水闸闸墩常见裂缝成因及处理措施

2021-12-04周成洋

江苏水利 2021年11期

周成洋，林立，沈明

(江苏省淮沭新河管理处，江苏淮安 223001)

某水闸工程设计流量100 m3/s。闸室采用胸墙式钢筋混凝土结构，共3孔，单孔净宽8.0 m，顺水流方向长18.0 m，闸底板顶面高程4.5 m(废黄河高程，下同)。闸门采用平面定轮直升式钢闸门，配QP-2×250kN-11 m卷扬式启闭机。闸身上游侧交通桥总宽9.0 m，桥面高程14.5 m。

该工程设计防洪标准为100年一遇，等别为Ⅱ等，主要建筑物等级为1级，次要建筑物为3级，临时性建筑物级别为4级，交通桥汽车荷载设计等级为公路-Ⅱ级。工程场地区域地震动峰值加速度为0.15 g，地震基本烈度为7度。

2020年12月22日闸底板浇筑完成，闸墩、交通桥、胸墙及便桥一次性浇筑，于2021年1月18日19：30开始浇筑，1月20日凌晨1：00浇筑完成，浇筑期间夜间气温最低至-1℃，白天最高温度10℃，带模保湿保温养护，1月29日开始拆除两侧边墩临土侧侧模板，拆除侧模后检查发现有7道裂缝，停止拆模，定期观察，至2月20日无变化，3月1日边墩、中墩模板全部拆完，在边墩临水侧及中墩又发现7道裂缝。

1 裂缝部位结构概况

节制闸闸墩共2个边墩和2个中墩，混凝土标号为C25，长18.0 m，高10 m，底部高程为▽4.5 m，顶部标高▽14.5 m。闸墩厚度：中墩为1.2 m，边墩1.4 m。

施工配合比为水泥：330 kg/m3，黄砂：750 kg/m3，碎石：990 kg/m3，粉煤灰60 kg/m3，水：165 kg/m3，外加剂：8 kg/m3，混凝土坍落度15±3 cm。

施工过程中实测混凝土坍落度14.5 cm、16 cm、15.5 cm。

闸墩裂缝位置见图1、图2。

图1 右侧闸墩裂缝位置

图2 左侧闸墩裂缝位置

2 裂缝观测情况

裂缝发现后项目部立即安排人员进行观测，并对裂缝进行编号，形成详细的裂缝观测记录。见表1。

表1 裂缝观测记录统计

据观测，闸墩混凝土裂缝的最大宽度为0.21 mm，最小宽度为0.02 mm，最大缝长5.8 m(左侧边墩)，最小缝长1.5 m。观测期间所有裂缝均未有扩展。因1-1与2-1、1-2与2-2、3-1与4-1、7-1与8-1裂缝所在墩墙的位置对称。

3 裂缝成因初步分析

经研究分析，引起混凝土结构产生裂缝的主要原因如下：①结构次应力导致的裂缝；②外荷载导致的裂缝；③变形变化导致的裂缝。工程实践中最常见的裂缝就是变形变化引起的，主要成因是由温度、湿度、不均匀沉降等因素反复作用引起的结构变形[1]。

3.1 结构次应力导致的裂缝

(1)直接应力裂缝

设计时，应力与配筋计算错误、断面设计不足等引起裂缝；施工时，改变结构应力、现场施工安装不规范等引起裂缝。

(2)次应力裂缝

在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态与常规计算有出入，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

3.2 外荷载导致的裂缝

混凝土结构在受到外荷载(动荷载、静荷载及结构实际工作状态超出设计所产生的应力)作用下，应力超过材料强度引起结构和构件开裂。

荷载导致的裂缝有受剪裂缝、受弯裂缝、受扭裂缝、受压裂缝等，大多数是竖向裂缝和水平裂缝，只有少量的斜裂缝和不规则裂缝。

3.3 变形变化导致的裂缝

(1)施工中温度变化产生的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质，当其内外温差产生变形和温度应力，一旦温度应力超过混凝土能承受的极限抗拉强度时，就会产生温度裂缝。

混凝土浇筑后，前期混凝土对水泥水化热急剧温升导致变形约束较小，相应的温度应力也较小，不会产生温度裂缝。随着混凝土龄期的增加，水泥水化热大量释放，混凝土内部温度急剧升高，内外形成温差，当温度应力超过同龄期混凝土抗拉强度时，便出现温度裂缝[2]。

混凝土结构在施工过程中，外界气温的变化对混凝土开裂有着重要影响。外界气温越高，混凝土浇筑温度也越高；若外界温度下降，特别是气温骤降，会大大增加内外层混凝土的温度差，容易形成过度的温度应力，造成混凝土出现裂缝[3]。

(2)干缩裂缝

混凝土硬化过程中，表面层水分蒸发，导致体积收缩变形，产生的裂缝为干缩裂缝，一般呈龟裂状。

(3)塑性裂缝

塑性裂缝是指混凝土浇筑后尚处于一定的塑性状态，水泥水化反应激烈，混凝土内部水分急剧蒸发，导致失水收缩而产生的裂缝。由于收缩的作用，这些裂缝通常沿钢筋层分布。

(4)基础不平整或不均匀沉降

部分混凝土裂缝与基础不平整或不均匀沉降有关。受混凝土自重和荷载的作用基础易产生沉降，会产生裂缝。

3.4 本工程墩墙产生裂缝的原因

混凝土裂缝的成因很复杂，但从本工程的裂缝分布和走势分析，主要成因：一是因施工期处于冬天，室外温度低，闸墩较厚：中墩为1.2 m，边墩1.4 m，混凝土浇筑施工时，其内部水化热产生的温度和混凝土表面温差较大，内外温差产生应力和应变导致产生温度裂缝；二是因大体积混凝土带模保温、保湿养护时间短，尤其夜间温度降至-1℃，混凝土表面温度骤降，产生表面收缩应力；三是因闸底板较闸墩先浇近一个月，收缩变形基本稳定，闸墩浇筑后收缩变形受到底板混凝土约束，从而产生拉应力。综上所述，本工程闸墩裂缝形成原因应为温度、收缩应力与底板混凝土约束共同作用的结果。

4 裂缝处理措施

4.1 处理措施

本工程的裂缝处理主要采用涂刷法和灌浆法。对小于0.2 mm的浅层细微裂缝，采用涂刷水泥厚浆封闭处理；对大于0.2 mm以上的裂缝，则采用化学灌浆，即“壁可法”。

本文主要介绍“壁可法”施工方法，灌注材料采用环氧树脂灌缝胶(性能见表2)，具有渗透力强、流动性好、粘结牢固、固化性能灵活可控、适用性高等优点。通过埋设灌胶嘴，将环氧灌浆料灌入缝内，灌浆胶在一定的压力下扩散渗透到不密实部位，堵塞孔隙，对结构裂缝起到堵水、补强、加固等作用[4]。

表2 环氧树脂灌缝浆材力学性能

4.2 施工过程

灌浆流程：混凝土表面清理→钻孔→埋设灌胶嘴→缝面封闭→试漏检验→灌浆→封孔→灌胶效果检验→缝面处理。

(1)缝面清理。用钢丝刷沿裂缝走向宽约5 cm范围扫除灰尘、污物等，对裂缝两侧有较多细微龟裂的部位，应清理至8～10 cm宽。

对较宽裂缝，用锤子和钢钎凿除缝两侧表层混凝土，露出坚实的混凝土表面为宜。最后用压缩空气吹净缝面，并用略潮湿的抹布擦除表面的浮尘并彻底晾干[1]。

(2)钻孔。布孔方式：斜孔和垂直孔。用手持电钻，在斜孔中心距离裂缝5～10 cm处，孔与混凝土面成45°～60°夹角，沿裂缝方向钻进，孔径14 mm，孔深20 cm以上，孔距20～40 cm，孔身与裂缝相交[5]。

(3)埋设灌胶嘴。在裂缝部位埋设灌胶嘴，灌胶嘴的间距根据裂缝大小、走向及结构形式而定，一般缝宽0.2～0.4 mm时灌胶嘴间距为30～50 cm，在每条裂缝上要设置进胶口、排气孔或出胶口。灌胶嘴埋设时应特别注意防止堵塞。

(4)缝面封闭。钻孔及清孔结束后，对裂缝面采用堵漏剂封闭，在裂缝部位用油灰刀往复涂刮，均匀涂抹一层环氧树脂灌缝胶，将裂缝全部封闭。施工时要注意防止小气泡及密封不严。

(5)试漏检验。一般情况下，在缝面封闭后1～2 d可进行试漏检验。可采用高压气体或者压力水进行试漏试验，来检查裂缝的密封效果及贯通情况，发现遗漏及时修补[6]。

(6)灌浆。用灌浆泵将环氧树脂灌缝胶沿裂缝方向进行灌注，灌浆压力一般控制在0.3～0.5 MPa，灌浆顺序为自下而上，由一端到另一端依次连续进行。在保证灌胶顺畅的情况下，采用较低的灌胶压力和较长的灌胶时间，可获得更好的灌胶效果。可对钻孔进行反灌，待相邻灌胶嘴冒出灌浆液后关闭此嘴阀门，直到上部排气孔有浆液流出时结束，依次循环完成裂缝的灌浆[5]。

(7)拆除灌胶嘴。待裂缝内灌缝胶初凝后，即可拆除灌胶嘴，用水泥砂浆将灌浆孔封口抹平并清除表面。

(8)灌胶效果检验。灌胶结束后检验灌胶效果和质量，若有不密实等不合格情况，应进行补注。

灌胶效果一般可采用压水检查，在裂缝处设置检查孔，基本不吸水不渗漏即可认为合格。