后澆帶在句容河蓄水閘上的應(yīng)用研究

楊 宇，貢錦煒，吳 雷，朱田康，馮淑琳

(1.鎮(zhèn)江市工程勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 2.丹陽市水利局，江蘇 丹陽 212300)

在經(jīng)濟飛速發(fā)展的時代，水利工程建設(shè)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的需求規(guī)模日趨增大，結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，具有高強化特征的結(jié)構(gòu)材料的涌現(xiàn)，使得超厚、超寬的大型建筑物逐步得以建設(shè)。在大型建筑設(shè)計時，應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計規(guī)范設(shè)置變形縫，便于釋放由不均勻沉降、溫度等因素變化造成的變形效應(yīng)而引發(fā)的能量，進而避免建筑產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。為解決上述問題，需要在施工時適當(dāng)保留臨時性變形縫，即工程中的后澆帶，其原理是“抗放兼施，先放后抗”。

1 水工結(jié)構(gòu)中的后澆帶

后澆帶是設(shè)置在現(xiàn)澆大體積整體式鋼混結(jié)構(gòu)中，為了解決不同結(jié)構(gòu)間由于差異沉降引起的變形、鋼筋混凝土自身收縮變形與開裂以及混凝土的溫度變化而產(chǎn)生的變形，在施工期間臨時預(yù)留了一條很寬的縫，結(jié)構(gòu)的其他部分混凝土澆筑完后，一定的時間內(nèi)保留該縫，已澆筑好的混凝土結(jié)構(gòu)在未受外荷的情況下得到充分自由變形，然后對該縫進行填充而成的混凝土帶[1]。后澆帶的設(shè)置使整個結(jié)構(gòu)成為無縫的整體結(jié)構(gòu)。

蓄水閘中后澆帶的應(yīng)用范圍是閘室主體，包含底板和閘墩等在施工中的預(yù)留縫，待閘墩施工完畢，結(jié)構(gòu)沉降變形基本趨于穩(wěn)定時，再將混凝土施工縫補齊，結(jié)構(gòu)由后澆帶連成整體。既可以解決底板和閘墩的差異性沉降，同時又可以不必設(shè)置永久變形縫。

2 后澆帶的類型

2.1 沉降后澆帶

在同一基礎(chǔ)之上的混凝土結(jié)構(gòu)，由于上部荷載的差異，或者是處在不同基礎(chǔ)上的同一結(jié)構(gòu)，因其地基承載力的不同，均會使結(jié)構(gòu)澆筑后地基出現(xiàn)較大的沉降差。如果將結(jié)構(gòu)分成若干部分，讓每一部分都發(fā)生自由沉降，再使用后澆帶連接，設(shè)置后澆帶可較好地解決由地基不均勻沉降引起的主體結(jié)構(gòu)差異性沉降問題。另外，后澆帶有時還可代替沉降縫，從而達到提高水下工程的防滲效果。

2.2 溫度后澆帶

大體積混凝土在凝結(jié)過程中會釋放出大量水泥水化熱，其熱量使得澆筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土溫度發(fā)生明顯的升高。在溫度上升期間，若外界溫度突降或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度過高，其內(nèi)部與表層形成較大溫差時，就會使表層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土極限拉應(yīng)力時，會導(dǎo)致產(chǎn)生早期表層裂縫或進一步形成貫通性裂縫[2]。裂縫的出現(xiàn)會降低建筑物承載力，從而影響工程設(shè)施使用年限。溫度后澆帶的設(shè)置可較好地解決由大體積混凝土施工的溫度應(yīng)力而引起的問題。

2.3 伸縮后澆帶

處于干燥環(huán)境下的混凝土，其內(nèi)部水分散失或濕度降低時會引起體積縮小。在現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，因結(jié)構(gòu)外部支座和內(nèi)部鋼筋約束存在，混凝土發(fā)生收縮時，其內(nèi)部會產(chǎn)生約束拉應(yīng)力。當(dāng)約束拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度時，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂。為解決體積較大或跨度過長建筑物因混凝土收縮而出現(xiàn)的裂縫問題，可通過設(shè)置后澆帶施工縫來解決，即伸縮后澆帶。

3 工程背景

句容河蓄水閘地處江蘇省句容市句容河之上，新閘選址位于原句容河橡膠壩位置，與句容河清淤和河岸綠化等工程一起構(gòu)建句容城區(qū)“一河穿城”“水城交融”的水生態(tài)景觀布局，形成綠水圍繞、以水為魂，“藍綠交織”的生態(tài)空間體系。

句容河蓄水閘組成部分包含上游連接段、閘室、下游消力池、防沖槽和海漫等部分。蓄水閘共三孔，對稱布置，閘室孔口凈寬14.2 m×3 m，總寬47.8 m，順?biāo)鞣较蜷L度23.0 m，閘底板頂高程為5.20 m，厚度為2.1 m，上游側(cè)閘墩頂高程17.0 m，下游側(cè)高程16.0 m，中墩厚度1.2 m，邊墩厚度1.2 m～1.4 m，閘底板采取后澆帶措施后一跨整體布置。

閘址地基土可劃分為3個工程地質(zhì)層，自上而下依次為⑤號粉質(zhì)黏土夾粉土層、⑦號粉質(zhì)黏土夾碎石層和⑧號泥質(zhì)粉砂巖。其中⑤號粉質(zhì)黏土夾粉土層為中等壓縮性、中等承載力土，工程力學(xué)性一般；⑦號粉質(zhì)黏土夾碎石層為中低等壓縮性、高承載力土，工程力學(xué)性質(zhì)好。

SL 265—2016水閘設(shè)計規(guī)范[3]中4.2.13條規(guī)定:“土基上的閘室結(jié)構(gòu)垂直水流向分段長度不宜超過35.0 m，當(dāng)分段長度超過本條規(guī)定數(shù)值時，宜作技術(shù)論證”。實際工程設(shè)計和施工中，考慮到超長混凝土因結(jié)構(gòu)過長而導(dǎo)致的不均勻沉降和裂縫，一般不宜直接采取一次澆筑成型的措施，而是劃分多個段落澆筑，通過設(shè)置后澆帶的方式來控制裂縫和減小差異沉降。以本工程為例，句容河蓄水閘總寬47.8 m，故采用在底板設(shè)置兩道后澆帶，將底板分為三個獨立的部分。

4 后澆帶的設(shè)計

4.1 后澆帶設(shè)計

后澆帶寬度通常取值為700 mm～1 000 mm，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的墻、板的厚度確定；后澆帶采用的接縫形式有直縫、階梯縫、槽口縫、X形縫等。本工程中蓄水閘后澆帶采用的是槽口縫型式，其結(jié)構(gòu)見圖1。

后澆帶一般布置于閘底板受力較小處，根據(jù)底板受力圖，句容河蓄水閘的兩道后澆帶分別位于底板中心線兩側(cè)5.1 m處，詳見圖2。

4.2 后澆帶中的混凝土及澆筑

蓄水閘主體結(jié)構(gòu)采用C30鋼筋混凝土，后澆帶混凝土強度等級應(yīng)略高于主體結(jié)構(gòu)，故采用C35混凝土。一般地，確定后澆帶混凝土澆筑的時間應(yīng)當(dāng)根據(jù)后澆帶的類型、先澆混凝土變形完成時間、水泥種類、水灰比等幾個方面綜合而定，在澆筑混凝土后的30 d～60 d內(nèi)完成。句容河蓄水閘工程后澆帶在兩岸建筑物及上部結(jié)構(gòu)完成，墻后填土至高程10.0 m，且時間不低于30 d時方可實施，此時南、北兩塊底板的沉降量已達到最終沉降量的60%～80%范圍內(nèi)，再施工后澆帶，剩余的20%～40%的沉降量可由底板和后澆帶組成的整體結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)。

后澆帶施工前，先將兩側(cè)底板混凝土側(cè)表面上的浮漿鏟除，并鑿刻成毛面狀態(tài)，徹底清除兩塊底板之間的雜物，經(jīng)過不低于24 h的澆水潤濕，鋪一層與底板混凝土配合比相同的砂漿，以滿足后澆帶混凝土與先澆筑混凝土之間具有良好的連接；后澆帶混凝土限制膨脹率2×10-4～5×10-4，自應(yīng)力值0.2 MPa～0.7 MPa；混凝土配合比及微膨脹劑摻量須經(jīng)試驗確定，水泥采用不低于P.O52.5級水泥，為保證攪拌均勻，須將混凝土攪拌時間較普通混凝土略延長，混凝土澆搗完畢后，在12 h內(nèi)做好覆蓋和澆水工作。混凝土進行澆水養(yǎng)護不宜低于14 d，不得在日平均氣溫低于5 ℃時澆水，必要時應(yīng)采取保溫措施，待拆除混凝土模板后，對混凝土表面加覆蓋，避免陽光直曬或低溫侵襲。

4.3 后澆帶中的鋼筋

閘底板處后澆帶部位的鋼筋應(yīng)連續(xù)而不宜斷開，配置的鋼筋應(yīng)當(dāng)能使底板結(jié)構(gòu)承擔(dān)得起上部結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生的先期沉降和后期差異沉降產(chǎn)生的內(nèi)力。前期底板混凝土澆筑后，需要待混凝土養(yǎng)護完成并沉降穩(wěn)定，才能對后澆帶進行施工，這之間需要間隔較長時間，因此需要對后澆帶中的預(yù)留鋼筋做防銹和除銹處理，以免影響鋼筋性能。可采用的鋼筋防腐蝕的方法主要有水泥基層涂法、環(huán)氧樹脂涂層法、涂防銹水法、混凝土包裹法等；可采用的除銹方法主要有加入鋼筋阻銹劑的水泥漿或混凝土進行修復(fù)、用敦化砂漿或混凝土修復(fù)、全樹脂材料修補和電化學(xué)防護法等。

5 后澆帶的設(shè)置效果分析

句容河蓄水閘基底土層厚度0 m～4.32 m，土層厚度由北岸向南岸遞增。北岸基底為基巖，土層厚度0 m；南岸基底分別為3.02 m厚的⑤號粉質(zhì)黏土夾粉土層和1.30 m厚的⑦號粉質(zhì)黏土夾碎石層。由于閘底板兩岸坐落土層的厚度相差4.32 m，為防止閘室兩岸沉降差過大，設(shè)計中采用兩條后澆帶將底板分三塊澆筑，首先澆筑南、北兩岸的底板，待兩側(cè)底板沉降完成后再澆筑中間底板。

5.1 地基沉降計算

成層地基最終沉降量計算可采用分層總和法，如下式：

其中,S∞為成層地基最終沉降量，mm；n為計算深度范圍內(nèi)的地基壓縮層土層數(shù)；e1i為在平均自重應(yīng)力作用下，由壓縮曲線查得的第i層土的相應(yīng)孔隙比；e2i為在平均自重應(yīng)力加平均附加應(yīng)力作用下，由壓縮曲線查得的第i層土的相應(yīng)孔隙比；hi為基底以下第i層土的厚度，mm；mi為地基沉降量修正系數(shù)，可采用1.0～1.6。

經(jīng)上式計算可得，南岸地基最終沉降量為19.2 mm，北岸地基最終沉降量為5.5 mm，南、北岸沉降差為13.7 mm。

5.2 地基沉降監(jiān)測

工程建設(shè)期間，蓄水閘在完成閘墩的施工后開始對閘室沉降進行監(jiān)測，直至工程竣工驗收為止，一共監(jiān)測321 d。根據(jù)監(jiān)測資料,如圖3所示，閘室沉降已基本完成，監(jiān)測期間，北岸底板累計沉降量7 mm，南岸底板累計沉降量16 mm，南、北岸累計沉降差為9 mm。

5.3 后澆帶的設(shè)置效果分析

根據(jù)檢測結(jié)果分析可知：句容河蓄水閘地基最終沉降量的計算值和監(jiān)測值均小于2 cm，南、北岸沉降差小于1.5 cm，滿足規(guī)范中“天然土質(zhì)地基 上水閘地基最大沉降量不宜超過15 cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm”的要求，同時實際監(jiān)測沉降量與計算值較為接近，由此可以推斷出句容河蓄水閘后澆帶的設(shè)計和設(shè)置較為合理，能夠達到解決地基不均勻沉降的目的。

6 結(jié)語

通過后期的持續(xù)監(jiān)測，句容河蓄水閘建成運行3年以來，未發(fā)現(xiàn)有明顯的沉降、變形、裂縫等情況，說明該項目中后澆帶的設(shè)置對于減小結(jié)構(gòu)差異沉降以及其產(chǎn)生的裂縫效果較為明顯。結(jié)合本項目的解決思路，從項目的整體和規(guī)范角度考慮，后澆帶的設(shè)置要能夠有效地減少整體結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力和不均勻沉降，具體設(shè)置位置要結(jié)合各個工程的具體情況而定。采用后澆帶施工技術(shù)能夠較好地保證工程結(jié)構(gòu)的完整性，使建筑物設(shè)施在穩(wěn)定性、耐久性及抗拉、承載等方面性能有所改善，更好地滿足設(shè)計要求，減少施工過程中的一些不利因素產(chǎn)生的影響。