水工隧洞施工裂缝预防及加固措施

葛鸿飞

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

裂缝一直是水工隧洞混凝土结构存在质量问题的主要原因，裂缝一旦形成，不仅降低了结构的承载力和耐久性，还会造成内部受力钢筋的锈蚀，加速结构构件的损失，给结构造成了严重的安全隐患。尤其对于水工隧洞，更需要控制裂缝，保证结构的安全，防止内部钢筋锈蚀。水工隧洞由于长期受到水压力、水冲击、土压力以及温度应力综合的作用，容易使水工隧洞混凝土结构产生裂缝，因此，裂缝的预防控制以及加固措施是工程界研究的主要课题，减少甚至避免水工隧洞的裂缝，可以大大提高水工隧洞结构的使用寿命和安全性能，并且，有效控制结构裂缝，可以减少经济投入，节约成本，提高效率。

引起混凝土结构裂缝的原因有两种，由外力荷载引起的裂缝和由非外力荷载引起的裂缝，外力荷载主要通过增大钢筋混凝土结构所受的轴力、弯矩、剪力等内力，造成结构内部的破坏；非外力荷载主要是由于设计不妥当、施工质量不高以及施工材料没有达到标准等原因，都会形成结构的裂缝。因此，产生结构构件裂缝的原因很多，最重要的就是有效的裂缝控制。针对存在裂缝的水工结构，可以采取有效的加固措施对结构进行加固，也可以提高结构的安全性能，延长结构的使用寿命。

1 施工阶段裂缝控制措施

裂缝会对水工混凝土结构产生重大影响，避免裂缝产生就要从施工阶段采取裂缝控制措施，以减少和避免裂缝的发生。

1.1 材料的选取和管理

混凝土原材料的性能和配比是保证水工隧洞质量的前提，把控好原材料的选取和管理，是杜绝结构裂缝的第一步。控制混凝土的裂缝可以从混凝土原材料的质量、运输质量、配合比设计、外加剂和养护条件等入手。水泥尽量采用低热水泥，砂石骨料的选取也需要满足一定的强度，拌和水需要自来水。在混凝土搅拌后的运输过程中，也需要控制时间和搅拌车的转速；在进行搅拌过程中，严格按照配合比要求，搅拌完成后需要进行塌落度实验和强度实验，保证混凝土的强度等级满足设计要求。外加剂的使用需要严格按照国家的相关标准进行，不同的水泥有不同的外加剂，加入的量也有所不同。

1.2 施工质量的控制

施工质量的好坏直接关系到结构的安全，结构工程师设计安全的结构，还需要施工员合理的施工，否则不仅浪费巨大的物力、人力和财力，还会影响结构的安全性能。施工质量主要从施工工序、混凝土运输、浇筑和振捣，都要按照验收标准进行，特别是在振捣过程中，振捣不充分很容易引起混凝土的不均匀沉降，养护过程中，注意湿度的控制以及温度的变化，减少水化热反应，降低混凝土的变性速度，保证混凝土的强度等级满足设计要求。

1.3 温度控制

裂缝的形成大部分都由于温度引起的，因此，控制温度可以有效降低裂缝的发生概率。首先要降低混凝土的入仓温度，可以在混凝土搅拌过程中加入冰块等，减少水化热反应，保持仓面低温也可以降低混凝土的温度。另外，还可以降低混凝土的内外温度差，缩小混凝土的温度梯度。混凝土在搅拌过程中，由于水化热反应放出大量的热，导致混凝土表面温度不均匀，引起温度应力，形成裂缝。浇筑过程中，不同的季节采取不同的温度控制方法，只要避免温度不均，就可以减少温度应力的大小，降低形成裂缝的概率。

1.4 高新技术

微生物技术或者纳米技术改善混凝土的性能，减少裂缝的发生。有些细菌可以将砂砾和环境中的有机物进行反应，析出碳酸钙晶体，这种晶体可以提高骨料之间的凝结能力，减少裂缝的发生。纳米技术就是采用纳米材料提高混凝土材料的耐久性，还可以降低混凝土材料中的含水量，从而提高了骨料之间的密实度，增强了混凝土材料的抗渗能力。这些高新技术都是从源头出发，改善结构之间的粘结力，提高混凝土的使用性能和耐久性。

2 加固措施

2.1 粘钢加固混凝土

粘钢加固混凝土，就是用钢板贴在混凝土基材表面，使之共同承受外部荷载，实现加固混凝土的作用。这种加固及时、施工比较方便、加固成本低、加固效果比较好，而且增加的自重比较小，不会增加结构本身的荷载，被广泛运用。但是粘钢的粘结材料要求很高，钢板和混凝土能否共同受力，取决于粘结材料的性能。学者候发亮对粘钢混凝土的粘结性能做了抗拔试验，试验装置如图1所示，得出了锚固长度的计算公式。

图1 抗拔试验装置

锚固长度计算公式如下：

式中：L——锚固长度，m；

1 170/10.5——根据粘结面剪力分布推到出的系数；

K——安全系数，取值为1.1～1.3；

t——钢板的厚度，m；

σ0——钢板中的抗拔应力，Pa；

［σ］——钢板的极限拉应力，Pa。

在实际粘钢加固过程中，还需要根据具体的情况，包括原有结构的损伤情况进行锚固长度的设计。虽然粘钢具有很大的优势，但是也存在一些问题。比如钢材是易腐蚀的，由于直接和空气接触，就需要对钢板进行防腐处理，这就增加了加固成本；传统的凝结材料不能很好地使钢板和混凝土共同承受外荷载，且容易受到温度、湿度等自然环境的影响。

2.2 碳纤维加固混凝土

碳纤维加固混凝土就是把碳纤维布粘贴到混凝土表面，使之与混凝土构件共同受力，如图2所示。

图2 碳纤维加固混凝土示意图

碳纤维加固混凝土结构主要流程，先清除混凝土表面的缺陷，然后打底漆，找平后刷树脂胶，粘贴碳纤维布。因此，加固混凝土的好坏直接取决于中间的树脂性能，常因施工技术局限，不能完全将碳纤维布和混凝土完美地联结在一起，不能共同受力，使碳纤维布强大的抗拉性能得不到充分发挥。

2.3 CFRP补强混凝土

传统的底漆材料和找平材料施工难度很高，气温要在5℃以上，湿度要达到85%以上等等，这些施工条件在施工现场很难完成，大大降低了碳纤维布加固混凝土结构的性能，CFRP（碳纤维增强复合材料）的性能得不到利用。因此，有学者提出在找平层和树脂层涂刷一层柔性聚脲弹性涂层，可以大大改善碳纤维布与混凝土的粘结性能，如图3所示。

图3 CFRP补强混凝土示意图

这种新型的CFRP补强混凝土技术，提高了碳纤维布与混凝土的粘结性能，同时提高了混凝土结构的承载能力和抗震性能；另外，这种聚脲弹性涂层还可以防止有害离子的入侵，提高加固混凝土的耐久性。

3 结论

水工隧洞的裂缝形成的因素很多，只有从施工阶段抓起，严格控制施工质量，才会减少裂缝的发生。裂缝是水工隧洞混凝土结构的主要控制指标，由于水工隧洞本身工作环境的特殊性，裂缝会严重影响水工结构的安全性能，造成安全隐患，降低了结构的稳定性和耐久性。

无论是粘钢加固混凝土还是粘贴碳纤维布，之间的粘结材料才是保证二者共同工作的关键，未来的研究重点应该放在粘结材料上面，以及发现更好的固定方式，不管是机械固定还是化学剂固定，都是有发展空间的。