水閘混凝土裂縫研究初探

徐佶

（上海市金山區水利管理所，上海 201599）

1 引言

水閘是重要水工建筑物，主要通過閘門進行擋水、蓄水，來實現區域防汛除澇及引清調水功能。水閘混凝土裂縫是最常見的一種裂縫，主要集中在水閘閘墩和上下游翼墻等結構的中間和強約束區部位，有時也會貫穿混凝土結構。一般出現在水閘主題結構施工及后期養護過程中。

混凝土是水泥、石灰、石膏等無機膠凝材料與水拌和的產物，混凝土裂縫是混凝土結構由于內外因素的作用而產生的物理結構變化，裂縫是混凝土結構物承載能力、耐久性及防水性降低的主要原因。宏觀斷裂力學不考慮混凝土的微觀結構缺陷，將裂縫作為判斷混凝土材料是否破壞的標準。微觀斷裂理論學則引入了混凝土微觀層次的缺陷，認為混凝土中含有豐富的裂紋，受載荷作用后，裂紋附近會出現一個微裂縫區，且隨著荷載的增加，微裂縫區裂縫數量增多，并合成宏觀裂縫繼續擴展。

2 水閘混凝土裂縫成因分析

根據成因，水閘混凝土裂縫主要分為以下3 種。

2.1 塑性收縮裂縫

塑性收縮是指混凝土在凝結之前，表面因失水較快而產生的收縮。塑性裂縫一般在干熱或大風天氣出現，大多數位于新澆注的混凝土構件表面。該種裂縫兩端細且長短不一、中間較寬，互不連貫狀態，較短的裂縫一般長20～30cm，較長的裂縫可達2～3m，寬1～5mm。

2.2 沉降收縮裂縫

沉陷裂縫的產生是由于結構地基土質不勻、松軟或回填土不實或浸水而造成不均勻沉降所致，或者因為模板剛度不足，模板支撐間距過大或支撐底部松動等導致，特別是在冬季，模板支撐在凍土上，凍土化凍后產生不均勻沉降，致使混凝土結構產生裂縫。此類裂縫多為深進或貫穿性裂縫，裂縫呈梭形，其走向與沉陷情況有關，一般沿與地面垂直或呈30～45 度角方向發展，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0.3～0.4mm，受溫度變化的影響較小。地基變形穩定之后，沉陷裂縫也基本趨于穩定。

2.3 溫度裂縫

溫度裂縫多發生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區的混凝土結構中。由于混凝土一般結構較大，類似水閘底板、閘墩等大體積混凝土澆筑后，大量的水化熱聚積在混凝土內部而不易散發，導致混凝土結構內部的溫度急劇上升，而表面散熱較快，故在混凝土結構內外形成了較大溫差。而這種在硬化過程中，由于溫度引起的體積收縮受下層基礎的強約束，混凝土承受較大的拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝士表面就會產生裂縫，這種裂縫多發生在混凝土施工中后期。

3 防裂防治與修復措施

3.1 混凝土裂縫防治

混凝土的熱學和力學性能隨混凝土中各種物質含量的不同而變化。防治混凝土裂縫產生，可采用以下幾種措施：

1）根據天氣情況合理選擇混凝土結構的澆筑時機，合理增設混凝土結構的施工縫，澆筑完成后按要求對結構進行養護；2）優化結構設計，避免結構因突變產生應力集中，在易產生應力集中的薄弱環節采取加強措施，在易裂的結構邊緣適當提高該部位的配筋率，或者增設暗梁；3）合理選用鋼筋，配筋應采用小直徑、小間距，以提高結構的抗裂性；4）在混凝土中摻適量的粉煤灰可有效削減混凝土的自收縮值和混凝土的絕熱溫升值，水灰比一定，粉煤灰的摻加可減少混凝土水泥的使用量，有效降低混凝土的水化熱溫升。

3.2 混凝土修復措施

對于寬度較小（一般小于0.2mm）的混凝土裂縫，可以采用環氧樹脂膠結。首先將混凝土表面鑿毛，再均勻涂抹環氧樹脂，直接把細小裂縫密閉。

對于寬度較大（一般大于0.2mm）獨立貫通裂縫，可以向裂縫內部灌注強力粘結材料，沿受拉方向或垂直于裂縫方向將裂縫內部填充，形成一個新的復合體，使強力粘貼材料與原有混凝土結構共同受力，不但能增大原結構的抗裂、抗剪能力，同時還可以提高結構的強度、剛度、抗裂性和延伸性。

對部分重要的受力構件或病害嚴重的構件，可采用外貼碳纖維布作進一步補強加固處理。

4 工程實例

張涇河水利樞紐工程位于上海市金山區朱涇鎮境內，處在黃浦江南岸張涇河入黃浦江豎潦涇的河口段，距北河口約1.2km，全長為996.6m，張涇河水利樞紐工程包括3×8m 節制閘和16m 寬船閘（通航標準VI 級）各一座，于2003年12月15日竣工，至今已運行15年。樞紐工程所在防洪排水區域屬上海市水利分片治理規劃中的浦南東片，是黃浦江干流段防洪工程的重要骨干工程，工程主要功能為防洪、排澇、水資源調度及航運，對改善黃浦江的防洪狀況和促進金山區的經濟建設具有重要的意義。

4.1 節制閘

節制閘布置在老河道上，閘室為整體式鋼筋混凝土結構，共3 孔，單孔凈寬8.0m。閘室長18m，寬28.2m，底板厚1.4m，底板頂高程-2.50m（上海吳淞高程，下同），閘門坎坎面高程-1.50m，邊墩厚1.0m，中墩厚1.1m。采用升臥式平面鋼閘門，閘門尺寸7.94m×6.1m，重12.5T，配備2×100kN 電動卷揚式啟閉機啟閉，高程10.55m 處設啟閉機平臺，并建啟閉機房。

4.2 船閘

船閘設計標準為VI 級通航建筑物，可通行100T 級駁船，由內外閘首、閘室、防沖設施、內外引航道等組成。

外閘首采用C25 鋼筋混凝土塢式結構，閘首長15m、寬16m、底坎高程-1.10m，底板厚1.9m，邊墩厚1.4m，閘門采用直升式平板鋼閘門，啟閉機采用QPQ2×250kN電動啟閉機，啟閉機工作橋橋面高程15.90m。

內閘首同樣采用C25 鋼筋混凝土塢式結構，閘首長14m、寬16m、底坎高程-1.00m，底板厚1.9m，邊墩厚1.4m，閘門采用直升式平面鋼閘門，門頂高程14.60m，啟閉機、工作橋及控制室結構同外閘首。

閘室有效長度為190m，凈寬16m，采用鋼筋混凝土塢式結構，底高程-1.10m，底板厚1.20m，邊墻厚0.4m～1.0m。閘室每節20m，相臨兩節閘室設20mm寬伸縮縫，縫間設橡膠止水。閘室側墻上設有系船柱、助航孔等輔助設施，方便船舶過閘。

外引航道長180m，內引航道長200m，引航道寬24m。兩側均采用鋼筋混凝土L 型樁基防汛墻，墻頂高程外河側為5.24m，內河側為4.20m；防汛墻底板寬4m，底板面與引航道底齊平，同為-1.10m(外河側)、-1.00m(內河側)，底板厚0.60m，墻身厚0.3m～0.6m，直立式防汛墻同時兼作靠航建筑物，布置部分系船柱。外河側防汛墻樁基為二排300mm×350mm×10000mm 的鋼筋混凝土方樁，間距1.0m，內河側防汛墻樁基為二排300mm×300mm×10000mm 的鋼筋混凝土方樁，間距1.0m。

4.3 水閘混凝土結構

水閘外觀調查如表1所示：水閘翼墻表面鋼護舷脫落嚴重，混凝土缺少保護裝置，表面鋼筋混凝土結構損壞，普遍存在裂縫、剝蝕、脫落、疏松、鋼筋銹脹以及露筋等現象；止水分鋒損壞尤為嚴重。

表1 水閘外觀調查

4.4 水閘裂縫成因分析

混凝土碳化、保護層厚度嚴重不足

該水閘大多數鋼筋保護層厚度嚴重不足，與設計要求相差甚遠，同時由于局部結構混凝土碳化深度已超過鋼筋保護層厚度，造成混凝土結構內部的鋼筋得不到長期有效的堿性保護，從而引起鋼筋銹蝕，銹蝕結果引起體積膨脹，從而造成面層混凝土開裂。

4.5 裂縫的修復對策

現根據鋼筋混凝土構件病害，提出以下修復對策：

檢修平臺板梁構件中部上下游均有垂直的貫穿性裂縫，存在較大安全隱患，應予盡快更換或加固。

對現狀構建病害的處理建議采用水泥砂漿進行修復，有較好的黏結性能，并具有較好的抗腐蝕性能。

對部分重要的受力構件或病害嚴重的構件，建議采用外貼碳纖維布作進一步補強加固處理。碳纖維材料具有輕質、高強、抗腐、耐老化、穩定性好等特點，其抗拉強度是同等截面鋼材的7-10 倍。目前碳纖維布補強加固技術已在我國混凝土結構修復加固工程中得到廣泛運用。

5 結語

本文主要對水閘混凝土結構裂縫產生的原因進行分析，并根據分析成果提出裂縫的防治與修復措施，最后結合金山地區的氣候等特點，對區域內已實施的水閘混凝土修復項目進行評價，提出合理建議。