克孜河渡槽槽身裂缝成因分析及处置措施

蒋海英

(新疆喀什噶尔河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 工程概况

克孜河渡槽工程建筑物全长747m，为3级建筑物，主要由进口渐变段、进出口连接段、槽身段、槽身下部排架柱结构、渡槽灌注桩基础、出口渐变段及消力池等建筑物组成。其中渡槽槽身段总长660m，分为22跨，跨度为30m的后张法预应力钢筋混凝土结构，混凝土设计强度等级为C50；渡槽结构为双厢互联式矩形渡槽，采用全封闭结构，单孔净宽5.5m，净高3.5m，纵坡1/550，设计流量87m3/s，设计流量水深2.47m，加大流量100m3/s，加大流量水深2.63m。结构断面如图1所示。

克孜河渡槽工程地处位于喀什地区疏附县木什乡境内，主要气候特征为：气温日变化大，日照时间长；降水稀少，蒸发强烈，气候干燥；冬季低温期长，夏季炎热，酷热期短，春季升温快，常有倒春寒，秋季短促，降温迅速，属于温带大陆性气候类型。年平均气温11.7℃左右，历年极端最高气温达42.3℃；历年极端最低气温-25.3℃。多年平均年降水量为61.5mm，多年平均年蒸发量约为2487.1mm。多年平均风速1.9m/s，风向多为NW、NNW。

预应力混凝土渡槽槽身分两次浇筑，施工浇筑顺序为先浇筑渡槽底板和八字墙，八字墙以上腹板和顶板二次浇筑，在2017年6月上旬浇筑完成4#渡槽底板和八字墙后，在浇筑了槽身腹板及顶板混凝土，拆模后第二天发现腹板部位出现竖向裂缝，裂缝总条数为43条；经调整混凝土配合比后，浇筑了3#槽身腹板及顶板，拆模后腹板部位仍出现裂缝共计36条。后期其他跨渡槽经优化混凝土配合比、控制入仓温度等措施，仍在拆模后不断出现竖向裂缝，典型跨段的裂缝分布如图2所示。渡槽混凝土裂缝问题未得到根本解决，严重影响工程进度和质量。

2 渡槽结构温控设计要求

渡槽作为一种常用输水建筑物，对混凝土抗渗、防裂相对一般混凝土结构来说要求相对更高，而且渡槽槽身中墙、边墙底座及顶部截面尺寸达到1.2m，在浇筑初期容易出现较大的内表温差，在养护期容易受环境温度影响而出现剧烈温度变化，从而引发温度裂缝；再加上渡槽混凝土结构处于戈壁干旱区，环境阻挡小，风力较大，更容易造成渡槽早龄期降温过快；三是高强混凝土水胶比偏低，高强混凝土自收缩偏大，三种条件叠加对混凝土防裂带来了极大难度。因此有必要对渡槽温度应力进行分析，进而采取有针对性的温控措施。

在设计阶段针对渡槽施工期的温度应力分布规律、防裂保护应对措施，设计单位委托开展了专项研究，采用Midas Civil有限元软件，建立克孜河渡槽温度应力分析的有限元模型，展开施工期温度应力仿真分析，研究渡槽混凝土随着龄期的增长温度及温度应力的分布特点及规律，并根据分析结果提

图1 渡槽截面示意图(单位：mm)

图2 典型跨段的裂缝分布图

(1)施工期温控标准

参照SL 677—2014《水工混凝土施工规范》，结合克孜河渡槽工程结构尺寸相对偏小，根据施工期温控计算成果，提出渡槽结构不出现有害温度裂缝的温控标准为：内表温差控制在25℃、最高内部温度控制在70℃，施工期混凝土降温速率不超过2.5℃/d。

(2)施工期温控措施

合理选择混凝土原材料，选择级配良好的砂、石料、外加剂，以降低水泥用量，控制砼水化热温升，是大体积混凝土温控的重要环节；优化混凝土配合比，降低水化热温升，配合比应在规范允许范围内尽量掺加粉煤灰等矿物掺合料，以减少水泥用量，降低混凝土的水化热温升。

(3)施工期温度监测建议

根据设计阶段仿真分析结果，施工期的中腹板、边腹板底座及顶部受大体积混凝土水化热、环境温度等影响，会出现拉应力超限；经外表面遮盖保温、两端挡风保温等措施，能够解决拉应力超限问题。但实际生产过程中，由于环境温度变化、混凝土入仓温度、保温措施与理论分析的情况不完全相同，选择若干跨渡槽，通过温度监测可以有助于混凝土防裂，并为其他跨渡槽提供参考。

3 槽身混凝土施工过程

按照渡槽槽身专项施工方案及设计混凝土配合比(见表1)，实施完成4#槽身混凝土浇筑，拆模后发现槽身腹板部位存在竖向裂缝，总计43条，裂缝宽度约为0.1～0.39mm，裂缝深度为25～443mm，经检测发现中腹板裂缝具有左右对称的特点，并经超声波检测为贯穿裂缝；当3#槽身浇筑养护拆模后，槽身腹板部位仍出现竖向裂缝，总计出相应的措施，以达到在渡槽施工期间有效防裂的目的。

表1 混凝土施工配合比

36条，裂缝宽度约为0.08～0.37mm，裂缝深度为50～491mm，中腹板裂缝仍为贯穿裂缝。为减少裂缝，经专家论证提出进一步细化温控和养护措施，同时对混凝土配合比进行优化，膨胀剂由6%调至8%，粉煤灰由20%调至30%，经调整后的混凝土配合比见表1，其中膨胀剂为UEA，减水剂为萘系；当2#槽身浇筑养护拆模后，槽身腹板部位再次出现36条竖向裂缝，裂缝宽度约为0.04～0.32mm，裂缝深度为52～402mm。经专家咨询论证，提出增加中腹板钢筋，再次优化混凝土配合比，并将减水剂更换为聚羧酸高效减水剂。

由于缺乏在干旱沙漠环境下施工的经验，施工单位在混凝土配合比不断调整，并采取其他温控措施，以期减少施工期渡槽混凝土裂缝，当实施第十五跨渡槽施工时，在槽身内模粘贴保温板等温控措施，槽身模板拆除后，槽身顶板和底板两端封堵蓄水养护，并对河砂进行清洗，含泥量由2.5%降至1.5%，粉煤灰细度模数降低至15%，水泥细度模数提高至400，养护水与混凝土表面温度控制在15℃以下，但裂缝问题仍未解决，且裂缝数量达到了64条，接近裂缝最大值。继续施工第十六跨，各项措施与十五跨一致，裂缝数为48条。

经统计分析，已完工的21跨槽身全部出现裂缝，主要分布于槽身腹板内缘，且基本呈规律分布，总计裂缝881条，其中最少为12条、最多达71条，平均每跨约40条；其中553条裂缝宽度小于0.2mm，328条裂缝宽度大于0.2mm，最大裂缝宽度为0.4mm。经抽查检测表明，上述中腹板均为贯穿性裂缝。

4 裂缝成因分析

该工程槽身混凝土开裂原因复杂，主要影响因素包括施工区环境恶劣、混凝土原材料品质、温差荷载和应力效应、昼夜温差效应、施工间隔等诸多原因。根据目前裂缝分布特性、规律及相关材料分析，由于工程区施工气候环境条件恶劣，加之混凝土性能、温控措施、施工工艺等综合因素影响，致使渡槽槽身产生竖向裂缝。

(1)施工区环境条件。从工程所在地的施工条件角度，工程区施工环境气候干燥，喀什噶尔河流域50年平均相对湿度为48.06%，使得混凝土水分散失快，保温、保水养护非常困难，研究表明低湿度的环境条件造成与混凝土内部较大的湿度梯度差，使得水分扩散现象显著，从而造成低湿度条件下高强混凝土早龄期干燥收缩变形增加，且环境湿度越小，早龄期收缩变形越大；其次工程区风力较大，50年流域平均风速为1.9m/s，试验研究表明，风吹条件下暴露于空气中的高强混凝土都出现了早期裂缝，掺粉煤灰混凝土开始出现裂缝的时间随粉煤灰掺量的增加而延迟，而最终的开裂程度并不一定随粉煤灰掺量的增加而减轻；日夜温差大，图3分别为工程区6月份和11月份历史均值高温和历史均值低温，6月份日平均温差达到13.6℃，11月份日平均温差达到12.4℃，且同时温度起伏变化飘忽不定，日夜高温差给混凝土保温养护带来了极大困难。

图3 工程区典型月份温度过程表

(2)原材料品质和混凝土配合比。由于工程区施工条件限制，砂石料采用克孜河中的天然骨料，存在级配差、含泥量控制难度大等问题，经检测砂的含泥量在2.5%～14.5%不等，造成了混凝土和易性差，施工稳定性差、且易塌落度损失快，而且对混凝土的耐久性有很大的影响；同时由于渡槽混凝土设计强度等级为C50，粗骨料采用5～20mm粒径的天然骨料，骨料级配差，骨料和砂浆之间的粘结性能偏弱，早龄期抗拉强度提高慢；第三，高强混凝土早期收缩较大，当早期收缩受到抑制，高强混凝土易于早期开裂，尤其本工程采用的水胶比为0.3高强混凝土，由于内部水分不足，持续的自干燥作用导致较大的自收缩，且占收缩总值的比例越大，前三天的自收缩达到总收缩50%左右。吴胜兴等研究表明，随着水灰比的减小，混凝土早期自收缩、干燥条件下的总收缩及自收缩在总收缩中所占比例均显著增大；1d龄期内，混凝土的自收缩发展非常迅速，且低水灰比的混凝土中总收缩主要是由自收缩引起的。因此，为防止早龄期开裂，低水胶比早期混凝土养护要求高，进一步增加了产生裂缝的风险。

(3)温控措施及养护不当。温差荷载是导致混凝土开裂的重要原因，合理控制水化热温差、环境温差和养护温差尤为重要。根据JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中6.13.2规定，大体积混凝土施工应提前制定专项施工技术方案，并应对混凝土采取严格温度控制措施。大体积混凝土的浇筑、养护和温度控制“应使其内部最高温度不大于75℃、内表温差不大于25℃”“热期施工时，宜采取措施降低混凝土的入模温度，且其入模温度不高于28℃”“降温速率宜不大于2℃/d，……，养护水温度和混凝土表面温度的差值应不大于15℃”。

根据内部温度监测数据表明，混凝土内部温度在16～18h达到最高温度57℃，随后温度开始下降，到浇筑后第三天拆模时混凝土内部温度一般为48℃，拆模后第二天温度一般在37℃。因此根据施工记录，可反推混凝土内部温降速率，混凝土内部温度从最高温度57℃到拆模，平均日降温速率超过了5℃；而拆模后一天的降温速率更是达到了11℃，温降速率远远超过了设计单位提出的施工期混凝土降温速率不超过2.5℃/d的要求。过快的降温速率导致了混凝土快速冷却收缩，从而造成混凝土在拆模时就发现开裂，在拆模后几天混凝土裂缝数量仍然不断增加，裂缝长度和宽度均在扩展。同时由于施工现场条件限制，在拆模后采用渠道中残留的水进行浇水养护，常温冷水对内部仍处于高温的混凝土造成温度冲击，进一步加剧了混凝土裂缝的扩展。

(4)施工间隔过长。由于渡槽在施工组织设计上未考虑采用整体浇筑施工工艺，腹板和顶板钢筋的绑扎和立模时间需要在底板混凝土达到一定强度后进行，造成底板和腹板施工间隔时间偏长，根据施工记录统计，两个时间间隔普遍在15d以上，此时底板强度提高达到或接近设计强度，从而会对腹板结构形成较强约束，从而引发混凝土开裂。

5 结论与建议

(1)对于干旱区大跨度预应力渡槽，由于施工区环境恶劣、混凝土原材料品质、温差荷载和应力效应、昼夜温差效应等不利于渡槽防裂的施工因素，采取优化混凝土配合比、强化温度监控、加强保湿保温养护等有针对性的温控措施。

(2)原材料品质控制不严、高强混凝土配合比自收缩大、温控措施及养护不当、施工间隔过长是造成克孜河渡槽工程混凝土开裂严重的主要因素，今后类似工程应吸取教训，加强施工组织设计，尤其是制定混凝土防裂专项施工方案。

(3)根据现场勘查及现有检测资料，裂缝多位于槽身腹板受压区，初步分析裂缝对渡槽结构抗拉、抗压安全影响有限，但考虑裂缝深度和长度具有一定规模，部分裂缝呈贯穿趋势，裂缝削弱了箱梁混凝土抗剪截面，对渡槽结构抗剪安全有一定影响。因此，建议对裂缝进行全面检测，探测每跨槽身逐条裂缝的宽度、长度、深度及分布情况，开展裂缝对渡槽槽身结构安全分析评价。

(4)在裂缝对渡槽槽身结构安全分析评价基础上，对混凝土裂缝进行处理，以确保渡槽结构整体性，防止钢绞线发生腐蚀，从而影响渡槽结构安全性。