矩形钢筋混凝土水池施工期裂缝产生原因分析

刘小平 甘志军 闫 超 王达剑

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

1 概述

随着我国全面建成小康社会的实现，农村饮水安全问题也越来越受到各级政府的重视，农村供水方式正在由传统的分散式向集中式进行转变，一大批的中小型净水厂开始建设。钢筋混凝土因其具有较高的强度，良好的抗渗性能和较好的耐久性而被广泛应用在净水厂构筑物之中。但是混凝土作为一种多相复合材料，裂缝问题向来都是混凝土结构无法回避的重难点，原材料、设计、施工、养护等众多环节都有可能引起混凝土裂缝，影响水厂的正常运行，最终导致供水安全问题。

2 水池裂缝产生原因

混凝土本身属于脆性材料，抗压强度大、抗拉强度小，抗拉强度约为抗压强度的1/20～1/10[1]，且混凝土属于一种多相不均匀材料，当结构拉应力大于混凝土材料抗拉强度时即可出现裂缝。结合混凝土自身特性以及大量的工程实践证明，钢筋混凝土水池在工程实践过程中产生裂缝的原因主要包括结构性裂缝和非结构性裂缝两大类，其中根据相关资料统计，混凝土结构裂缝中非结构性裂缝占据80%[2]。

1)结构性裂缝。

结构性裂缝主要水池结构在受到外荷载，包括动、静荷载作用，使得混凝土所受拉应力超过混凝土自身抗拉强度而引起裂缝。主要有两种表现形式：分别为混凝土未达到设计强度而承受设计荷载作用引起裂缝和混凝土结构已达到设计强度而承受冲击、地震等超设计荷载引起的裂缝。其中前一种裂缝成因在工程实际过程中表现在混凝土尚未达到设计强度而承受设计荷载；另一种裂缝成因则主要表现为混凝土承受荷载超过设计值，而使混凝土受力超过其承载能力而产生破坏。

2)非结构性裂缝。

非结构性裂缝主要是由于变形受到约束产生应力引起的裂缝，主要包括温度变化、湿度变化、混凝土膨胀和收缩、基础的不均匀沉降等因素。环境变化导致混凝土结构出现变形，当变形受到其环境约束时，使混凝土出现应力而产生裂缝。

结构性裂缝与非结构性裂缝的主要区别在于：结构性裂缝往往都是瞬时完成的，当混凝土所受荷载超过其材料承载能力时，裂缝瞬时产生，并随之扩大。而非结构性裂缝往往不是瞬间产生，而是应力的累计和传递。在工程实际过程中，结构性裂缝可以通过在设计中进行控制，而非结构性裂缝引起原因复杂，通常为多种原因组合，较难控制，因此在工程建设过程中非结构性裂缝应该更加关注。

钢筋混凝土水池作为一种薄壁壳体结构，池壁和水池底板厚度大部分为200 mm～600 mm，虽小于GB 50496—2018大体积混凝土施工标准中对大体积混凝土定义“混凝土结构物实体最小尺寸不小于1 m的大体量混凝土”[3]，但池壁在受到周遭约束情况条件下，施工期产生的水泥水化热仍然较大，根据王晖等[4]有限元模拟，在施工过程中混凝土水化热会增加7.1 ℃，对于薄壁结构的混凝土产生裂缝。本文以西南地区某农村饮水安全巩固提升工程，净水厂清水池施工期产生裂缝作为案例进行分析。

3 工程案例

3.1 工程概况

本工程位于西南地区某地级市农村饮水安全巩固提升工程，为滇东高原向黔西高原过渡地带，区域气候为北亚热带与暖温带，半湿润与半干旱气候的过渡地带，工程项目等级为Ⅲ等，项目规模为中型，供水规模近期5万m3/d，远期8万m3/d。工程区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱周期为0.45 s，地震基本烈度为7度，属于区域地震构造较差的地带。

净水厂位于工程区内某一座山丘顶部，清水池位于厂区北侧，设计容积为6 000 m3，分为两座，每座3 000 m3，采用地埋式钢筋混凝土无梁楼盖结构形式，池顶结构层位于地面以上0.7 m，池底结构层位于地面以下4.0 m，池顶覆土0.8 m。根据地勘资料显示，清水池基础底板土层分别位于粉质黏土和弱风化粉砂质泥岩上，岩土分界线位于清水池长度方向约3/8的位置。清水池平面图如图1所示。

清水池平面尺寸为40.6 m×40.6 m，水池高度为5.15 m，水池外壁厚0.3 m，底板厚度为0.45 m，顶板厚0.30 m，中隔墙厚度0.20 m，池体中间分布间距为4.0 m立柱，立柱截面尺寸0.30 m×0.30 m，底板柱帽尺寸1.50 m×1.50 m，底板柱帽尺寸1.60 m×1.60 m。混凝土采用C30,P6防渗等级。

根据GB 50069—2002给水排水工程构筑物设计规范,大型矩形构筑物长度宽度较大时应设置适应温度变化的伸缩缝，现浇钢筋混凝土结构间距不超过30 m[5]，结合本工程区域为抗震较差地带，伸缩缝于抗震不利，为抗震构造薄弱环节，因此本工程考虑水池超长结构后浇带。由于基础存在土岩交接面，存在承载力差别较大的地层，为了防止基础存在不均匀沉降，从而产生裂缝，本工程在水池底板土岩分界面处布置加强钢筋，加强钢筋型号为16@150，沿分界缝两侧长度各为1.5 m。池壁结构、岩土分界加强、后浇带结构钢筋图见图2。

3.2 裂缝分布

本工程清水池施工分为两次浇筑，以后浇带为间隔分四区。水池底板及底板上部0.5 m为一次浇筑，池壁、中间隔板和顶板为第二次浇筑，中间采用止水钢板止水，两次浇筑时间间隔为31 d。壁板顶板浇筑拆模后，发现侧壁及顶板出现细小裂缝(水池尚未进行满水试验)，仔细排查后确认可见裂缝26条，并在清水池四周角点及中心位置设置沉降观测点，裂缝位置及观测点详见平面图1，裂缝分布断面图见图3，池壁裂缝现场图见图4。

根据现场观测统计分类，清水池内壁发现裂缝26条，裂缝分布在清水池池壁(14条)、顶板(2条)以及中隔墙(10条)。其中16条裂缝呈竖直方向，从水池底部施工缝位置延伸至水池顶板掖角位置，发现约4处为斜裂缝(均分布在中隔墙上，分别为⑥，⑦，，)。

根据施工单位通过测缝仪进行持续观测，裂缝大部分宽度为0.01 mm～0.2 mm内，其中大于0.2 mm共7条(③，④，⑤，⑧，，，)；其中最大缝宽为0.26 mm，共3条(④，⑧，)；缝深为20 mm～150 mm，其中中隔墙裂缝为贯穿裂缝，池壁②,⑨,三处为贯穿裂缝，其余各处裂缝均发现在水池内壁，外壁未发现裂缝。裂缝分布见表1。

表1 裂缝分布表

3.3 沉降观测

通过对清水池顶部四个角点设置沉降观测点，连续观察沉降值如图5所示。根据图5，各个角点沉降值基本保持平衡，并未随时间增长而增加。1号，2号，3号沉降点观测数值较为接近，平均沉降值为0.151 m，4号点沉降值较大，平均沉降值为0.184 m，考虑到施工时顶板不够平整，差值属于误差范围以内。根据CESC 86:2015钢筋混凝土软弱地基处理设计规范,水池地基最大沉降量不宜大于200 mm[6]。本项目清水池沉降均满足规范条件。

3.4 施工期过程及养护

清水池底板浇筑与高出底板0.5 m侧墙为一期浇筑并设置止水钢板，以后浇带为界限，分为四区域进行浇筑，浇筑当天气温为16 ℃～24 ℃，浇筑完成后混凝土表面铺设麻袋，并浇水进行养护，连续养护14 d。侧墙和顶板一次性浇筑，浇筑当晚及第2天下雨，对顶板用防水布覆盖直至雨停，后改用薄膜覆盖并浇水养护，直至14 d。侧墙顶板浇筑完成67 d后，完成后浇带施工，后浇带C35微膨胀混凝土。

3.5 裂缝原因分析

净水厂水池大部分水处理构筑物为蓄水池，基本都属于薄壁壳体结构，根据混凝土裂缝产生原因分类分析，本工程清水池尚未蓄水，基坑未回填，水池不受外力。在清水池底板浇筑前，施工现场对基础进行验收，现场对于土质基础部分采用轻型动力触探进行基础验收，根据现场试验基础底部承载力为120 kPa。根据计算，清水池正常使用工况时，基础受外荷载105.19 kPa；检修工况时，基础承受荷载为57.71 kPa。根据现场试验及计算结果分析,基础承载力满足设计要求，因此可判定水池裂缝为非结构裂缝。本工程清水池裂缝型式大部分为竖向裂缝，局部位置为斜裂缝，一般根据工程经验，收缩裂缝多为竖向裂缝[7]。根据沉降观测结论，1号，2号，3号沉降点沉降相对值较小，水池不存在不均匀沉降，排除因不均匀沉降引起裂缝。结合清水池薄壁结构的特点，池壁在温度、湿度变化时产生变形，受角隅和底板的约束而产生拉应力，当应力超过混凝土抗拉强度时，裂缝产生。

1)底板对于池壁的约束。清水池壁板、顶板和底板分两次浇筑，在底板之上0.5 m处设置水平施工缝。池壁浇筑时底板混凝土温度及湿度均已恢复至常温，在浇筑壁板时，由于水泥水化热使得壁板混凝土温度比底板高，新浇筑混凝土体积膨胀，由于受到底板约束，壁板受压。随着温度的降低，混凝土体积收缩，但由于受到底板的约束，壁板混凝土受到拉应力。

2)角隅对池壁的约束。清水池顶板与池壁整体浇筑，角隅处有加强。角隅处刚度大于壁板，在混凝土浇筑过程中，角隅处由于刚度较大混凝土体积膨胀比例较池壁小，池壁混凝土受压，角隅处受拉。随着温度降低，混凝土体积收缩，但由于受到角隅处约束，壁板混凝土水平受拉，裂缝为竖直方向，当拉应力超过混凝土抗拉强度时出现裂缝。

4 结论

混凝土水池在施工过程中产生温度裂缝的主要原因是受到水池底板和角隅的约束，产生的约束力超过混凝土的抗拉强度造成的。为了防止裂缝的产生，减弱温差，减小约束应力。主要措施包括以下3点：

1)降低温差。降低施工过程中的壁板温差与底板、角隅处的温差。主要包括降低池壁的施工温度，降低底板的初始温度。尽量避免在气温较高的时候进行混凝土施工，同时对混凝土原材料的降温，使用低热水泥等，减小水泥水化热，降低温差。

2)使用微膨胀混凝土，在混凝土中添加部分添加剂，减小混凝土在冷却后的收缩量，从而减少底板及角隅对壁板的约束。

3)适当增加构造方向配筋率，尽量采用钢筋直径小且间距较小的构造配筋，减小因混凝土收缩而产生裂缝。