而導致建筑物結構變形，沉降縫的設置是為了水工建筑物在垂直面上的位移提供一定的裕度，防止建筑物因地基沉降而產生形變。防震縫是應用于地震作用時相鄰建筑物發生碰撞導致結構受損的預制垂直縫隙。水工建筑物因種類、專業、建設地點等不同條件，設置變形縫時引用的相關建筑標準也有所區別。

從實際工程應用的角度出發，設置變形縫一方面可以解決水工建筑物不規則變形，優化建筑物的受力狀態，另一方面則增加了建筑物結構防水的難度。因此從防水的施工角度來看，變形縫應當少設置或不設置[1]。

目前在國內水工建筑物的變形縫設置和協調無明確的做法和規定，不利于水工建筑物的工程開展。實際工程建設中也存在著各種問題與不規范現象，常見問題已列于表1。各種不同程度的不規范現象會導致水工建筑物在日常使用中損壞甚至造成建筑物形變程度過大影響其使用壽命。

表1 水工建筑物施工技術問題與危害

續表1 水工建筑物施工技術問題與危害

2 水工建筑物變形縫改進方法研究

2.1 根據結構荷載優化變形縫設置間距

通過對水工建筑物變形縫影響因素的分析，可以確定水工建筑物變形縫設置改進方法為：①計算出待改進建筑物未設置變形縫時，各部分的縱向應力和各方向的位移。對于位移過大的區段不宜加大變形縫間距。②對需要進行改進的地方進行縱向應力分析和位移觀測，確認改進的效果[2]。

對待改進的水工建筑物進行地質影響因素數值模擬分析，涉及到變形縫兩側的應力和沉降變化，計算采用三維—荷載結構模型。計算參數包括襯砌參數、變形縫參數、圍巖參數等，由于荷載結構模型法的首要問題是確定荷載，荷載一般可以分為：

1)主要荷載：指長期作用的荷載，包括自重、地層壓力、彈性抗力、地下水靜水壓力等。

2)額外荷載：指非經常作用的荷載，包括灌漿壓力、局部落石荷載或施工荷載。

3)特殊荷載：地震荷載、爆炸荷載等。

2.2 使用加強后澆帶和外墻誘導縫

實際工程設計時，通過深化設計和精確計算，可以考慮使用加強后澆帶和外墻誘導縫技術。使用加強后澆帶可以取代結構變形縫，使用該技術時應注意調整加強后澆帶的寬度與總體建筑物長寬的關系。設置加強后澆帶時，從建筑物底板至地上頂板所涉及的建筑物主梁、結構板和墻體都要安裝設置，且之間的鋼筋不應直接通過加強帶，應當在加強后澆帶所在的區域內進行搭接。設置加強后澆帶的時間點也同等重要，應在主體結構外保溫層已經完成，在建筑物的整體溫度較低的時候動工設置，此時混凝土的結構伸縮較小[3]。

設置外墻誘導縫的目的是人為的在混凝土結構中設置薄弱區域，當混凝土因為某種原因產生變形開裂時，形變點會在薄弱區域產生。通過減弱鋼筋對混凝土的約束，避免變形點在其他重要區域產生，起到釋放開裂變形和避免滲漏問題的作用。由于外墻誘導縫為混凝土薄弱區，因此需要人為設置止水帶，使其防水能力增強，使誘導縫到達雖裂卻不滲的實際工程目標。

2.3 新型密封止水材料充當防水層

變形縫密封材料是指在工程施工過程中適用于水工建筑物變形縫防水和各類預埋構件防滲漏的填充材料。新型密封止水材料有良好的填充性和黏連性，確保產品填入裂縫和空隙中，因而適用于各類建筑物連接面，且能與各類縫隙界面能很好形成一體，實現縫隙良好密封的一類材料[4]。新型密封止水材料主要有聚合物瀝青類、樹脂類、聚合物改性尿烷類等，表2列出了幾種新型材料的種類和性質。

表2 新型密封止水材料種類性質表

3 案例分析

3.1 工程概況

黑河某樞紐工程水閘站高15m，總長為392.6m，下部為水工泄洪閘段?，F場的情況如圖1所示，該工程地區處于內陸溫帶氣候帶，晝夜溫差較大。水閘站兩岸地形略微成不對成狀，左岸相對平緩，右岸較為陡峭呈字母“W”型。建站已有20a歷史，現下部孔洞處變形縫出現不同程度的開裂變形情況，如圖2所示。

3.2 結果分析

對總長約400m的水閘站建立三維—荷載結構模型，建模結果如圖3所示，然后對總長進行區間分割，將其分成6個區間，每個區間選擇1個測點，分別計算每個區間最大縱向應力和各方向上的位移測點。計算結果見表3和圖3。

圖1 黑河某樞紐水閘站變形縫開裂圖

圖2 水閘站荷三維—荷載結構模型

表3 各區段最大縱向應力表

圖3 優化前各測點各方向位移圖

由模擬計算的4個區間可知，縱向應力最小區間為區間6，縱向最大應力為-3569.4kPa，適合進行變形縫設置優化而其余區間的縱向應力較大，需要保留原始設計中的變形縫設置間距。區間6原先設計的變形縫為10.5m一道，優化后將其設置為19m一道，區間6總共設置4道變形縫。對優化后的水閘進行結構分析和數值模擬，得到優化后的變形縫兩側縱向最大應力值見表4，和各測點各方向位移圖見圖4。

表4 變形縫兩側縱向最大應力值

圖4 優化后各測點各方向位移圖

根據圖3和圖4可知，通過對區間6的變形縫數量的重新設置，減小了區間內測點在張合方向、沉降方向上的位移值。表3內所呈現的變形縫兩側的結構最大應力也未超過C40混凝土的抗拉和抗壓強度的標準值，該案例充分說明在該工程中在滿足結構最大應力的情況下對變形縫設置數量進行優化的充分可行性。

4 結 語

水工建筑物變形縫施工方面的技術問題廣泛存在，水工建筑物投產以后的修復工作十分復雜，存在維護費用高，可操作空間狹小且修復效果欠佳等困難。因此有必要在建筑物投運前的施工規劃階段設置變形縫時采用文章所述的改進方法，通過對水工建筑物建立三維——荷載模型分析其縱向最大應力和各方向的位移來優化變形縫的數量，同時采用加強后澆帶和外墻誘導縫手段和使用新型密封止水材料充當止水層，能有效改善水工建筑物沉降、開裂和滲漏問題。