水工涵閘混凝土結構裂縫成因分析

尹三春

[摘要]水工涵閘屬于水工薄壁結構混凝土工程，開裂的可能性很大，其開裂的主要部位在水工涵閘的墩墻上。而且水工涵閘的底板也有開裂的可能。分別闡述水工涵閘混凝土的墩墻和底板裂縫的形式及其產生的原因，以期為未來水工涵閘墩墻結構的裂縫防治提供借鑒。

[關鍵詞]水工涵閘 墩墻 底板 裂縫

中圖分類號：TU5 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2009）0110072-02

一、導言

水工涵閘的裂縫發生的主要部位在底板和墩墻上。水工涵閘混凝土裂縫形成的主要原因有：建筑物結構設計不周引起的裂縫；基礎處理不善引起的裂縫；結構型式復雜，分縫分塊過長引起的裂縫；混凝土的溫度變化引起的裂縫；施工質量控制不嚴引起的裂縫；運行期間，由于超載等原因出現裂縫。當底板混凝土修建在軟土地基或彈性模量較小的地基上時，底板所受到的外部約束比較小，其裂縫的產生是由于自身的體積變化引起的，主要是由于溫度的變化引起的。

二、水工涵閘墩墻結構的典型裂縫及其成因

（一）現象

水工涵閘混凝土墩墻結構經常出現“上不著頂，下不著底”的“棗核形”裂縫現象，像湖北荊江分洪北閘的閘墩、石梁河新泄洪閘的閘墩的裂縫，都是這種形式的裂縫。筆者原所在單位曾施工的仙桃市展翅長河三合垸閘的閘墩也曾出現過類似的裂縫，裂縫通常發生在施工期間的混凝土的表面，隨后裂縫繼續向內部深進，由于水工涵閘的墩墻較窄（一般只有lm左右），裂縫很容易貫穿整個墩墻，形成貫穿性的危害性很大的裂縫，貫穿裂縫多發生在澆筑后2－3個月或更長時間。縫寬受外界環境溫度的變化影響較明顯，冬季較寬，夏季較細。由于底板和墩墻混凝土的自身約束，沿截面高度方向，裂縫大多呈中間寬兩端窄的“棗核形”。從混凝土表面看，裂縫底部通常是豎直的，而頂部則向兩邊傾斜。圖1是裂縫容易出現的部位的示意圖。

（二）成因

混凝土具有熱脹冷縮的性質，其線脹系數一般為1×l0－5/℃左右，當溫度發生變化時，混凝土結構就會產生溫度變形。而建筑物往往受到各種約束（包括外約束和內約束）在溫度變形和約束的共同作用下，產生溫度應力，當這種應力超過混凝土的抗裂強度時就產生裂縫。

在水工涵閘墩墻混凝土結構中，裂縫一方面是由底板或基礎約束引起的。由于墩墻和底板之間存在施工間歇時間，墩墻混凝土的變形受到底板的約束作用，一開始產生壓應力，此時由于早期混凝土彈模小，徐變度大，壓應力不大且很快會因松弛變形而降低；當上部混凝土溫度下降時，由于底板對降溫收縮變形的強約束，墩墻就會出現較大的拉應力，當拉應力超過混凝土的即時抗拉強度時，它便會出現由里及表的裂縫，且常常是貫穿性的。墩墻的基礎溫差愈大愈有可能出現這樣的裂縫。

另一方面，混凝土為不良導熱體，墩墻內外形成溫差，引起混凝土溫度變形的自約束，表面產生拉應力，也會有可能直接導致墩墻由表及里發展的裂縫。當墩墻較薄時，裂縫是貫穿性的。導致內外溫差的原因主要有三種，一是在混凝土剛澆筑后的不久，當早期混凝土溫度上升時，在表面散熱的作用下，內部溫度上升得快，表面溫度上升得慢，形成內外溫差；二是當溫度下降時，同樣由于外部散熱快，有可能會導致更大的內外溫差；三是當遇寒潮冷擊或混凝土遇到大的晝夜溫差時，表面溫度驟降，內外溫差變大，也會時有表面乃至貫穿性裂縫的出現。內外溫差應力大多是短期溫度變化所至，混凝土徐變來不及發揮作用，與長期的溫度緩慢變化所至的應力相比較，拉應力會大些，更易出現裂縫。再之，混凝土的內外不均勻干縮變形也會增加淺層混凝土中的拉應力，有時也是直接導致墩墻混凝土開裂的主要原因之一。值得注意的是，當墩墻表面裂縫出現后，若再疊加緩慢變化增長的基礎溫差應力，表面裂縫仍然會向結構內部縱深發展，甚至會成為貫穿性裂縫。由于內外溫差拉應力在整個混凝土結構的“早、中、晚”期都存在，自墩墻混凝土結構施工后，無論是在“早、中、晚”期，墩墻都有可能產生裂縫。因早期混凝土的抗拉強度不高，當墩墻混凝土剛剛澆筑2－3d時，盡管整個墻體還處在溫升過程中，但是已經出現裂縫乃至貫穿性裂縫的現象是司空見慣的事，這時裂縫產生的機理主要就在于早期墩墻內外溫差過大，表面拉應力過大。

另外，混凝土在空氣中結硬時，體積會逐漸縮小，稱之為收縮，由此造成的裂縫稱之為“收縮裂縫”。混凝土收縮由兩部分組成，一是濕度收縮，即混凝土中多余水分蒸發，體積減少，而產生收縮，這部分占整個收縮量的80%－90%；二是混凝土的自收縮，即水泥水化作用，使形成的水泥骨架不斷密實，造成體積減小。混凝土收縮值一般為（0.2－0.4）%，收縮的發生規律是早期快，后期慢。影響混凝土收縮的因素很多，砂石級配差、砂太細、砂率太高、粗骨料中石粉含量、配合比不良、用水量或水泥用量太多，都會增加混凝土的收縮率。混凝土養護差也是造成混凝土收縮裂縫的原因之一。混凝土澆筑后，表面沒有及時覆蓋，受風吹日曬，表面游離水分蒸發過快，而內部濕度變化小，表面收縮變形受到收縮慢的混凝土的約束，因此在結構表面產生較大的拉應力，拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，即產生收縮裂縫。混凝土的收縮現象有好幾種，包括干燥收縮、自身收縮和塑性收縮。干燥收縮即干縮，是混凝土中多余水分蒸發，體積減少，而產生收縮，這部分占整個收縮量的80%－90%；自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起，但它不是由于水向外蒸發散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面，產生所謂的自干燥作用，混凝土體的相對濕度降低，體積減小。水灰比的變化對干燥收縮和自身收縮的影響正好相反，即當混凝土的水灰比降低時干燥收縮減小，而自身收縮增大。如當水灰比大于0.5時，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計，但是當水灰比小于0.35時，體內相對濕度會很快降低到80%以下，自身收縮與干縮則接近各占一半。自身收縮在混凝土體內均勻發生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收縮集中發生于混凝土拌合后的初齡期，因為在這以后，由于體內的自干燥作用，相對濕度降低，水化就基本上終止了。換句話說，在模板拆除之前，混凝土的自身收縮大部分已經產生，甚至已經完成，而不像干燥收縮，除了未覆蓋且暴露面很大的地面以外，許多構件的干縮都發生在拆模以后，因此只要覆蓋了表面，就認為混凝土不發生干縮。在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就要使應力增大。現今許多斷面尺寸雖不很大，且水灰比也不算小的混凝土，也需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響，況且在這些結構里，兩者的發展速率均要比大壩混凝土中快得多，因此也激烈得多，需要給予更充分的考慮。塑性收縮，在水泥活性大、混凝土溫度較高，或者水灰比較低的條件下也會加劇引起開裂。因為這時混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現分布不規則的裂縫。出現裂縫以后，混凝土體內的水分蒸發進一步加快，于是裂縫迅速擴展。

三、水工涵閘底板結構的典型裂縫及其成因

（一）現象

底板的溫度裂縫隨外界環境的溫度的周期性變化而呈現出周期性變化的規律，與墩墻裂縫現象十分類似。

底板的沉陷裂縫多屬深進或貫穿性裂縫，其走向與沉陷情況有關，有的在上部，有的在下部，一般與地面垂直或呈30°－45°角方向發展；較大的貫穿性沉陷裂縫，往往上下或左右有這定的錯距，裂縫寬度受溫度變形的影響小，因荷載大小而異，且與不均勻沉降值成比例。地基變形穩定后，沉陷裂縫也趨穩定。水工涵閘的底板混凝土沉陷裂縫主要為順水流方向的裂縫，筆者所在的湖北省仙桃市在70-80年代興建的部分涵閘，如大垸子閘、石山港閘的底板等都發現了這類裂縫，都進行了處理，查閱文獻資料，存在這類裂縫的涵閘有：四女寺樞紐北進洪閘底板及斜坡段過流面表層混凝土各有14條裂縫，主要為順水流方向的縱向縫。獻縣樞紐節制閘兩邊孔底板共有5條裂縫，其中左邊孔一裂縫己上下貫通，裂縫總長48.06m。湖北省江漢航線新城船閘工程下閘首底板顯露出的裂縫共有13條，裂縫總長約236m，裂縫表面寬度約0.2～4mm，且大多數裂縫與底板、閘室及消力池兩邊的伸縮縫連通。而底板混凝土的表面溫度裂縫走向則無一定規律性，常縱橫交錯。裂縫寬度大小不一，一般在0.5mm以下，寬度變化不大。

（二）成因

水工涵閘底板混凝土表面溫度裂縫的成因同墩墻混凝土裂縫的成因相似，特別當底板修建在堅硬的基巖上時，受到的約束作用就更大，有可能產生貫穿性的裂縫。由于墩墻增加了底板的剛度，使得底板的抗裂能力顯著增強，一般不會出現垂直于水流方向的裂縫。水工涵閘底板的順水流方向的裂縫主要是由于不均勻沉降所造成的。①由于地基土體軟硬不均，或局部存在松軟土，未經夯實和必要的加固處理，即使在相同的外荷載作用下，也會產生的不同的沉降量，從而引起混凝土的開裂；②結構各部位荷載懸殊，在關閘蓄水的情況下，上下游方向便受到不同的靜水壓力的作用，會引起地基的不均勻沉降；③墩墻傳給底板的力也是不均勻的，混凝土澆筑后因地基受力不均，產生不均勻下沉，造成結構應力集中，導致出現裂縫；④當邊墩外填土接近設計高程時底板中部頂面順水流方向的就會有裂縫產生，這完全是由于邊荷載影響形成的；⑤冬季施工，模板支架支承在凍土層上，上部結構未達到規定強度時，凍土化凍下沉，使結構下垂產生裂縫；⑥水工涵閘如果發生滲漏，帶走土體的顆粒，也會使結構產生不均勻沉降。

四、結論

本文分析了水工涵閘混凝土結構裂縫的成因，墩墻的裂縫主要是溫度裂縫和塑性收縮裂縫，而底板則主要為溫度裂縫和地基的不均勻沉陷所產生。不同的原因導致的裂縫的危害程度也不相同，其中貫穿性裂縫的危害最大。

參考文獻：

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