大型水池裂縫分析及對策

姜 濤

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

隨著我國城市化的不斷深入，盛水構筑物呈現一體化、規模化的發展趨勢，水池尺寸不斷增加，結構形式越發復雜。鋼筋混凝土具有強度高、可塑性強和耐久性好等優點，是大型水池的常用結構形式。但由于混凝土又有抗拉強度低、施工受季節影響大等缺點，非常容易出現開裂、滲漏問題。本文對大型水池裂縫的產生原因進行研究，嘗試找出控制節點，并提出防治措施。

1 水池裂縫的主要原因

裂縫指建(構)筑物內部材料不連續的現象，根據產生原因可分為動、靜荷載等直接作用產生和溫度、不均勻沉降等間接作用產生兩種。隨著結構設計理論的完善，結合國內外工程實例不難發現，由間接作用引起的裂縫占總裂縫的多數，故以下主要分析間接作用的影響機制。

1.1 溫度作用引起的開裂

由溫度變化引起的變形受到約束時，構件就會承受溫度作用。約束可以來自構件外部，在溫度變化不同步或材料熱膨脹系數不同時，不同構件間互成約束。如在溫度升高時，水池底板的膨脹變形受下部土體約束，產生壓應力。約束也可以來自構件自身，當其內部溫度變化不同步時，不同部分間互成約束。如混凝土澆筑初期，表層溫度較低，內層溫度較高。表層混凝土收縮受到內層限制，產生拉應力。

在分析鋼筋混凝土水池溫度作用時，需要注意的是由于外部環境影響，其溫度分布是時刻變化的，對其進行全過程的分析、計算是不現實的。很多國內研究進行了簡化模擬，形成了一系列的分析方法。如崔帥[1]基于熱傳導微分方程，提取日照、風速、氣溫等關鍵外部因素，建立了溫度應力及其分布的計算方法，并與試驗結果進行了驗證比對。以下分別從大型水池的施工期和使用期對其裂縫的產生機制進行分析。

大型水池的施工期又可分為混凝土澆筑初期和后期。在混凝土澆筑初期，重點考慮水泥凝結硬化產生的水化熱影響。對于尺寸較大的混凝土池壁或底板，內層混凝土因水泥水化作用產生的熱量無法及時散去，使其溫度更快升高，內層與表層溫差逐漸加大。當表層混凝土收縮受限所引起的拉應力超過混凝土當時的抗拉強度時，就會產生裂縫。在混凝土澆筑后期，主要考慮混凝土冷卻收縮的影響。隨著混凝土溫度降低，水分流失，混凝土開始收縮，并受到周邊約束。如底板的收縮受墊層、地基土的約束，池壁的收縮受已澆筑底板和池壁的約束，產生的拉應力也可能會引發裂縫。

在大型水池的使用期，重點關注環境溫度影響，分為內外(壁面)溫差和季節(壁中)溫差。前者指池內水溫與池外空氣或土體的溫差，由天氣、日照等因素決定。后者指施工完成時的溫度與使用時的溫度之差。由于在進行水池結構設計時，無法得知結構最終的閉合時間。所以可分別按冬季施工夏季使用和夏季施工冬季使用來計算，一般取當地最熱月與最冷月平均溫度之差[2]。

1.2 混凝土收縮引起的開裂

除了因溫度降低而引起的收縮，鋼筋混凝土水池的收縮還包括水泥與自由水發生反應引起的化學收縮、水化熱下蒸發引起的失水收縮和毛細水流失引起的干燥收縮等。這些收縮一方面受混凝土的骨料級配、水泥用量等自身因素影響，一方面受施工養護、氣候變化等外界因素影響。國外在十九世紀開始了混凝土收縮的相關研究，形成了多種計算方法。如歐洲混凝土協會建立的CEB—FIP公式，采用了滯后彈性變形與塑性變形相加的徐變系數；美國混凝土協會建立的ACI-209公式，采用了五個系數相乘的徐變系數，進一步考慮混凝土配合比等的影響。我國的王鐵夢先生[3]根據多年試驗數據，整理出計算混凝土收縮變形的方法，具體公式如下：

式中εy(t)為t時刻的相對收縮變形；

M1…Mn為考慮各種非標準條件的修正系數；

n為經驗系數，養護按0.01，不養護按0.03。

總體來看，混凝土的收縮是一個長期的過程，隨著時間不斷增大，早期收縮較快，后期逐步放緩。相關研究表明，混凝土在14d、90d和365d的收縮變形分別可達其極限收縮變形的20%、60%和80%[4]。

以下為某項目池體裂縫分布圖，立面圖中豎線為施工單位測量、整理的裂縫。南側池壁共有豎向裂縫18條，北側池壁共有豎向裂縫13條。由于池體在混凝土澆筑后，養護時間不足14d，導致混凝土前期收縮變形劇烈，南北側長向池壁均出現明顯裂縫。施工期正處夏季，南側池壁因日照影響，溫度應力及失水收縮更為強烈，裂縫明顯較多(如圖1)。

圖1 某項目池體裂縫分布圖

1.3 不均勻沉降引起的開裂

大型水池的尺寸可達幾十米甚至上百米，池底的地質情況可能發生變化，也可能存在未進行有效處理的局部軟土或擾動土層，造成水池區域間沉降影響深度范圍內土體壓縮模量差異較大。一些綜合水池因工藝需要，長期存在臨近區格空滿等較大水位差的情況，基底附加應力相差較大。若此時水池上部剛度不足或未采取柔性連接措施，將會導致水池區格間發生不均勻下沉，一些部位由此產生拉應力。當其超出混凝土抗拉強度時，池體將會開裂。

1.4 施工問題引起的開裂

由施工問題導致的混凝土水池開裂現象屢見不鮮，以下分析一些常見施工問題。首先是混凝土的材料問題。水泥作為主要的粘合劑，其用量、品種至關重要，混凝土骨料的級配、含泥量等也有重要影響。當這些不滿足規范要求時，極易造成混凝土強度不高，容易開裂。在制配混凝土時，摻入的引氣劑、膨脹劑等要適量。否則不僅無法改善混凝土性能，還會引發離析、泌水和脆化現象。某些工地沒有合理安排施工進度，造成混凝土攪拌車過早入場，等待期間混凝土出現了分層現象，影響澆筑質量。其次是混凝土澆筑過程中，未按規范要求操作。振搗時間過短、漏振，造成混凝土不密實，內部存在孔洞甚至連成縫隙。振搗時間過長，出現砂石與水泥漿分離現象，形成砂層，發生泌水，導致混凝土強度降低。水池施工縫、變形縫的施工措施應當額外重視。止水鋼板或橡膠帶固定不牢，新舊界面處存在松動石塊，將造成混凝土局部不連續、咬合力不足，繼而產生裂縫、滲漏問題。最后是某些工地為加快進度，在混凝土強度不達標的情況下強行拆除模板，造成構件變形過大，受拉部位產生裂縫。

2 水池裂縫的防治措施

根據前文分析，導致大型混凝土水池開裂的主要原因為溫度作用、混凝土收縮、不均勻沉降和施工問題等，那么對應的措施應該是降低水池結構的溫度、收縮、不均勻沉降等引起的應力，增強結構的抗拉強度和整體剛度，采取可靠方案降低施工影響等。國內對此已有較多研究，如王鐵夢先生立足于大量工程實例，針對混凝土的溫度、收縮應力，提出了裂縫控制的“抗”、“放”原則。基于相關理論和文獻研究，借鑒工程經驗，建議措施如下。

2.1 采取放、抗措施，控制溫度、收縮影響

在大型水池的設計中，首先可以通過設置后澆帶和伸縮縫來釋放溫度應力，減小混凝土收縮影響。后澆帶一般寬1m，通常在兩側混凝土澆筑42d后，采用微膨脹混凝土澆筑，以充分降低前期收縮影響。需要注意的是采用后澆帶、伸縮縫等存在工期長、節點弱等問題。其次，可以通過采用膨脹加強帶、預應力、增配鋼筋和添加膨脹纖維劑等方式，增強混凝土抵抗變形應力的能力。膨脹加強帶的工作原理是添加膨脹劑的混凝土發生化學膨脹，對周邊混凝土產生預壓應力，以抵消收縮影響，達到控制裂縫的目的。為保證膨脹效果，膨脹加強帶一般寬2m，比后澆帶更寬，采用鋼絲網與兩側混凝土分隔，有后澆式、間歇式和連續式等形式。其中后澆式膨脹加強帶結合了后澆帶“放”與膨脹加強帶“抗”的特點，一般在兩側混凝土澆筑14d后施工。預應力水池的預壓應力一般通過設置無粘結預應筋來施加，借此實現超長水池結構的不設縫。考慮底板長期處于水、土中，溫度變化小，受地基土影響內力情況較為復雜，可采用普通混凝土結構。壁板常常暴露于空氣中，溫度變化大，適合采用預應力結構，以充分利用混凝土的抗壓強度。池壁所受的內側水壓、外側水土壓力等情況多變，故一般將預應力筋設置在壁板中心，不考慮其對上述荷載的作用。需要注意的是采用預應力結構的水池，經常會遇到普通混凝土和預應力混凝土的銜接、施工技術和錨具維護等問題。在變形縫劃分的水池區格內進行裂縫驗算后，水平鋼筋的配置宜采用“細而密”的原則，間距不宜大于150mm，配筋率不宜小于0.4%。再次，在確定混凝土材料方案時，宜選用低熱硅酸鹽水泥，降低水泥用量，明確骨料級配、含泥量和外加劑要求，以有效降低溫度、收縮影響。最后，可以通過在水池底部設置砂層、油氈或塑料薄膜等易滑動層來減小地基土的約束作用。在溫差較大地區，可以在水池外側增加保溫層來降低溫差，減小溫度應力。

2.2 選擇合理基礎形式和池體布局，減小不均勻沉降

在水池設計中，首先要根據項目地質和單體情況，制定合理的基礎方案。遇局部軟弱地基，以減小壓縮模量差值為目標，可結合抗浮設計選擇整體樁基，也可以采用局部換填、復合地基等形式。其次，在滿足工藝要求情況下，力求水池體型簡單，結構合理，整體性好，區格間受力均勻。必要時可結合變形縫或連通管道將水池分割為若干受力均勻的單元，以減小基底附加應力差值和最終沉降差。最后，水池的基坑設計應做好降、排水方案，減少對下部土體的擾動，沉降計算需考慮坑內土體加固的影響。

2.3 制定合理施工方案，降低不利影響

正式開工前，施工單位應根據圖紙，制定合理的施工方案。在預拌混凝土進場前，根據項目進度推算混凝土用量和進場時間，注意滿足坍落度試驗要求。在混凝土澆筑時，通過在混凝土中埋設水管來降低澆注溫度[5]。進行現場監督，控制振搗時間，防治漏振、過振。合理的混凝土振搗應持續至表面泛漿，沒有氣泡，不再下沉。在施工縫和變形縫施工時，可采用附加短筋、鋼絲網等固定止水鋼板或橡膠帶。注意鑿出凹槽，清除浮石，沖洗干凈，刷涂水泥漿，避免粗骨料集中和漏振，確保節點處混凝土密實度和界面咬合力。在混凝土澆筑后，應及時覆蓋草席、麻袋等，減緩降溫速度，縮小內外層間溫差。通過對混凝土的潮濕養護，減緩水分流失和收縮。水池混凝土的養護期一般不應少于7d，宜達14d。嚴格控制上部加載，在試塊未達規范規定的拆模強度前，嚴禁拆除模板和支撐。通過采取以上措施，可以有效減小混凝土結構前期的溫度、收縮應力，消除施工引起的薄弱隱患，實現控制水池裂縫的目的。

3 結 語

水池裂縫的產生是溫度作用、混凝土收縮、不均勻沉降和施工問題等多種因素共同作用的結果，相應的裂縫控制也是一個把握關鍵因素、多方協同合作的系統工程。同時各個工程項目及單體因為地質情況、氣候條件、處理規模和工藝流程等，都具有自身特點。所以在工程實踐中，大型水池的裂縫控制需要因時因地制宜，綜合考慮多方因素，有效結合多種措施，以確保水池的正常使用，實現項目的穩定運行。