水工建筑物变形缝施工技术问题与改进方法研究

高建文，蔡少奇

(广东顺水工程建设监理有限公司，广东 佛山 528300)

1 水工建筑物变形缝施工技术问题

变形缝是水工建筑物中伸缩缝和沉降缝的总称，它的作用是为了抵消水工建筑物在结构层面上的因温度变化、老化等外界因素带来的伸缩和沉降，以免建筑物的结构遭到破坏。

其中伸缩缝是为了防止水工建筑物因温度变化导致产生隆起、折叠等结构变化而设置的构造缝。水工建筑物建设的地点通常远离较坚硬的地面，水渠泵站等建筑物的地基易发生不规律的沉降而导致建筑物结构变形，沉降缝的设置是为了水工建筑物在垂直面上的位移提供一定的裕度，防止建筑物因地基沉降而产生形变。防震缝是应用于地震作用时相邻建筑物发生碰撞导致结构受损的预制垂直缝隙。水工建筑物因种类、专业、建设地点等不同条件，设置变形缝时引用的相关建筑标准也有所区别。

从实际工程应用的角度出发，设置变形缝一方面可以解决水工建筑物不规则变形，优化建筑物的受力状态，另一方面则增加了建筑物结构防水的难度。因此从防水的施工角度来看，变形缝应当少设置或不设置[1]。

目前在国内水工建筑物的变形缝设置和协调无明确的做法和规定，不利于水工建筑物的工程开展。实际工程建设中也存在着各种问题与不规范现象，常见问题已列于表1。各种不同程度的不规范现象会导致水工建筑物在日常使用中损坏甚至造成建筑物形变程度过大影响其使用寿命。

表1 水工建筑物施工技术问题与危害

续表1 水工建筑物施工技术问题与危害

2 水工建筑物变形缝改进方法研究

2.1 根据结构荷载优化变形缝设置间距

通过对水工建筑物变形缝影响因素的分析，可以确定水工建筑物变形缝设置改进方法为：①计算出待改进建筑物未设置变形缝时，各部分的纵向应力和各方向的位移。对于位移过大的区段不宜加大变形缝间距。②对需要进行改进的地方进行纵向应力分析和位移观测，确认改进的效果[2]。

对待改进的水工建筑物进行地质影响因素数值模拟分析，涉及到变形缝两侧的应力和沉降变化，计算采用三维—荷载结构模型。计算参数包括衬砌参数、变形缝参数、围岩参数等，由于荷载结构模型法的首要问题是确定荷载，荷载一般可以分为：

1)主要荷载：指长期作用的荷载，包括自重、地层压力、弹性抗力、地下水静水压力等。

2)额外荷载：指非经常作用的荷载，包括灌浆压力、局部落石荷载或施工荷载。

3)特殊荷载：地震荷载、爆炸荷载等。

2.2 使用加强后浇带和外墙诱导缝

实际工程设计时，通过深化设计和精确计算，可以考虑使用加强后浇带和外墙诱导缝技术。使用加强后浇带可以取代结构变形缝，使用该技术时应注意调整加强后浇带的宽度与总体建筑物长宽的关系。设置加强后浇带时，从建筑物底板至地上顶板所涉及的建筑物主梁、结构板和墙体都要安装设置，且之间的钢筋不应直接通过加强带，应当在加强后浇带所在的区域内进行搭接。设置加强后浇带的时间点也同等重要，应在主体结构外保温层已经完成，在建筑物的整体温度较低的时候动工设置，此时混凝土的结构伸缩较小[3]。

设置外墙诱导缝的目的是人为的在混凝土结构中设置薄弱区域，当混凝土因为某种原因产生变形开裂时，形变点会在薄弱区域产生。通过减弱钢筋对混凝土的约束，避免变形点在其他重要区域产生，起到释放开裂变形和避免渗漏问题的作用。由于外墙诱导缝为混凝土薄弱区，因此需要人为设置止水带，使其防水能力增强，使诱导缝到达虽裂却不渗的实际工程目标。

2.3 新型密封止水材料充当防水层

变形缝密封材料是指在工程施工过程中适用于水工建筑物变形缝防水和各类预埋构件防渗漏的填充材料。新型密封止水材料有良好的填充性和黏连性，确保产品填入裂缝和空隙中，因而适用于各类建筑物连接面，且能与各类缝隙界面能很好形成一体，实现缝隙良好密封的一类材料[4]。新型密封止水材料主要有聚合物沥青类、树脂类、聚合物改性尿烷类等，表2列出了几种新型材料的种类和性质。

表2 新型密封止水材料种类性质表

3 案例分析

3.1 工程概况

黑河某枢纽工程水闸站高15m，总长为392.6m，下部为水工泄洪闸段。现场的情况如图1所示，该工程地区处于内陆温带气候带，昼夜温差较大。水闸站两岸地形略微成不对成状，左岸相对平缓，右岸较为陡峭呈字母“W”型。建站已有20a历史，现下部孔洞处变形缝出现不同程度的开裂变形情况，如图2所示。

3.2 结果分析

对总长约400m的水闸站建立三维—荷载结构模型，建模结果如图3所示，然后对总长进行区间分割，将其分成6个区间，每个区间选择1个测点，分别计算每个区间最大纵向应力和各方向上的位移测点。计算结果见表3和图3。

图1 黑河某枢纽水闸站变形缝开裂图

图2 水闸站荷三维—荷载结构模型

表3 各区段最大纵向应力表

图3 优化前各测点各方向位移图

由模拟计算的4个区间可知，纵向应力最小区间为区间6，纵向最大应力为-3569.4kPa，适合进行变形缝设置优化而其余区间的纵向应力较大，需要保留原始设计中的变形缝设置间距。区间6原先设计的变形缝为10.5m一道，优化后将其设置为19m一道，区间6总共设置4道变形缝。对优化后的水闸进行结构分析和数值模拟，得到优化后的变形缝两侧纵向最大应力值见表4，和各测点各方向位移图见图4。

表4 变形缝两侧纵向最大应力值

图4 优化后各测点各方向位移图

根据图3和图4可知，通过对区间6的变形缝数量的重新设置，减小了区间内测点在张合方向、沉降方向上的位移值。表3内所呈现的变形缝两侧的结构最大应力也未超过C40混凝土的抗拉和抗压强度的标准值，该案例充分说明在该工程中在满足结构最大应力的情况下对变形缝设置数量进行优化的充分可行性。

4 结 语

水工建筑物变形缝施工方面的技术问题广泛存在，水工建筑物投产以后的修复工作十分复杂，存在维护费用高，可操作空间狭小且修复效果欠佳等困难。因此有必要在建筑物投运前的施工规划阶段设置变形缝时采用文章所述的改进方法，通过对水工建筑物建立三维——荷载模型分析其纵向最大应力和各方向的位移来优化变形缝的数量，同时采用加强后浇带和外墙诱导缝手段和使用新型密封止水材料充当止水层，能有效改善水工建筑物沉降、开裂和渗漏问题。