水闸闸墩裂缝形成因素及其控制对策研究

史明政，李亚鹏，徐雪飞，翟兴涛，张文杰

(威海市水利勘测设计有限责任公司，山东 威海 264200)

水闸闸墩裂缝形成因素及其控制对策研究

史明政，李亚鹏，徐雪飞，翟兴涛，张文杰

(威海市水利勘测设计有限责任公司，山东 威海 264200)

水闸作为水利工程中常见的水工建筑物，闸墩位置是最易产生裂缝的部位之一。闸墩裂缝会对水闸所产生的不同程度的危害，这个问题一直在水利工程界延续而未能得到很好地解决，因此倍受工程界人士的关注。在广泛收集多方面文献资料的基础上，笔者结合多年的实践工作经验，深入分析了导致这一问题出现的原因，并总结了相应的防治措施。

水闸闸墩;裂缝;裂缝原因;裂缝控制

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.023

1 水闸闸墩裂缝的现状

水闸由底板和闸墩两部分构成，其构造属于T字形水工混凝土结构，闸墩底部的上部可自由伸缩，而下部受闸底板约束则处于固定状态。根据查阅有关施工资料和现场调查问题工程，发现闸墩出现裂缝有一定的共性特征，即裂缝部位多为墩墙中部，多高于墩高的一半，即上下均不着边，下部距底板10～30cm，方向接近竖直，两端较小，中间最大，为自下而上呈“枣核状”的贯穿型裂缝。水闸闸墩的裂缝示意图及水闸支座垫板下闸墩裂缝位置图见图1、图2。

图1 水闸闸墩裂缝示意图

图2 水闸支座垫板下闸墩裂缝位置图

当前，在已建和新建的诸多水闸工程中，闸墩裂缝的存在具有广泛性。如湖南衡阳近尾洲水电厂溢流坝泄洪闸，经过检查，发现23个闸墩均有裂缝分布，共计发现裂缝352条。再如，辽宁沈阳石佛寺水库16孔泄洪闸闸墩混凝土有明显可见的裂缝共43条，裂缝累计总长度达到72m。这些实际案例足以说明该问题的普遍性和严重性。而裂缝的防控作为一个涉及多学科、多领域的综合性顽固问题，其裂缝成因和有效解决的措施仍有待深入研究。

2 水闸闸墩裂缝形成因素分析

2.1 材料选择和配比

在具体工程中，如果实际应用的混凝土强度值与设计强度值相差太大的话，就会导致混凝土的水热化现象严重，进而使混凝土内部的温度过高，在其硬化初期就会加大温度应力。冬季施工的水闸闸墩工程中应当特别注意，因为受季节因素的影响，混凝土的浇筑会产生更多的水热化。虽然对混凝土温度的保持具有良好的效果，但同时也更容易导致新的问题出现，即一旦水泥的用量和标号选择不当或混凝土配比不合理的话，就会增大出现裂缝问题的几率。此外，较大尺寸的混凝土结构，胶骨的配比一定要把握好，最好控制在1∶3的比例范围内，同时要尽量降低水泥用量，以减少大量水热化所引发裂缝的产生。

2.2 混凝土干缩

混凝土内部所含的水分流失主要走向为三方面，一部分是用以满足水泥水化过程的需要，一部分是泌出混凝土表面，而更多的部分则是在浇筑捣振过程中被蒸发。它们在水泥的凝结和硬化过程中逐渐散失，最终引发混凝土体积的变形和减少，该现象被定义为混凝土的干缩现象。因受到混凝土水分蒸发和含湿量分布不均的变化影响，出现了表面收缩变形逐渐向内部减少的梯度变化趋势。

2.3 施工方法

在混凝土的浇筑施工中，因施工不规范导致裂缝问题出现的因素很多，如振捣不均、漏振、过振等，这些都会引发混凝土出现离析、密实度不足等问题，并极大的降低了墩体整体结构的强度。混凝土内部气泡排除不尽问题也较为突出，特别是钢筋表面的气泡会使混凝土与钢筋之间的粘结力下降。

2.4 水闸闸体内外温差

水泥水化中产生水化热较多，1～3d即释放热量的50%左右，甚至更高。而一旦混凝土达到最高温值，其温度将下降至与外界温度等同为止。图2为混凝土浇筑后温度变化的过程图，其中，Tf代表入仓温度，Tr代表温升值，Tf代表稳定温度，△T代表最高温度和稳定温度升高值，即基础温差。混凝土墩体内外温度变化过程线如图3所示。

图3 混凝土温度变化过程线

由于闸墩所需的混凝土体积较大，热量在传递过程中很容易滞留在体内，处理不当就会出现内部温度明显高于外部温度的情况，两者落差明显。而在散热过程中，内部的温度又受散热条件的影响，使其内部热度难以散发出来。该部位的混凝土在升温和降温中的温度都呈梯田式分布状态，因此在自生变形中也会出现不一致。而混凝土的内部膨胀和外部收缩中都会遇到来自相反部位外部因素的制约和影响，致使出现混凝土外部的拉应力。而一旦外部混凝土的拉应变达到其自身不能承受的极限值时，就会产生裂缝，该裂缝会随着时间的延长而变大、变深，严重时还会使各条裂缝串联起来。

2.5 混凝土自生体积变形

无论有无水分蒸发，混凝土在浇筑后都会在其自身产生化学反应，并出现不同程度的体积变形。一般的混凝土，其出现变形时多为收缩型的。主要是因为水泥水化的过程中因干燥作用而导致水分的消耗，使凝胶孔的液面下降，混凝土的湿度和体积收缩。而导致混凝土体积减小的因素，是因其构成材料的化学成分和水灰比共同作用的结果。当水灰比＞0.50时，其出现的自生收缩和干缩作用可被忽略;而当水灰比 ＜0.35时，其自生收缩和干缩作用所差不多，则必须将其列入考虑范围。

3 预防控制对策

3.1 混凝土材料

3.1.1 水泥品种的选择

水泥的种类、应力、混合材料的品种和浇筑温度等因素，都会对混凝土绝热温升产生一定的影响。其中，水泥种类所产生的影响主要源于矿物成分产生的水化热因素。根据水泥矿物成分中发热速率和发热量的高低排序，占比最大的依次为:铝酸三钙→硅酸三钙→硅酸二钙。即越细的水泥速率越快，而其细度与具体的发热量无关。也就是说，在浇筑水闸闸墩的混凝土时，水化热低即 C2S和C4AF含量高、C3A和C3S含量低的水泥是首选。

3.1.2 骨料的热学性能

水工混凝土中各成分的质量百分比约为:石子63%～65%，砂子22%～23%，水泥7%～10%，水5%。根据混凝土的热性极大地受到石子和砂子成分的影响，可以得出粗骨料的矿物性质对混凝土的热学性能有着较为明显影响的结论，所以，热学性能好的骨料是作为控制混凝土温度的根本措施之一。由于当前在国内的水利工程施工中，普遍存在就地选取骨料的现象，这就要求施工方在骨料选材时严格按照有关规范标准进行，前期的物理学性能试验不可少。而在天然骨料不足的项目地区，最好选用膨胀系数小的骨料。

3.1.3 胶凝材料用量

在水利工程施工中，一般会采取掺入适量混合料的方法来降低高水热化可能带来的裂缝问题。而在混凝土的掺合料研究中，掺加粉煤灰技术在我国的应用较为普及，且效果很突出。具体表现为:在掺加粉煤灰后，混凝土早期强度和极限拉伸值的降低效果明显，并极大地限制了其自身的发热量。举例说明:在7d龄期，在不考虑混凝土早期可能出现的徐变增加和弹性模量降低因素的前提下，掺加混合料后，混凝土的极限拉伸值会降低19×10-6mm，其温度变形值也会降低34.1×10-6m，由此可见，向混凝土中添加适量混合料的抗裂法具有极强的应用可行性。

3.2 温度

采取温控措施即降低混凝土的入仓温度，特别是现场新搅拌的混凝土温度应为6℃左右。当遇到高温天气作业时，可在搅拌混凝土的过程中加入冰块，而减少水的用量，以保持混凝土的冷却性能不被降低。为减少裂缝的出现，混凝土浇筑工作最好在春秋季温差不大的气候条件下进行。运送混凝土的工具或浇筑仓面都必须全程进行遮阳和降温处理。当预期内部温度无法降低到施工标准时，可采取在内部埋设冷却水管的方法来降温。

3.3 施工工艺流程与方法

当前的闸墩混凝土浇筑施工中，泵送混凝土的施工方法最为常见。但因为该工艺对混凝土的流动性、水泥用量和水混比要求较高，且因首期出骨料粒径小等因素的影响，会出现水化热温升快的现象，在一定程度上提高了收缩裂缝出现的概率。所以，在浇筑时，为确保其良好的散热性，浇筑方式可进行分层浇筑。每一层的浇筑深度应保持在1.0～1.5m的范围内，并在确保前一层混凝土达到初凝要求后再进行新一层的浇筑，最下部的混凝土可与底板一起浇筑，这种连贯浇筑法能有效地降低或消除底板对闸墩混凝土的约束力。此外，还可采用降低伸缩缝长度或分段的方法进行浇筑，采用该方法时必须预留1～2m的后浇带，当每一分段的混凝土完成收缩后再完成预留带的浇筑工作。

3.4 后期养护工作

混凝土施工后期养护工作的目的就是为了降低它的变形量。达到保湿、隔热目的，有效降低裂缝出现率的途径主要有以下4种。第一，浇筑前把基层和模板都用水浇透，拆模后从顶部进行淋水或浇水处理，使其表面始终处于湿润状态。第二，在闸墩周围进行塑料膜包裹处理后再浇水的方法，这样能提升养护效果，降低裂缝出现率。第三，通过在混凝土表面覆盖塑料膜或已浸湿的草垫或麻片等的方法来保证其表面湿润度。第四，拆模时间向后推迟3～4天。此外，应特别注意的是，在大风和高温天气条件下保养时，应对闸墩结构进行遮阳和挡风处理，以确保混凝土表面的温度和湿度适当，尽量降低混凝土表面的散热量，以确保混凝土表面温差在施工条件的标准范围内。

3.5 其他

除了上述方法和措施外，还应处理好结构施工前对松软土和填土等的加固工作。在混凝土的浇筑中还要确保地基的干燥，使其牢固性不被损坏。模板需要具有满足施工条件要求的强度和刚度，将其牢固地固定在地基上，并注意拆模的时间和拆模顺序需要准确，以确保万无一失。

4 展望

由于导致水闸闸墩混凝土出现裂缝的因素很多，各因素之间又关系密切，在降低一种原因的不利影响时，往往又会产生新的不利因素，防裂措施各有利弊。为将弊端降到最低，在具体的施工应用中，必须倡导科研先行的基本理念，在科学指导的基础上根据裂缝机理的研究结果而制定新的防裂技术方法。同时，还要强化工程业主、科研人员、设计者和施工作业者之间的协同作业。尽管当前国内一些工程中已经通过如混凝土内预埋冷却水管法、循环水冷却混凝土法、同时浇筑墩体底部与底板的混凝土等具体方法，已经在一定程度上减轻了裂缝问题的发生，但距离彻底解决水闸闸墩裂缝问题的研究之路还很漫长。

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TV66

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1672-2469(2016)08-0071-03

2016-02-25

史明政(1965年—)，男，工程师。