水工大体积混凝土裂缝成因及控制研究

2016-12-23温玲

科技创新与应用 2016年34期

关键词：裂缝控制水工大体积混凝土

摘要：水利工程建设中大体积混凝土裂缝引发诸多问题，文章在充分参考前人研究成果的基础上分析裂缝成因，并结合白洋淀千里堤十二孔闸改建工程，提出合理控制措施和改进建议。

关键词：水工；大体积混凝土；裂缝控制

水工大体积混凝土在混凝土大坝、闸底板、溢洪道闸室等水利工程中运用广泛。水工大体积混凝土裂缝问题在水利工程中举足轻重，认真分析问题成因至关重要，深入实际、防治结合、科学合理地控制裂缝，才能保证水工建筑物的正常能效。

1 裂缝产生机理

1.1 温度裂缝

在混凝土凝固过程中，水泥水化会释放大量的水化热，从而使混凝土内部的温度随之上升。水工大体积混凝土结构在内外环境温差的作用下，结构内温度会随时间增长而降低，直至达到多年平均气温水平。混凝土的温度变化过程分为温升、冷却降温、稳定三个阶段。[1]水工大体积混凝土的温度变化会引起温度变形，受到约束产生温度应力，当拉应力超过抗拉强度时产生裂缝。

1.2 沉降裂缝

结构地基质地不均、不密实、平整度差，或者回填土压实度不满足强度要求，地基会产生不均匀沉降，或者模板下滑等变形所引发大体积混凝土结构裂缝。尤其夏季雨后，在结构薄弱的地方极易有裂缝产生。

1.3 收缩裂缝

收缩裂缝是由于水泥中水分大量蒸发产生的裂缝。混凝土的拌和水中，约20%的水分是水泥硬化所必须的，其余80%的水分要蒸发。[2]混凝土浇筑凝结前，在高温、大风的作用下表面失水过快，产生塑性收缩，形成中部宽、两端窄的塑性裂缝；浇筑后，结构表面失水快、变形大，内部失水少、变化小，随着水泥凝结，结构表面拉应力增加，结构受到变形的影响，而出现干缩裂缝。

除了上述裂缝成因以外，产生裂缝还有冻害、施工技术、材料选择和配合比、外力作用、骨料反应等因素。

2 工程案例分析

2.1 工程概要

十二孔闸位于河北省任丘市大树刘庄村东白洋淀千里堤上，是一座具有防洪、引水灌溉及引水补淀综合利用的水利工程。原闸始建于1958年，为砂质地基，方形箱式砖石涵结构形式，12孔2×2m涵洞。由于工程始建标准低、质量较差，经过几次除险加固工程均未根除隐患，存在绕渗、下游消能防冲能力低等问题，为保证防洪及下游安全，发挥引水灌溉和引水补淀效益，于2010年8月开始改建。改建后闸型为涵洞式水闸，洞身为4孔3×3m钢筋混凝土箱涵结构，改建后仍沿用“十二孔闸”名称。十二孔闸主要建筑物级别为1级，次要建筑物为3级，设计洪水位9.0m（85高程），引水灌溉设计流量为48m3/s，引水补淀设计流量为30m3/s，洪水标准为100年一遇，洪水水位为10.48m。[3]

2.2 施工情况与裂缝分析

十二孔闸2010年的改建工程中，混凝土施工工艺流程为：舱面准备；测量、验收；混凝土拌制；混凝土运输入仓；混凝土平仓振捣；抹面；拆模、养护；伸缩缝处理。在混凝土施工过程中面临可能导致裂缝的因素大致分为以下几点：

（1）基础因素

十二孔闸改建工程为原址重建工程，地质结构为粘性土单一结构，分布较稳定。由于新建工程防洪级别提高，纵向距离增加到107.6m，较原工程的56m大幅增加。[3]经河北省水利勘测设计院先后两次实地勘测，新工程消力池以下为沙壤土地基，易造成局部混凝土产生裂缝甚至垫层塌方。

（2）混凝土质量因素

为确保“引黄补淀”如期通水目标（2010年11月），十二孔闸改建工程主体计划工期为2010年8月9日至10月15日。工期短造成混凝土施工方案中混凝土供应方式为外购商品混凝土，如不能对外购混凝土进行质量严格控制，易造成混凝土质量不达标或提前拆模出现施工冷缝。

（3）气温因素

该工程主体工程（上下游底板、胸墙、翼墙、涵洞、闸墩）施工工期处在夏末秋初，混凝土浇筑拌合、运输、浇筑过程中面临着高温影响。

（4）荷载因素

该工程位于白洋淀千里堤中段，是附近居民交通要道，特别须满足水产养殖运输重车通行要求。涵洞顶板浇筑完成后，改建工程须恢复交通。此情况对涵洞顶板配筋、浇筑、养护提出更高要求，如浇筑的混凝土不能满足荷载要求，易产生裂缝。

2.3 裂缝防治控制

针对上述问题，为避免十二孔闸改建工程大体积混凝土结构产生裂缝，采取了以下控制措施：

（1）基础施工与处理

在工程下游，主体工程四周设置排水井，采用块石过滤，机泵排水，加速地基的固结，保证地基的稳定性，防止因不均匀沉降产生的混凝土裂缝。对消力池以下基础工程采用置换法加以处理：开挖部分原沙壤土地基，换填粘土地基，夯实基础，保证基础的平整性和密实性；在粘土基础上均匀平铺100cm厚条石，用混凝土浇筑一体，保证地基强度，防止不均匀沉降产生混凝土裂缝。顶板浇筑不分仓，采用通体一次性浇筑完成，浇筑过程中加强浇捣，保证密实度。

（2）混凝土质量保证

本工程采用水工防渗商品混凝土，每批商品混凝土进入施工现场，施行厂家提供检验报告，施工单位送检，监理单位督察，建设单位抽查的管理办法，确保进场成品混凝土的各项指标稳定合格。浇筑前，科学计算混凝土需求量，充足报备，防止连续浇筑过程中混凝土断供耽误时间而造成施工冷缝。

（3）温度因素防控

夏季浇筑施工尽量控制在早、晚两个时段，避免在正午高温环境下进行，如果必须在高温环境下作业，应当搭建凉棚，同时喷洒水雾。采用低热硅酸盐水泥，在罐车运输过程中加入冰块降温，加入缓凝剂控制凝结时间。

（4）荷载应力因素控制措施

为满足抗压强度要求，防止混凝土裂缝的产生，改建工程涵洞顶板的浇筑选用标号为C60的高强度混凝土，选用优质骨料，添加水泥用量0.5%的高效减水剂。工程拆模后采用麻袋覆盖并洒水保湿，养护28天，避免高温、大风造成不利影响。

2.4 运行情况

十二孔闸改建工程2010年12月7日投入使用后，经过五年的运行，工程状况良好，运行正常，未发现重大质量隐患，达到了设计标准。在2010-2012年度引黄补淀工程中发挥了显著效益，累计为白洋淀补水近1.4亿m3；在2012年“7.21”防汛期间运行良好，有效发挥了自身防洪功能。

3 结束语

大体积混凝土裂缝研究是水利工程研究的热点，通过对裂缝成因分析及控制措施研究，有利于系统掌握裂缝控制方面的技术方法，有利于指导水利工程实践。

参考文献

[1]袁光裕，胡志根.水利工程施工[M].北京：中国水利水电出版社，2009.