南水北调中线工程涵闸混凝土裂缝控制技术

□梁 斌（河南省水利第一工程局）

水闸和地涵是南水北调中线工程常见的水工建筑物，涵闸裂缝发生的主要部位在底板和墩墙上。涵闸混凝土一旦产生裂缝，将使该建筑物产生渗漏。渗漏的结果，一方面在压力水作用下使裂缝逐步扩宽和发展；另一方面加速混凝土碳化。这些混凝土裂缝直接影响混凝土结构物的结构强度和整体稳定性。只有深入分析水工构筑物裂缝形式与原因，提出控制措施，才能保证水工构筑物的安全，提高其使用寿命。

一、涵闸结构的典型裂缝及其成因

（一）墩墙裂缝

涵闸混凝土墩墙结构经常出现“上不着顶，下不着底”的“枣核形”裂缝现象，缝宽受外界环境温度的变化影响较明显，冬季较宽，夏季较细。从混凝土表面看，裂缝底部通常是竖直的，而顶部则向两边倾斜。

在涵闸墩墙混凝土结构中，裂缝一方面是由底板或基础约束引起的。由于墩墙和底板之间存在施工间歇时间，墩墙混凝土的变形受到底板的约束作用，一开始产生压应力，此时由于早期混凝土弹模小，徐变度大，压应力大且很快会因松弛变形而降低；当上部混凝土温度下降时，由于底板对降温收缩变形的强约束，墩墙就会出现较大的拉应力，当拉应力超过混凝土的即时抗拉强度时，它便会出现由里及表的裂缝，且常常是贯穿性的。墩墙的基础温差愈大愈有可能出现这样的裂缝。

（二）底板裂缝

底板的沉陷裂缝多属深进或贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，较大的贯穿性沉陷裂缝，往往上下或左右有错距，裂缝宽度受温度变形的影响小，因荷载大小而异，且与不均匀沉降值成比例。地基变形稳定后，沉陷裂缝也趋稳定。涵闸的底板混凝土沉陷裂缝主要为顺水流方向的裂缝。

当涵闸底板修建在坚硬的基岩上时，受到的约束作用会很大，有可能产生贯穿性的裂缝。由于地基土体软硬不均，或局部存在松软土，未经夯实和必要的加固处理，即使在相同的外荷载作用下，也会产生不同的沉降量，从而引起混凝土的开裂；墩墙传给底板的力也是不均匀的，混凝土浇筑后因地基受力不均，产生不均匀下沉，造成结构应力集中，导致出现裂缝；当边墩外填土接近设计高程时底板中部顶面顺水流方向就会有裂缝产生，这完全是由于边荷载影响形成的；冬季施工，模板支架支承在冻土层上，上部结构未达到规定强度时，冻土化冻下沉，使结构下垂产生裂缝。

二、涵闸混凝土裂缝控制施工技术

（一）混凝土浇筑材料控制

1.优先使用低热和中热水泥。若需要水工大体积混凝土水化热低的水泥时，则适当提高C2S和C4AF的含量，并限制C3A和C3S的含量。

2.优先选用热学性能好的骨料。粗骨料占混凝土组成比例为89%以上，因此，混凝土的热学性能在很大程度上取决于粗骨料的矿物性质，优先选用热学性能好的骨料是混凝土温度控制的治本措施之一。

3.减少混凝土水泥用量，掺拌外加剂。在混凝土中掺混合料，如粉煤灰在我国已有广泛的应用。在混凝土中掺用粉煤后，降低了混凝土的早期强度和极限拉伸值，但混凝土发热量降低了。根据工程结构性能的要求和建筑物所处的环境条件，选择适当的外加剂，也是减少水泥用量和降低混凝土水化热的重要措施之一。

（二）改进施工方法与工艺

1.减小外部约束。当涵闸建筑在坚硬的基岩上时，坚硬的基岩将约束涵闸的底板混凝土变形的发展，在底板上就有可能产生贯穿性的裂缝。水工建筑物基础开挖规范要求建基面开挖偏差不超过20cm。但由于爆区两侧及后排受到夹制作用，或岩性不均一，开挖出的岩基面一般都会有局部起伏，在岩基面局部起伏处，会引起坝底应力集中，在坝块因温度变化而膨胀或收缩时又增加了约束作用。因此，有些国家规定，岩基面的局部起伏度不超0.5m，在我国规范中对此尚无明确规定。对岩基面应尽量要求开挖平整，其局部起伏度以不超过0.5～0.8m为宜，否则应用混凝土把凹坑填平或局部加用钢筋并进行处理。

2.设置后浇带。留置间距首先要考虑能有效削减温度收缩应力，其次为方便施工要考虑与施工缝重合。通过计算与工程实践经验，在正常施工条件下，每区段间距取20～30m，有时还可更小一些，即可保证后浇带划分区段中的混凝土可自由伸缩，有效防止裂缝出现。后浇带的宽度理论上而言只需1cm已足够保证温度收缩变形，但考虑施工方便，避免应力集中，一般宽度应在70～100cm之间，工程实践中大多采用100cm。

混凝土后浇带施工时应重点注意以下问题：防止外界水侵入；防止杂物落入后浇带清理困难，为防止杂物落入后浇带中，在主体混凝土浇筑完成后，拆除后浇带中的模板并清理出后浇带，然后密封；防止后浇带部位软基土体上拱；防止混凝土施工缝渗水。

3.采用表面真空作业技术。采用表面真空作业，即真空负压作用，使浇筑的混凝土的水灰比明显减小，初始孔隙率降低，改变了混凝土的内部结构，提高砂浆与粒料界面的粘结力与混凝土的密度，能减小混凝土的早期干缩应力。在水化程度相同的情况下，真空吸水可以明显提高混凝土的早期强度。

4.设置表面钢筋网。由于混凝土抗拉能力很弱，当受到拉应力时极易发生破坏。因此考虑通过在应力集中点处增加一部分钢筋，以提高局部抗拉强度。某水闸在上闸首闸孔底板增设钢筋网，浇筑后经过长期观测，仅发现一条裂缝，而且长度、宽度都远比以前裂缝小得多，随着混凝土龄期增加，此裂缝逐步回缩，最后几乎肉眼看不到了。

（三）结构布置改进

1.结构的合理分缝和分块。通仓浇筑的优越性是明显的，一般它能够简化柱状浇筑较繁琐的后期冷却和接缝灌浆，缩短工期，使水工混凝土建筑物尽早投入运行，是最先考虑的施工方案。但通仓浇筑增加了浇筑块受基础约束的拉应力区范围和高度;增大了浇筑块的尺寸，其抗御气温骤降的临界幅度相应减少，发生表面裂缝的机率及条数增多，同时表面裂缝发展的可能性也随之增加;增大了仓面的尺寸，浇筑过程中更容易出现薄弱面，对混凝土浇筑的平仓振捣要求更高。且水工混凝土建筑物体积和断面尺寸较大，施工难于一次浇筑到设计高程，所以需要进行合理的分缝分块浇筑。

2.设置贴脚。为了防止混凝土局部的应力集中，应当采取适当的措施来避免，在水工涵闸的设计中，设置贴脚能防止墩墙底部的应力集中现象。

另外，设置贴脚还可以增加结构的抵抗垂直于水流方向的水平水压力的作用，增强整个结构抵抗不平衡力矩的能力，增强了底板的抗裂能力，降低了底板产生顺水流方向裂缝的可能性，也增加混凝土结构的整体稳定性，从而大大延长结构的使用寿命。

3.结构平缓过渡。由于底板的面积和厚度都很大，对上部浇筑的墩墙有较强的约束力，减小底板对墩墙的约束，使结构平缓过渡，将对墩墙的防裂十分有利。底板对墩墙在水平方向x，y两个方向均有约束作用，垂直方向z则没有约束。如果能减小x方向或者y方向的约束作用，使结构平缓过渡，将会明显改善墩墙的应力分布。将一定高度的墩墙和底板同时浇筑，将底板对墩墙的约束变成墩墙对墩墙的约束，由于墩墙在y方向的厚度很薄，只有lm左右，对上部混凝土在y方向的约束作用很小，因此，x方向的约束自作用就可以忽略不计，从而有效地降低底板对墩墙的约束，减小墩墙受约束产生的拉应力。

三、结束语

涵闸混凝土的裂缝问题已经被越来越多的人所重视。早期裂缝的产生与混凝土的温度和收缩有关，所以必须加强涵闸的早期温度和自生体积变形方面的控制，控制好原材料第一关，合理的进行结构布置，保证满足浇筑控温要求，采用先进的施工方法与工艺，并不断改进，从而才能不断提高水工混凝土施工裂缝的可控性，保证南水北调工程达到优良工程。

[1]吉顺文，朱岳明等.平原地区水工混凝土裂缝成因与防裂研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2009（4）.

[2]刘金培.水工混凝土裂缝的处理[J].中国水利，2009(2).