清水池超长池壁混凝土裂缝宽度受浇筑长度变化规律研究

秦乙洪,陈佳文，廖一天，李悠然，吕林鹏

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

清水池超长池壁混凝土裂缝宽度受浇筑长度变化规律研究

秦乙洪,陈佳文，廖一天，李悠然，吕林鹏

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

水池池壁一次性浇筑混凝土方量太大会使水池池壁混凝土开裂程度过大，影响结构安全和正常使用;一次性浇筑混凝土方量太小会增加施工时间，拖延工期。针对该问题，本文分析了混凝土裂缝的成因，结合工程实例选择三维有限元水池设计软件建立模型，对极端气候条件下大型水池混凝土一次性浇筑不同混凝土长度所产生的裂缝宽度进行计算和分析，确定了本案例最佳浇筑长度为24.2 m，其计算方法可供其他大型清水池池壁混凝土浇筑工程参考借鉴。

裂缝成因；裂缝宽度；最佳浇筑长度

矩形水池池壁在混凝土的浇筑过程中会因各种原因产生裂缝，裂缝的出现会破坏水池整体结构的稳定性，导致其不能正常使用。针对不同的裂缝成因会有不同的处理措施，张达石等人研究了设伸缩缝水池的池壁内力计算方法，提出了采取空间效应的计算模式进行设计计算比较合理[1]；王艳舫等人针对大型水池需设置伸缩缝的现状，通过水池伸缩缝破坏的实例，分析了破坏产生的原因，并提出了相应的处理措施[2];董富强利用水化动力学方法和有限元建模分析方法对该类结构混凝土收缩、温差及早期裂缝形成、发展机理进行研究，对池壁开裂的可能性进行预先评价[3]；董德胜等人通过对混凝土的温(湿)度变化产生效应的研究，提出施工期、季节、壁面3个方面的温(湿)差作用及相应的对策[4]。在现有对矩形水池池壁裂缝出现成因的研究中，水池池壁混凝土一次性浇筑方量对池壁裂缝产生的影响规律很少提及。

本文针对该问题，选择三维有限元设计软件(涉及软件版权问题不方便写明软件名称)根据工程实际情况建立相应软件模型，考虑在极端气候温差较大的情况下，对水池超长池壁浇筑一定量混凝土时所产生的裂缝宽度进行计算，并分析出水池超长池壁一次性浇筑不同方量混凝土对水池池壁产生裂缝宽度的影响变化规律。其计算分析结果可供该工程参考，同时也为下一步方案的拟定和实施提供了科学依据。

1 相关理论

水池池壁混凝土裂缝的产生原因有多种，其中最主要原因是混凝土的收缩变形、温度变形和约束应力等[5-6]。混凝土在干燥条件下会引起体积缩小，在潮湿条件(或在水中)体积会膨胀。混凝土收缩发生在混凝土硬化过程中，由于各种原因引起的随时间变化而发生的体积缩小，这种情况称之为混凝土的收缩变形。在施工期间由于水泥水化热、气温变化以及混凝土配合比的不同都会使混凝土发生温度变形。温度作用与结构构造的约束条件有关，即使环境变化相同，不同的约束也会产生不同变形和应力，即温度作用取决于温度变化和约束条件[7]。

导致水池池壁混凝土裂缝出现的因素是多方面的，通过讨论很难确定哪一个或几个因素是造成池壁裂缝出现的主导原因。通过改变浇筑池壁混凝土的方量会使池壁结构及其释放的水化热发生变化而影响水池池壁混凝土裂缝宽度的变化。

1.1 裂缝平均宽度计算公式

裂缝平均宽度计算公式的基本假设是构件开裂后横贯截面的裂缝宽度相同，即在钢筋表面处的裂缝宽度和构件表面的裂缝宽度相等[8]。所以，裂缝宽度等于裂缝间距范围内钢筋和混凝土的变形差，即:

(1)

(2)

(3)

式中：σs为钢筋在裂缝处的应力，Pa；Es为钢筋弹性模量，Pa；φ为钢筋应变不均匀系数；ωm是裂缝平均宽度，m。

1.2 壁面温差计算公式

由于温(湿)差作用对壁板混凝土裂缝宽度的产生有很大影响，且工程采用保温措施，故应对水池池壁壁面温差进行计算。根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》[9](CECS 138-2002)4.3.5条，壁面温差计算公式为：

(4)

式中：Δt为壁板的内外侧壁面温差，℃；h为壁板厚度，m；λc为混凝土壁板导热系数，取2.03 W/mk；βc为混凝土壁板与空气间热交换系数，取23.6 W/mk；TN为壁板内侧水计算温度，按年最低月平均水温，℃；TA为壁板外侧大气温度，按年最低月统计的平均温度，℃。

2 工程实例

2.1 工程概况

某工程位于亚洲西部波斯湾西北角,属于热带沙漠气侯，全年昼夜温差都较大。高温季节4月到11月，最高月平均气温40.2 ℃；低温季节12月至次年3月，气候温和、少雨干燥，最低月平均气温为21.5 ℃。

本工程为调节水厂均匀供水和满足用户不均匀用水的调蓄构筑物，属于大型清水池。该工程建筑物基础以上为土方开挖和填筑，其土质主要由风化的石灰岩和泥灰岩构成。该水池单池为长方体，水池底板卧地，主体位于地上，有盖构造，在池顶检修通道入口处设置小屋，单个水池净空尺寸长129.6 m，宽76 m，高11.2 m，容积约9万m3，由于水池池壁结构平面尺寸过大，故将水池池壁定义为超长预应力钢筋混凝土结构，即超长池壁。

水池内部设有圆柱，起支撑作用，池壁、隔墙及导流墙边模主要采用组合钢模板，在施工条件许可的情况下水池池壁单元块可适量增大，边长可达20～25 m。整个墙体分两次浇筑，浇筑原则为尽量跳仓浇筑，延长相邻单元块浇筑的时间间隔，使混凝土有充分的收缩时间，且时间间隔应尽量保持一致，使混凝土收缩均匀，以减少因收缩不匀而产生应力裂缝。

2.2 模型参数选取

根据工程资料，采用三维有限元设计软件建模并计算在极限温(湿)差条件下混凝土裂缝的宽度，表1为模型参数表。其中池壁裂缝宽度值的计算是模型建立之后软件根据裂缝平均宽度计算公式(3)自动计算而出，内外侧壁面温差值是根据公式(4)手动计算得出。

该水池池壁与底板或其他条形基础的连接为固定支承，由于水池顶板与池壁顶端设有抗剪钢筋连接，故其节点应视为铰支承。池壁荷载按照工程设置情况取值，文中因一次性浇筑混凝土的高度和厚度是定量的，故混凝土浇筑的方量可间接用浇筑长度代替。

表1 模型参数表

其中顶板弯矩为池内侧受拉为正，池外侧受拉为负，底板弯矩与顶板弯矩内外两侧受拉方向相反，壁板弯矩方向为池壁外侧受拉为正，池壁内侧受拉为负；轴力受拉为正，受压为负；内力设计值用于计算地基承载力，标准值用于计算抗裂度，准永久值用于计算裂缝宽度。

2.3 基本假设的制定

由于导致清水池池壁混凝土裂缝的出现原因是多方面的，在计算混凝土裂缝宽度时很难考虑到所有的情况，因此需要在尽可能减少误差的情况下对实际结构进行合理假设与简化，该假设不会影响混凝土裂缝宽度变化规律。

①假定浇筑水池池壁的混凝土为各向同性的均质材料； ②不考虑早期施工等因素对水池池壁的影响； ③由于水池底部浇筑了一定厚度的素混凝土，有效的控制了水池的不均匀沉降，所以不考虑因沉降对裂缝的影响； ④不考虑地震的作用； ⑤不考虑地下水的作用。

2.4 模型的建立

水池模型根据工程实测资料建立，其中水池网格划分尺度为1 m，网格的划分见图1。为了便于查看水池内部情况，模型的建立已将水池顶板隐藏，对软件计算结果无任何影响。三维有限元模型见图2，图中水池内部其他板件为隔墙及导流墙。

图1 网格划分尺度图

图2 三维有限元水池模型图

3 计算结果及分析

3.1 模型计算结果

软件通过模型参数的设定及裂缝平均宽度计算公式(3)计算并导出的结果，基本工况的选取是以初步拟定水池池壁混凝土浇筑长度为20 m的方案为例，其中ABCDEFG断面为软件建模后根据水池池壁混凝土浇筑长度自动划分的不同断面。

通过分析可知：在水池池壁一次性浇筑长度为20 m时，池壁产生的裂缝宽度最大值是0.23 mm，最小值是0.06 mm，平均裂缝宽度为0.146 mm，小于规范《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》[9]中所规定清水池混凝土浇筑裂缝限值0.25 mm，满足设计要求。

3.2 池壁混凝土裂缝宽度影响规律研究

根据工程资料要求，模型以每增加0.6 m为一个浇筑长度模块，以平均裂缝宽度为校核指标，完成对20～25 m浇筑长度的裂缝宽度的计算，确定出水池池壁最佳的浇筑长度。软件通过模型参数的设定及裂缝平均宽度计算公式(3)计算并导出的结果，其中ABCDEFG断面为软件建模后根据水池池壁混凝土浇筑长度自动划分的不同断面。池壁一次性浇筑不同长度产生裂缝宽度见表2。

表2 裂缝宽度表

从表2中可以看出当水池池壁浇筑长度为23.6 m时，壁板沿X轴方向最大裂缝宽度值为0.25 mm，在FG断面出现；当水池池壁浇筑长度为24.2 m时，壁板沿X轴方向最大裂缝宽度值为0.25 mm，在DE断面出现；当水池池壁浇筑长度为24.8 m时，壁板沿X轴方向最大裂缝宽度值为0.27 mm，在DE断面出现。同时，水池池壁不同断面出现的裂缝宽度随着混凝土浇筑长的增加而变大。

3.3 计算结果分析

(1)在水池池壁混凝土一次性浇筑长度为20 m时，池壁产生的裂缝宽度最大值是0.23 mm，最小值是0.06 mm，平均裂缝宽度为0.146 mm，满足设计要求。

(2)水池池壁混凝土一次性浇筑长度为24.8 m时，池壁裂缝宽度最大值是0.27 mm，沿DE断面产生，且平均裂缝宽度为0.252 mm，超出《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》中所规定清水池混凝土浇筑裂缝限值0.25 mm，不满足设计要求。

(3)当水池池壁浇筑长度为23.6 m时，池壁产生的平均裂缝宽度为0.225 mm，壁板沿X轴方向的裂缝宽度都小于0.25 mm，满足设计要求；水池池壁一次性浇筑长度为24.2 m时，池壁产生的平均裂缝宽度为0.237 mm，同时壁板沿X轴方向的裂缝宽度都小于0.25 mm，满足设计要求。就加快施工进度而言，当水池池壁一次性浇筑长度为24.2 m时，更有利于工程的建设。故确定该工程水池池壁混凝土一次性浇筑最佳长度为24.2 m。

4 结 论

(1)其他大型清水池工程如需对水池池壁混凝土一次性浇筑长度进行优化设计，以上计算分析过程可供其参考使用。

(2)文章中如果对水池池壁不同浇筑长度不同断面所产生的最大裂缝宽度值选择Ansys软件对其结构内力建模并进行成因分析，会更显的有说服力。

(3)如果每增加一个浇筑模块长度过大，在本文的基础上还可以用线性插值法对水池池壁混凝土一次性浇筑最佳长度范围内把计算结果可以再进行细化分析。

[1] 张达石.设伸缩缝圆形水池的池壁内力计算方法[J].中国市政工程，2012(6):58-61.

[2] 王艳舫，王琴，续青.浅谈水池伸缩缝的设置[J].山西建筑，2008，34(15):120-122.

[3] 董富强.预防水池池壁裂缝施工方法探研[J].低温建筑技术，2016(7):155-157.

[4] 董德胜，邓润辉.池类结构裂渗和温(湿)差作用的控制[J].特种结构，2001，18(1):10-13.

[5] 刘丰林.超大型水池施工缝的设置及施工处理[J].建筑技术，2007(7):496-498.

[6] 刘晓茹.浅谈土建工程中的混凝土施工技术[J].城市建筑，2013(2):81.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部．混凝土结构设计规范：GB 50010-2010[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010.

[8] 中华人民共和国建设部.给水排水工程构筑物结构设计规范：GB 50069-2002[S]．北京：中国建筑工业出版社，2004.

[9] 中国工程建设标准化协会.给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程：CECS 138-2002[S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.

Study on law of clear water pool overlength concrete wall crack width effected by pouring length

QIN Yihong，CHEN Jiawen，LIAO Yitian，LI Youran，LYU Linpeng

(CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

Too much one-time concrete pouring amount of pool wall increases concrete, affects structure safety and normal use, but too little one-time concrete pouring amount increase construction time. Aiming at this issue, causes of concrete cracks is analyzed, calculation and analysis of crack widths caused by different one-time pouring concrete lengths of large-scale pool under extreme weather conditions are carried out by a 3D finite element pool design software according to a project example. The optimal concrete pouring length of this example is 24.2 m, and the calculation method of this project can be used as reference for the concrete pouring of the other large clear water pool.

crack causes; crack width; optial pouring length

期金项目：国家自然科学基金(51179095)

秦乙洪(1992-)，男，土家族，湖北恩师人，硕士研究生，主要从事水利工程施工与管理方面的研究。E-mail:347955952@qq.com。

TU991.34

A

2096-0506(2017)03-0001-05