水利工程閘墩裂縫的原因及處理措施

吳 睿

(鎮江市華源建設監理中心，江蘇 鎮江212000)

作為水閘的主要構成部分，閘墩的穩定性直接影響著水利工程的安全運行。閘墩裂縫的產生將直接影響結構自身的穩定性，對水利工程質量及安全運行產生不同程度的危害。目前，國內外廣大學者針對這一問題，通過文獻總結、理論分析、工程實例驗證等方法進行大量深入研究［1］。為了更好地分析影響閘墩裂縫產生的因素，以期對裂縫的產生進行有效預防及處理，在資料總結的基礎上，對上述問題進行探討研究，為閘墩在工程實際中的長期穩定工作提供理論支持。

1 閘墩裂縫產生原因

1.1 閘墩混凝土的干縮

混凝土凝結硬化過程中，土體內大量水分蒸發，且相比較而言，混凝土表層的水分蒸發過程無論在速度還是程度上都遠大于內部，從而使混凝土的表層收縮大于內部收縮，表層混凝土收縮過程中，會受到內部混凝土的限制產生拉應力，進而造成干縮裂縫的產生。但干縮裂縫一般僅存在于表面，且深度不大。

1.2 混凝土自生體積的收縮

由于供水不足，水泥水化過程中，部分水分被消耗，混凝土體相對濕度降低，這種自干燥的功效，促使凝膠孔對應的液面下降，彎月面產生，混凝土出現變形，于拆模前出現自生收縮，體積減小。影響混凝土自生體積收縮的因素主要包括材料的化學成分組成和水灰比等。當水灰比＜0.35 時，自生收縮和干縮的影響作用相當，二者的影響需要綜合考慮分析;當水灰比＞0.5 時，相比于干縮現象而言，自生收縮可以忽略不計［2］。

1.3 墩體的內外溫差

溫差造成的裂縫一般多發于大體積混凝土表面和環境溫度波動較大地區的混凝土結構中。水泥水化過程中，大量水化熱產生，通常在1 ～3 d內可以釋放出一半熱量甚至更多，當混凝土達到最高溫度后，隨著散熱作用的產生，溫度下降，直至與環境溫度相同。作為大體積混凝土的閘墩，熱量更容易在內部積存，使內部在升溫過程中出現峰值溫度，升溫階段結束后，閘墩結構開始散熱過程［3］。由于混凝土表層與外界環境接觸面積大，散熱條件優于內部環境，熱量容易散發，所以降溫階段里，外部混凝土溫度低于內部混凝土溫度。由上述可知，無論升溫或降溫階段，在閘墩內外，都形成了同一方向的溫度梯度，導致了其變形的不一致。升溫階段，內部膨脹受到外部的限制，在外部混凝土中產生拉應力;降溫階段，外部混凝土的收縮受到內部約束，同樣產生了拉應力，當上述過程中的拉應力達到或超過其極限拉應力時，裂縫產生。初期，裂縫通常較細，但隨著時間發展，裂縫呈現逐漸擴大變深，甚至貫穿的趨勢。墩體內外溫差造成的裂縫通常沒有一定規律。裂縫沿長邊分段出現，中間裂縫寬度、長度大小不一，具體形式受溫度影響較明顯，一般環境溫度越低，裂縫寬度較寬，環境溫度越高，裂縫較窄;高溫膨脹引起的混凝土裂縫一般呈現中間粗兩端細，而冷縮裂縫的粗細變化不太明顯［4］。

從上述分析可知，影響墩體內外溫差的主要因素包含混凝土品種、用量、澆筑入模溫度及環境溫度等。混凝土溫度變化過程線如圖1 所示，其中，Tp 是入倉溫度值，Tf 是穩定溫度，Tr 是水化熱溫升值。

圖1 混凝土溫度變化過程線示意圖

1.4 混凝土的外部約束

閘墩通常底部固定結合在一定的底板上，上部自由。一般情況下，底板澆筑完成后，需要間隔一定時間才進行閘墩的澆筑工作，此時，底板混凝土已經凝結。在閘墩混凝土澆筑早期，大量水化熱產生，溫度升高，閘墩體積膨脹，但受到底板約束，產生相應的壓應力，由于混凝土澆筑早期，彈性模量低，基本處于塑性狀態，產生的壓應力很小，且很快會松弛掉。隨著熱量的散發，混凝土逐步降溫，綜合干縮及自生體積變化等影響，閘墩體積開始收縮，此時受到底板的拉應力約束，由于沿水流方向閘墩較長，該方向的拉應力也較大，且混凝土齡期短，強度低，產生的拉應力易超過其抗拉強度，于是，在閘墩上較易產生垂直于底板和水流方向的裂縫。

從上述分析可知，影響混凝土外部約束的因素主要是閘墩的伸縮縫長度和底板與閘墩混凝土的澆筑時間間隔，澆筑間隔時間越長，影響越大。

1.5 沉陷產生的裂縫

沉陷所導致的裂縫的產生原因主要有以下2 點:

1)由于結構地基土質不均勻、松軟，回填土不實或浸水而造成不均勻沉降所致。

2)模板剛度不足，由于模板支撐間距過大或支撐底部松動等所致，此類裂縫多為貫穿性裂縫，裂縫走向與沉陷情況有關，一般沿與地面垂直或呈30° ～45°角方向發展較大的沉陷裂縫，往往有一定的錯位，裂縫寬度往往與沉降量成正比關系，裂縫寬度受溫度變化的影響較小。

2 處理措施

從上述分析易知，造成閘墩產生裂縫的原因是多方面且相互作用的，為了能夠更好地預防和控制閘墩上裂縫的產生，提高水利工程運行的長久性與穩定性，結合裂縫產生的原因，目前，工程上采取的措施主要包含材料優化、溫度控制、施工工藝改進及加強養護等。

2.1 優化配比材料

混凝土材料的合理配比是預防并控制裂縫的重要措施。從上述分析的閘墩裂縫產生原因入手，具體表現如下。

材料采用中、低熱硅酸鹽水泥，在降低水化熱的同時亦減少水泥用量;添加緩凝劑，可以有效幫助散熱，降低混凝土體內外溫差;借助于膨脹劑可以很好地提升混凝土對應的自生收縮性，抵消結構由于收縮產生的拉應力，但工程實際中需要注意的是，膨脹劑要使用在閘墩底有外部約束的地方;減水劑可在水灰比不變時減少水和水泥用量，降低水化熱。此外，材料的合理配比是設計時需要注意的問題。

2.2 溫度控制

對于溫度的控制，需要注意以下2 點:

1)降低混凝土的入倉溫度，現場新拌混凝土的溫度需控制在5 ℃～6 ℃左右，澆筑盡量選擇春、秋季，避免在夏季午后或冬季進行，若環境溫度較高，則可以用冰片代替部分水進行混凝土冷卻，同時，對于混凝土的輸送工具及澆筑艙面，要進行降溫操作。

2)減小內外溫差，具體表現為在混凝土內部埋設冷卻水管，進行人工導熱，降低混凝土的內部溫度，而對外部混凝土則進行隔熱保護，調節表面溫度下降速度，縮小內外溫差。

2.3 改進施工工藝及方法

具體到工程實際上，需要改進的工藝方法有以下3 點:

1)由于泵送混凝土流動性大，水泥用量大，水灰比大，水化熱高，易產生裂縫，所以在閘墩混凝土的澆筑過程中，盡量少用泵送方式，特別是底部，一定要用常態混凝土。

2)為了使混凝土更好散熱，可分層澆筑混凝土，每層厚度控制在1.0 ～1.5 m，上一層混凝土的澆筑在前一層混凝土初凝前澆完，最底一層混凝土可與底板同時澆筑，這樣就可削弱或消除底板對閘墩混凝土的約束。

3)考慮到約束和長度有關，可以縮短分縫長度，減小底板約束作用，或者分段澆筑，預留1 ～2 m的后澆帶，待各段收縮完成之后，再在后澆帶中澆筑膨脹型混凝土［5］。

2.4 加強混凝土養護

加強混凝土的養護，是為了減慢變形速度，具體養護措施可以簡單分為模板拆除前和拆除后。拆模前，可以設置擋風板等用以減小環境風速的影響;模板可以推遲3 ～4 d拆除，以起到隔熱和保濕作用;拆模后，首先在閘墩四周裹上塑料薄膜，而后再自頂部進行澆水或者進行淋水，保證混凝土表面濕潤，同時，可以涂抹防裂劑到混凝土的表面，產生很好的保濕效果［6］。

2.5 環境條件維護

環境條件一般包含地基條件、模板條件等。施工前，需要對松軟土質進行加固，保證基礎的穩定性，后期澆筑混凝土時，要注意防止地基被水浸泡;模板選擇上要保證具備足夠的強度，固定后保證地基受力均勻，拆除模板時則要注意時間及先后順序。

3 結 語

綜上所述，得出下述結論:

1)干縮及混凝土自生收縮都會產生裂縫，但干縮造成的裂縫僅存在于表面，自生收縮在水灰比＞0.5 時可以忽略不計。

2)墩體混凝土內外溫差及墩體與底板混凝土澆筑時間間隔都對裂縫形成產生重要影響，溫差越大，時間間隔越長，裂縫越易產生。

3)優化材料配比、溫度控制、工藝改進及后期維護是貫穿工程始終的預防和處理裂縫問題的有效措施。

上文雖然對水利工程中閘墩裂縫的產生原因進行了探討，初步總結了影響裂縫形成的因素，并分析了相應的處理措施，但具體到工程實際中，則需要考慮實際工程環境與需要，因此，需要做進一步深入研究以揭示閘墩裂縫機理，尋求新技術進行裂縫的預防及處理工作，為工程實際提供理論及技術支持。

［1］戴亞飛，符國兵. 水利工程閘墩裂縫的成因及預防措施［J］. 工程施工，2012(04)，25 －28.

［2］覃維組. 混凝土的收縮開裂及評價與防治［J］. 混凝土，2001(07)，3 －6.

［3］遲培云，錢強，高昆. 大體積混凝土開裂的起因及防裂措施［J］. 混凝土，2001(12)，30 －32.

［4］孫國光. 水閘閘墩裂縫形成原因及預防措施［J］. 甘肅水利水電技術，2009(45)，33 －36.

［5］潘近勇. 水閘閘墩細微裂縫的原因分析與防治方法［J］.科技資訊，2013(04)，81 －82.

［6］劉長明，李明蔚. 薄壁混凝土結構裂縫及其控制［J］混凝土與水泥制品，2000(04)，45 －47.