浅析水闸施工期开裂的原因及预防

2012-06-25贵州省黔中水利枢纽工程建设管理局

河南水利与南水北调 2012年8期

□孙剑（贵州省黔中水利枢纽工程建设管理局）

1.前言

水闸一般兴建在软土地基上，以闸门挡水为主，既能挡水，又能泄水，兼有挡水和泄水的双重作用，用以调节水位、控制流量，多用于河道、渠系及水库、湖泊岸边。我国有着悠久的水闸修建历史，水闸在平原地区较为常见，大多修建在一些河流的出入口处，以满足水利事业的各种要求。水闸类型多，任务也较广泛，主要有以下几种：（如图1所示）

图1 各种水闸类型示意图

尽管我国水闸历史悠久，施工工艺成熟，但从工作实践来看，水闸开裂是一个常见的现象，长期以来困扰着工程界。水闸主要由底板和闸墩组成,呈倒丁字形结构，闸墩底部受闸底板混凝土约束,局部抗剪强度不足产生的不均沉降易导致闸体开裂甚至断裂，造成水闸混凝土施工过程中水闸底板混凝土时有裂缝出现。其裂缝向上开展一般略超过墩高的一半,常为贯穿性裂缝。上部可自由变形,比较容易产生裂缝，后续施工的闸墩开裂现象更为严重，对水闸的安全性有很大的影响。闸墩裂缝多数位于墩墙中部区域,近竖直向,两端小,中间大,呈枣核状，甚至曾出现一条闸墩多处开裂的现象。

2.水闸施工期开裂的原因分析

大量的工程实践证明，在施工过程中,水闸结构尚未承担外部荷载,混凝土结构的开裂主要是由于温度作用以及地基不均匀沉降造成的。

2.1 底板裂缝成因分析

水闸主要由底板和闸墩组成,底板是水闸的重要组成部分，地板主要由整体式和分离式两种，如图2。对整体式地板而言，由于其和闸墩一起浇筑，因此较为牢固，主要适用于地基条件较差的情况。分离式则恰恰相反，由于底板牢固，稳定性强，底板顺水流方向的距离要远大于垂直距离，相应的顺水方向的压力也要大一些，其裂缝主要产生于底板中间部位，垂直于水流方向一般没有裂缝的出现，因此其所产生的裂缝主要是不均匀沉降形成的，这主要是由于混凝土热胀冷缩产生大量水化热造成的。混凝土浇筑后,水泥发生水化反应,水化反应时产生大量的水化热，释放出大量的热量。尽管底板暴露于空气中，其热量可以迅速传导到空气中，或者通过与底板连接的地基，导入地下；但是由于混凝土导热性比较差，无法在短时间内释放大量水化热，导致大量的热量积聚于水闸底部。混凝土达到最高温度后随着热量的散发又开始降温，这就产生巨大的温差，在这种温度急剧变化的影响下，混凝土开始变形，产生大量的温度压力，在这种压力作用下，水闸底部出现一些裂缝。（如图2所示）

图2 地板裂缝示意图

2.2 闸墩裂缝成因分析

闸墩作为大体积混凝土，开裂机理与底板基本一致，其温度裂缝随外界环境温度的周期性变化而呈现出周期性变化的规律，闸墩底部固结在底板上，上部自由，在早期容易产生“内部受压，表面受拉”的压力，闸墩裂缝多数位于墩墙中部区域，大多呈现两边小,中间大的形状，与底板裂缝的现象有共同之处。但是与底板不同的是，闸墩作为大体积混凝土，热量传递的同时更易在内部积存，在闸墩内部和表面易形成温差，内部温度高于外部温度，出现峰值温度，产生压力。而且由于闸墩混凝土浇筑时，底板混凝土已经浇筑完成，这就造成新老混凝土之间出现上下层温差，老混凝土由于施工时间比较长，水化热已经挥发完毕，温度不高，但是新混凝土由于刚刚浇筑，其温度较高，这就产生了新老混凝土之间巨大的温度差异，产生温度压力，以至于这种力量超过混凝土的抗拉强度，产生裂缝。（如图3所示）

图3 闸墩裂缝示意图

3.水闸施工期开裂的预防

3.1 材料选择

正如上文分析，要减小混凝土温度裂缝出现的可能性，可采用水化热较小的水泥原料，尽量减少水泥的使用量，从而降低温度差异产生的拉力。在水泥的选材上也要格外注意，选择优质的、水化热低的水泥，例如中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥。还可以在水泥中掺入一些活性混合料，从而达到降低水化热的目的，例如加入煤灰等，据实验证明，加入10%的煤灰可以减少10%的水化热量，从而提高抗裂性。另外，还要优选混凝土骨料，粗骨料占混凝土组成比例接近90%，其中影响最大的是石子，然后再是砂子等骨料。施工过程中一般首选天然骨料，其次再是人工骨料。具体选择标准见下表1。

表1 岩石热胀系数表

3.2 加强养护

水闸混凝土浇筑完毕后要采取养护措施，这是防止混凝土表面裂缝的重要措施之一，养护工作做的好，可以有效的减少裂缝的产生。从目前来看，很多养护措施根据施工经验而定，没有严格的标准和准则，造成有些工作事倍功半，其实养护工作要根据季节而定，夏季高温和冬天低温要采取不同的养护措施。研究表明，在低温季节进行水闸混凝土的施工时，要求混凝土强度达到设计要求的50%以前不遭受冻结，这时由于温度低，闸墩散热比较快，产生拉力大，出现裂缝，因此养护主要以保温为主，在混凝土表面覆盖保温材料，可以选择一些导热系数低的材料，因为研究证明，导热系数越低，保温效果越理想。具体见表2。同样，在夏天高温时，温度高，水分蒸发快，气候较为干燥，混凝土水化作用也受到限制，收缩引起的拉应力很快使混凝土开裂。这时的养护措施将完全不同于冬季养护，可以采用仓面喷雾技术，主要目的是释放雾气，在混凝土表面形成一个雾化隔离层，从而很好的隔绝阳光照射，有效的控制混凝土的挥发速度。另外，在混凝土浇筑完毕后，可采用顶面蓄水的方式进行养护。

表2 常用保温材料及导热系数表

3.3 控制混凝土温度

控制混凝土的温度非常重要，如果外界气温很高，混凝土相应的浇筑温度也高，从而提高水化速度，不利于降低温差，我们可以采用埋设冷水管的办法，通过冷水来冷却混凝土温度，这样效果比较直接，也比较明显。冷却拌和水还可以掺加冰屑，是预冷混凝土最简易的方法。但由于水在混凝土中比重不大，单纯的冷却水作用有限，同时由于骨料几乎占混凝土的90%，因此，可以对骨料进行冷却，方法可以有水冷法、风冷法,分别是用冷水冷却骨料或者用冷风吹冷骨料，或者二者结合使用。