水閘閘墩常見裂縫成因及處理措施

周成洋， 林 立， 沈 明

(江蘇省淮沭新河管理處， 江蘇 淮安 223001)

某水閘工程設計流量100 m3/s。閘室采用胸墻式鋼筋混凝土結構，共3孔，單孔凈寬8.0 m，順水流方向長18.0 m，閘底板頂面高程4.5 m(廢黃河高程，下同)。閘門采用平面定輪直升式鋼閘門，配QP-2×250kN-11 m卷揚式啟閉機。閘身上游側交通橋總寬9.0 m，橋面高程14.5 m。

該工程設計防洪標準為100年一遇，等別為Ⅱ等，主要建筑物等級為1級，次要建筑物為3級，臨時性建筑物級別為4級，交通橋汽車荷載設計等級為公路-Ⅱ級。工程場地區域地震動峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度為7度。

2020年12月22日閘底板澆筑完成，閘墩、交通橋、胸墻及便橋一次性澆筑，于2021年1月18日19：30開始澆筑，1月20日凌晨1：00澆筑完成，澆筑期間夜間氣溫最低至-1℃，白天最高溫度10℃，帶模保濕保溫養護，1月29日開始拆除兩側邊墩臨土側側模板，拆除側模后檢查發現有7道裂縫，停止拆模，定期觀察，至2月20日無變化，3月1日邊墩、中墩模板全部拆完，在邊墩臨水側及中墩又發現7道裂縫。

1 裂縫部位結構概況

節制閘閘墩共2個邊墩和2個中墩，混凝土標號為C25，長18.0 m，高10 m，底部高程為▽4.5 m，頂部標高▽14.5 m。閘墩厚度：中墩為1.2 m，邊墩1.4 m。

施工配合比為水泥：330 kg/m3，黃砂：750 kg/m3，碎石：990 kg/m3，粉煤灰60 kg/m3，水：165 kg/m3，外加劑：8 kg/m3，混凝土坍落度15±3 cm。

施工過程中實測混凝土坍落度14.5 cm、16 cm、15.5 cm。

閘墩裂縫位置見圖1、圖2。

圖1 右側閘墩裂縫位置

圖2 左側閘墩裂縫位置

2 裂縫觀測情況

裂縫發現后項目部立即安排人員進行觀測，并對裂縫進行編號，形成詳細的裂縫觀測記錄。見表1。

表1 裂縫觀測記錄統計

據觀測，閘墩混凝土裂縫的最大寬度為0.21 mm，最小寬度為0.02 mm，最大縫長5.8 m(左側邊墩)，最小縫長1.5 m。觀測期間所有裂縫均未有擴展。因1-1與2-1、1-2與2-2、3-1與4-1、7-1與8-1裂縫所在墩墻的位置對稱。

3 裂縫成因初步分析

經研究分析，引起混凝土結構產生裂縫的主要原因如下：①結構次應力導致的裂縫；②外荷載導致的裂縫；③變形變化導致的裂縫。工程實踐中最常見的裂縫就是變形變化引起的，主要成因是由溫度、濕度、不均勻沉降等因素反復作用引起的結構變形[1]。

3.1 結構次應力導致的裂縫

(1)直接應力裂縫

設計時，應力與配筋計算錯誤、斷面設計不足等引起裂縫；施工時，改變結構應力、現場施工安裝不規范等引起裂縫。

(2)次應力裂縫

在設計外荷載作用下，由于結構物的實際工作狀態與常規計算有出入，從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。

3.2 外荷載導致的裂縫

混凝土結構在受到外荷載(動荷載、靜荷載及結構實際工作狀態超出設計所產生的應力)作用下，應力超過材料強度引起結構和構件開裂。

荷載導致的裂縫有受剪裂縫、受彎裂縫、受扭裂縫、受壓裂縫等，大多數是豎向裂縫和水平裂縫，只有少量的斜裂縫和不規則裂縫。

3.3 變形變化導致的裂縫

(1)施工中溫度變化產生的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質，當其內外溫差產生變形和溫度應力，一旦溫度應力超過混凝土能承受的極限抗拉強度時，就會產生溫度裂縫。

混凝土澆筑后，前期混凝土對水泥水化熱急劇溫升導致變形約束較小，相應的溫度應力也較小，不會產生溫度裂縫。隨著混凝土齡期的增加，水泥水化熱大量釋放，混凝土內部溫度急劇升高，內外形成溫差，當溫度應力超過同齡期混凝土抗拉強度時，便出現溫度裂縫[2]。

混凝土結構在施工過程中，外界氣溫的變化對混凝土開裂有著重要影響。外界氣溫越高，混凝土澆筑溫度也越高；若外界溫度下降，特別是氣溫驟降，會大大增加內外層混凝土的溫度差，容易形成過度的溫度應力，造成混凝土出現裂縫[3]。

(2)干縮裂縫

混凝土硬化過程中，表面層水分蒸發，導致體積收縮變形，產生的裂縫為干縮裂縫，一般呈龜裂狀。

(3)塑性裂縫

塑性裂縫是指混凝土澆筑后尚處于一定的塑性狀態，水泥水化反應激烈，混凝土內部水分急劇蒸發，導致失水收縮而產生的裂縫。由于收縮的作用，這些裂縫通常沿鋼筋層分布。

(4)基礎不平整或不均勻沉降

部分混凝土裂縫與基礎不平整或不均勻沉降有關。受混凝土自重和荷載的作用基礎易產生沉降，會產生裂縫。

3.4 本工程墩墻產生裂縫的原因

混凝土裂縫的成因很復雜，但從本工程的裂縫分布和走勢分析，主要成因：一是因施工期處于冬天，室外溫度低，閘墩較厚：中墩為1.2 m，邊墩1.4 m，混凝土澆筑施工時，其內部水化熱產生的溫度和混凝土表面溫差較大，內外溫差產生應力和應變導致產生溫度裂縫；二是因大體積混凝土帶模保溫、保濕養護時間短，尤其夜間溫度降至-1℃，混凝土表面溫度驟降，產生表面收縮應力；三是因閘底板較閘墩先澆近一個月，收縮變形基本穩定，閘墩澆筑后收縮變形受到底板混凝土約束，從而產生拉應力。綜上所述，本工程閘墩裂縫形成原因應為溫度、收縮應力與底板混凝土約束共同作用的結果。

4 裂縫處理措施

4.1 處理措施

本工程的裂縫處理主要采用涂刷法和灌漿法。對小于0.2 mm的淺層細微裂縫，采用涂刷水泥厚漿封閉處理；對大于0.2 mm以上的裂縫，則采用化學灌漿，即“壁可法”。

本文主要介紹“壁可法”施工方法，灌注材料采用環氧樹脂灌縫膠(性能見表2)，具有滲透力強、流動性好、粘結牢固、固化性能靈活可控、適用性高等優點。通過埋設灌膠嘴，將環氧灌漿料灌入縫內，灌漿膠在一定的壓力下擴散滲透到不密實部位，堵塞孔隙，對結構裂縫起到堵水、補強、加固等作用[4]。

表2 環氧樹脂灌縫漿材力學性能

4.2 施工過程

灌漿流程：混凝土表面清理→鉆孔→埋設灌膠嘴→縫面封閉→試漏檢驗→灌漿→封孔→灌膠效果檢驗→縫面處理。

(1)縫面清理。用鋼絲刷沿裂縫走向寬約5 cm范圍掃除灰塵、污物等，對裂縫兩側有較多細微龜裂的部位，應清理至8～10 cm寬。

對較寬裂縫，用錘子和鋼釬鑿除縫兩側表層混凝土，露出堅實的混凝土表面為宜。最后用壓縮空氣吹凈縫面，并用略潮濕的抹布擦除表面的浮塵并徹底晾干[1]。

(2)鉆孔。布孔方式：斜孔和垂直孔。用手持電鉆，在斜孔中心距離裂縫5～10 cm處，孔與混凝土面成45°～60°夾角，沿裂縫方向鉆進，孔徑14 mm，孔深20 cm以上，孔距20～40 cm，孔身與裂縫相交[5]。

(3)埋設灌膠嘴。在裂縫部位埋設灌膠嘴，灌膠嘴的間距根據裂縫大小、走向及結構形式而定，一般縫寬0.2～0.4 mm時灌膠嘴間距為30～50 cm，在每條裂縫上要設置進膠口、排氣孔或出膠口。灌膠嘴埋設時應特別注意防止堵塞。

(4)縫面封閉。鉆孔及清孔結束后，對裂縫面采用堵漏劑封閉，在裂縫部位用油灰刀往復涂刮，均勻涂抹一層環氧樹脂灌縫膠，將裂縫全部封閉。施工時要注意防止小氣泡及密封不嚴。

(5)試漏檢驗。一般情況下，在縫面封閉后1～2 d可進行試漏檢驗。可采用高壓氣體或者壓力水進行試漏試驗，來檢查裂縫的密封效果及貫通情況，發現遺漏及時修補[6]。

(6)灌漿。用灌漿泵將環氧樹脂灌縫膠沿裂縫方向進行灌注，灌漿壓力一般控制在0.3～0.5 MPa，灌漿順序為自下而上，由一端到另一端依次連續進行。在保證灌膠順暢的情況下，采用較低的灌膠壓力和較長的灌膠時間，可獲得更好的灌膠效果。可對鉆孔進行反灌，待相鄰灌膠嘴冒出灌漿液后關閉此嘴閥門，直到上部排氣孔有漿液流出時結束，依次循環完成裂縫的灌漿[5]。

(7)拆除灌膠嘴。待裂縫內灌縫膠初凝后，即可拆除灌膠嘴，用水泥砂漿將灌漿孔封口抹平并清除表面。

(8)灌膠效果檢驗。灌膠結束后檢驗灌膠效果和質量，若有不密實等不合格情況，應進行補注。

灌膠效果一般可采用壓水檢查，在裂縫處設置檢查孔，基本不吸水不滲漏即可認為合格。

5 結 語

水閘閘墩裂縫是由于外荷載、溫度變化、收縮變形、結構約束等多種因素共同作用的結果，不同裂縫產生的危害也不盡相同。但通過實例分析，對于混凝土裂縫，應以預防為主，并采取有一定針對性的處理措施，就能有效減小閘墩裂縫可能產生的不利影響，保證構造物的正常使用。