水工大體積混凝土裂縫成因及控制研究

摘 要：水利工程建設(shè)中大體積混凝土裂縫引發(fā)諸多問題，文章在充分參考前人研究成果的基礎(chǔ)上分析裂縫成因，并結(jié)合白洋淀千里堤十二孔閘改建工程，提出合理控制措施和改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：水工；大體積混凝土；裂縫控制

水工大體積混凝土在混凝土大壩、閘底板、溢洪道閘室等水利工程中運(yùn)用廣泛。水工大體積混凝土裂縫問題在水利工程中舉足輕重，認(rèn)真分析問題成因至關(guān)重要，深入實(shí)際、防治結(jié)合、科學(xué)合理地控制裂縫，才能保證水工建筑物的正常能效。

1 裂縫產(chǎn)生機(jī)理

1.1 溫度裂縫

在混凝土凝固過程中，水泥水化會(huì)釋放大量的水化熱，從而使混凝土內(nèi)部的溫度隨之上升。水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)在內(nèi)外環(huán)境溫差的作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度會(huì)隨時(shí)間增長而降低，直至達(dá)到多年平均氣溫水平。混凝土的溫度變化過程分為溫升、冷卻降溫、穩(wěn)定三個(gè)階段。[1]水工大體積混凝土的溫度變化會(huì)引起溫度變形，受到約束產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生裂縫。

1.2 沉降裂縫

結(jié)構(gòu)地基質(zhì)地不均、不密實(shí)、平整度差，或者回填土壓實(shí)度不滿足強(qiáng)度要求，地基會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，或者模板下滑等變形所引發(fā)大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。尤其夏季雨后，在結(jié)構(gòu)薄弱的地方極易有裂縫產(chǎn)生。

1.3 收縮裂縫

收縮裂縫是由于水泥中水分大量蒸發(fā)產(chǎn)生的裂縫。混凝土的拌和水中，約20%的水分是水泥硬化所必須的，其余80%的水分要蒸發(fā)。[2]混凝土澆筑凝結(jié)前，在高溫、大風(fēng)的作用下表面失水過快，產(chǎn)生塑性收縮，形成中部寬、兩端窄的塑性裂縫；澆筑后，結(jié)構(gòu)表面失水快、變形大，內(nèi)部失水少、變化小，隨著水泥凝結(jié)，結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力增加，結(jié)構(gòu)受到變形的影響，而出現(xiàn)干縮裂縫。

除了上述裂縫成因以外，產(chǎn)生裂縫還有凍害、施工技術(shù)、材料選擇和配合比、外力作用、骨料反應(yīng)等因素。

2 工程案例分析

2.1 工程概要

十二孔閘位于河北省任丘市大樹劉莊村東白洋淀千里堤上，是一座具有防洪、引水灌溉及引水補(bǔ)淀綜合利用的水利工程。原閘始建于1958年，為砂質(zhì)地基，方形箱式磚石涵結(jié)構(gòu)形式，12孔2×2m涵洞。由于工程始建標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量較差，經(jīng)過幾次除險(xiǎn)加固工程均未根除隱患，存在繞滲、下游消能防沖能力低等問題，為保證防洪及下游安全，發(fā)揮引水灌溉和引水補(bǔ)淀效益，于2010年8月開始改建。改建后閘型為涵洞式水閘，洞身為4孔3×3m鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，改建后仍沿用“十二孔閘”名稱。十二孔閘主要建筑物級(jí)別為1級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，設(shè)計(jì)洪水位9.0m（85高程），引水灌溉設(shè)計(jì)流量為48m3/s，引水補(bǔ)淀設(shè)計(jì)流量為30m3/s，洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，洪水水位為10.48m。[3]

2.2 施工情況與裂縫分析

十二孔閘2010年的改建工程中，混凝土施工工藝流程為：艙面準(zhǔn)備；測(cè)量、驗(yàn)收；混凝土拌制；混凝土運(yùn)輸入倉；混凝土平倉振搗；抹面；拆模、養(yǎng)護(hù)；伸縮縫處理。在混凝土施工過程中面臨可能導(dǎo)致裂縫的因素大致分為以下幾點(diǎn)：

（1）基礎(chǔ)因素

十二孔閘改建工程為原址重建工程，地質(zhì)結(jié)構(gòu)為粘性土單一結(jié)構(gòu)，分布較穩(wěn)定。由于新建工程防洪級(jí)別提高，縱向距離增加到107.6m，較原工程的56m大幅增加。[3]經(jīng)河北省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院先后兩次實(shí)地勘測(cè)，新工程消力池以下為沙壤土地基，易造成局部混凝土產(chǎn)生裂縫甚至墊層塌方。

（2）混凝土質(zhì)量因素

為確保“引黃補(bǔ)淀”如期通水目標(biāo)（2010年11月），十二孔閘改建工程主體計(jì)劃工期為2010年8月9日至10月15日。工期短造成混凝土施工方案中混凝土供應(yīng)方式為外購商品混凝土，如不能對(duì)外購混凝土進(jìn)行質(zhì)量嚴(yán)格控制，易造成混凝土質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或提前拆模出現(xiàn)施工冷縫。

（3）氣溫因素

該工程主體工程（上下游底板、胸墻、翼墻、涵洞、閘墩）施工工期處在夏末秋初，混凝土澆筑拌合、運(yùn)輸、澆筑過程中面臨著高溫影響。

（4）荷載因素

該工程位于白洋淀千里堤中段，是附近居民交通要道，特別須滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖運(yùn)輸重車通行要求。涵洞頂板澆筑完成后，改建工程須恢復(fù)交通。此情況對(duì)涵洞頂板配筋、澆筑、養(yǎng)護(hù)提出更高要求，如澆筑的混凝土不能滿足荷載要求，易產(chǎn)生裂縫。

2.3 裂縫防治控制

針對(duì)上述問題，為避免十二孔閘改建工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，采取了以下控制措施：

（1）基礎(chǔ)施工與處理

在工程下游，主體工程四周設(shè)置排水井，采用塊石過濾，機(jī)泵排水，加速地基的固結(jié)，保證地基的穩(wěn)定性，防止因不均勻沉降產(chǎn)生的混凝土裂縫。對(duì)消力池以下基礎(chǔ)工程采用置換法加以處理：開挖部分原沙壤土地基，換填粘土地基，夯實(shí)基礎(chǔ)，保證基礎(chǔ)的平整性和密實(shí)性；在粘土基礎(chǔ)上均勻平鋪100cm厚條石，用混凝土澆筑一體，保證地基強(qiáng)度，防止不均勻沉降產(chǎn)生混凝土裂縫。頂板澆筑不分倉，采用通體一次性澆筑完成，澆筑過程中加強(qiáng)澆搗，保證密實(shí)度。

（2）混凝土質(zhì)量保證

本工程采用水工防滲商品混凝土，每批商品混凝土進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，施行廠家提供檢驗(yàn)報(bào)告，施工單位送檢，監(jiān)理單位督察，建設(shè)單位抽查的管理辦法，確保進(jìn)場(chǎng)成品混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定合格。澆筑前，科學(xué)計(jì)算混凝土需求量，充足報(bào)備，防止連續(xù)澆筑過程中混凝土斷供耽誤時(shí)間而造成施工冷縫。

（3）溫度因素防控

夏季澆筑施工盡量控制在早、晚兩個(gè)時(shí)段，避免在正午高溫環(huán)境下進(jìn)行，如果必須在高溫環(huán)境下作業(yè)，應(yīng)當(dāng)搭建涼棚，同時(shí)噴灑水霧。采用低熱硅酸鹽水泥，在罐車運(yùn)輸過程中加入冰塊降溫，加入緩凝劑控制凝結(jié)時(shí)間。

（4）荷載應(yīng)力因素控制措施

為滿足抗壓強(qiáng)度要求，防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，改建工程涵洞頂板的澆筑選用標(biāo)號(hào)為C60的高強(qiáng)度混凝土，選用優(yōu)質(zhì)骨料，添加水泥用量0.5%的高效減水劑。工程拆模后采用麻袋覆蓋并灑水保濕，養(yǎng)護(hù)28天，避免高溫、大風(fēng)造成不利影響。

2.4 運(yùn)行情況

十二孔閘改建工程2010年12月7日投入使用后，經(jīng)過五年的運(yùn)行，工程狀況良好，運(yùn)行正常，未發(fā)現(xiàn)重大質(zhì)量隱患，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在2010-2012年度引黃補(bǔ)淀工程中發(fā)揮了顯著效益，累計(jì)為白洋淀補(bǔ)水近1.4億m3；在2012年“7.21”防汛期間運(yùn)行良好，有效發(fā)揮了自身防洪功能。

3 結(jié)束語

大體積混凝土裂縫研究是水利工程研究的熱點(diǎn)，通過對(duì)裂縫成因分析及控制措施研究，有利于系統(tǒng)掌握裂縫控制方面的技術(shù)方法，有利于指導(dǎo)水利工程實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

[1]袁光裕，胡志根.水利工程施工[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[2]孔祥勤.論混凝土裂縫的預(yù)防與處理[J].吉林水利，2004，12：43-44.

[3]白洋淀千里堤十二孔閘改建工程竣工驗(yàn)收?qǐng)?bào)告[R].2012，12.

作者簡(jiǎn)介：溫玲（1988，12-），女，河北省保定市，現(xiàn)職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：主要從事水利工程管理工作。