導(dǎo)語(yǔ)：水閘閘墩裂縫成因論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

水閘是平原地區(qū)常見(jiàn)的主要水工建筑物,閘墩部位易出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題,長(zhǎng)期以來(lái)困擾著工程界,一直未能得到很好的解決.閘墩裂縫的出現(xiàn)給水閘工程帶來(lái)了多方面不同程度的危害,也越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界的重視.在文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,本文針對(duì)這一現(xiàn)象的成因及其防治措施進(jìn)行了概括性的分析和述評(píng).

1工程現(xiàn)狀

水閘主要由底板和閘墩組成,是呈倒T字形“墻[CD*2]板”式水工混凝土結(jié)構(gòu).閘墩底部受閘底板約束,上部可以自由伸縮.閘墩裂縫近豎直向,兩端小,中間大,呈棗核形.裂縫向上開(kāi)展,位于墩墻中部區(qū)域,一般略超過(guò)墩高的一半,是“上不著頂”;下部距底板10～30cm,是“下不著底”,常常為貫穿性裂縫，見(jiàn)圖1.

在已建和新建的眾多水閘工程中,很多在閘墩上出現(xiàn)了裂縫,比如在北京永定河閘、北京小清河閘、湖北荊江分洪北閘、江蘇三河閘等工程中,閘墩上都出現(xiàn)了不同程度的裂縫.新建的石梁河新泄洪閘,位于江蘇省連云港市贛榆、東海兩縣交界處的新沭河中游,是石梁河水庫(kù)樞紐工程的建筑物之一.施工時(shí)混凝土泵送澆筑,底板混凝土澆筑3個(gè)多月后澆筑閘墩.閘墩分22層澆筑,層厚40～60cm,層間間歇約4h.新閘建成后,在中間全部9個(gè)閘墩和1個(gè)邊墩都出現(xiàn)了貫穿性裂縫［1］.

水閘閘墩裂縫的廣泛存在并不表明這樣的問(wèn)題是可以忽略的或任其發(fā)展的，正好說(shuō)明了其突出性.裂縫的預(yù)防和控制是一個(gè)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域、不易解決、需深入研究的綜合性問(wèn)題.

閘墩裂縫的出現(xiàn)和存在,勢(shì)必會(huì)對(duì)其整體性、安全性帶來(lái)不利的影響.并且由于混凝土開(kāi)裂后會(huì)發(fā)生碳化等化學(xué)反應(yīng),影響其耐久性.作為水工建筑物,其抗?jié)B性也會(huì)受到不利的影響,由此會(huì)產(chǎn)生溶蝕破壞作用.對(duì)于邊墩,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)透過(guò)裂縫而發(fā)生滲透變形的嚴(yán)重現(xiàn)象.裂縫出現(xiàn)后進(jìn)行修補(bǔ)，又增加了工程的維修費(fèi)用.另外,出現(xiàn)裂縫還影響了建筑物的美觀,給人們帶來(lái)視覺(jué)上的不良效果和心理上的不安全感.

2研究現(xiàn)狀

目前在對(duì)待混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題上,一般是允許出現(xiàn)裂縫,而對(duì)其寬度進(jìn)行一定的限制，不同國(guó)家和地區(qū)對(duì)不同使用環(huán)境和要求下的混凝土建筑物的裂縫寬度有不同的控制標(biāo)準(zhǔn).我國(guó)GBJ1089《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定允許裂縫寬為0.2～0.3mm,美國(guó)AGI規(guī)定為0.108mm,法國(guó)規(guī)定為0.27mm,加拿大規(guī)定為0.064mm［2］.

另外,王鐵夢(mèng)教授在對(duì)待裂縫問(wèn)題上提出“抗”與“放”的兩種方法［3，4］.變形變化引起的約束應(yīng)力首先要求結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境能給結(jié)構(gòu)以變形的機(jī)會(huì),即變形得到滿足,則不會(huì)產(chǎn)生約束應(yīng)力.在全自由狀態(tài)下,如以空間應(yīng)力[CD*2]應(yīng)變關(guān)系為例,有：

此狀態(tài)下結(jié)構(gòu)可以有任意長(zhǎng)度、任意溫差不產(chǎn)生約束應(yīng)力.因此給結(jié)構(gòu)創(chuàng)造自由變形的條件就是控制裂縫的“放”原則.在實(shí)際工程中,全自由的理想狀態(tài)不易做到,但是,可以采用“抗放兼施,以放為主”的設(shè)計(jì)原則,減少約束,釋放大部分變形,使出現(xiàn)較低的約束應(yīng)力;當(dāng)結(jié)構(gòu)處于全約束狀態(tài),仍以空間問(wèn)題為例，有：

式(1)和式(2)中，ε為正應(yīng)變；γ為剪應(yīng)變；τ為剪應(yīng)力；E為彈性模量；α為線膨脹系數(shù)；μ為側(cè)向變形系數(shù)；T為各點(diǎn)承受的溫差.此時(shí)有最大約束應(yīng)力并與長(zhǎng)度無(wú)關(guān),只要材料的強(qiáng)度能超過(guò)最大約束應(yīng)力,即R≥σmax,或者材料的極限拉伸大于最大約束拉伸變形,即εp≥εmax,則任意長(zhǎng)度不設(shè)伸縮縫亦不開(kāi)裂,只須所選用的結(jié)構(gòu)材料具有足夠的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸.該設(shè)計(jì)原則稱為控制裂縫的“抗”原則.一般說(shuō)來(lái),采取“抗”的方法,必須有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備;采取“放”的方法,必須有充分的變形余地.

現(xiàn)在一般認(rèn)為,混凝土建筑物不出現(xiàn)裂縫是不可能的或是很難的.防止裂縫出現(xiàn),在材料、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)等方面均有一定的研究,但還不夠完善或效果不是十分明顯.在水工結(jié)構(gòu)工程中,因水的存在,以“抗”為主,力求工程各部位都不裂.

3成因機(jī)理

為了更好地控制裂縫和采取有效措施對(duì)裂縫進(jìn)行預(yù)防,必須對(duì)裂縫的成因機(jī)理進(jìn)行全面的分析.大量的工程實(shí)踐證明,閘墩裂縫的產(chǎn)生主要與墩體內(nèi)外溫差、混凝土的干縮、自生體積變形、外部約束等有關(guān),通常是多因素綜合作用的結(jié)果.

3.1墩體內(nèi)外溫差

水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱,在1～3d內(nèi)可放出熱量的50％,甚至更多,當(dāng)混凝土達(dá)到最高溫度后隨著熱量的散發(fā)又開(kāi)始降溫,直到與環(huán)境溫度相同.圖2為混凝土澆筑后溫度變化過(guò)程圖(圖中，Tp為入倉(cāng)溫度；Tr為溫升值；Tf為穩(wěn)定溫度；ΔT為最高溫度和穩(wěn)定溫度升高值(基礎(chǔ)溫差)).

閘墩作為大體積混凝土,熱量傳遞的同時(shí)更易在內(nèi)部積存,導(dǎo)致了內(nèi)部溫度高于外部溫度,內(nèi)部出現(xiàn)峰值溫度［5］.升溫階段結(jié)束后,是散熱階段.內(nèi)外混凝土散熱條件不同,外部混凝土和外界環(huán)境接觸,散熱條件好,熱量容易散發(fā),內(nèi)部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成了外部混凝土溫度低于內(nèi)部混凝土溫度.這樣在升溫和降溫階段都使閘墩內(nèi)外混凝土形成了同一方向的溫度梯度,導(dǎo)致了其變形的不一致.內(nèi)部膨脹受到外部的限制，或相應(yīng)地外部收縮受到內(nèi)部約束,于是在外部混凝土中產(chǎn)生了拉應(yīng)力.當(dāng)外部混凝土拉應(yīng)變達(dá)到其極限拉應(yīng)變,裂縫就由此產(chǎn)生.裂縫初期很細(xì),隨著時(shí)間發(fā)展繼續(xù)擴(kuò)大、變深,甚至貫穿.

除了混凝土水化引起的溫度作用外，運(yùn)行期環(huán)境溫度變化也會(huì)產(chǎn)生作用.特別是遇到寒潮襲擊、表面溫降特別大時(shí),裂縫發(fā)展更為嚴(yán)重.

從以上分析可以看出,影響內(nèi)外溫差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品種、澆筑入模溫度及環(huán)境溫度等.

3.2混凝土的干縮

混凝土內(nèi)的水分,少部分提供了水泥水化的需要,少部分泌出流失,大部分水分是在澆搗完畢后慢慢蒸發(fā)掉的.隨著水泥的凝結(jié)、硬化,混凝土中的水分在未飽和空氣中慢慢散失,引起混凝土體積縮小、變形,這種變形稱為干縮［6］.由于混凝土的水分蒸發(fā)及含濕量的不均勻分布,形成濕度變化梯度.其水分蒸發(fā)總是從外向內(nèi),由表及里.表層混凝土的水分蒸發(fā)程度和速度總是大于內(nèi)部,表層混凝土收縮的程度亦大,其變形會(huì)受到內(nèi)部混凝土的限制,在表層混凝土中也產(chǎn)生拉應(yīng)力,使得表層混凝土總的拉應(yīng)力加大,產(chǎn)生干縮裂縫.但干縮一般只發(fā)生在表層,對(duì)大體積混凝土而言,干縮擴(kuò)散深度達(dá)6cm需花1個(gè)月的時(shí)間,故干縮裂縫也只是表面裂縫或開(kāi)展深度不大.大體積混凝土內(nèi)部一般不存在干縮問(wèn)題,但表面干縮不容忽視,它會(huì)誘導(dǎo)拉裂縫的產(chǎn)生.閘墩屬水工薄壁結(jié)構(gòu),其影響深度及程度相對(duì)較大,尤其是在干熱風(fēng)大季節(jié),如不及時(shí)處理和養(yǎng)護(hù),將會(huì)發(fā)生局部貫穿性裂縫.

混凝土的配合比和組成是影響干縮的主要因素.一般水泥用量多,水灰比大,則干縮也大.骨料密度大,級(jí)配好,彈性模量高,骨料粒徑大,可以減小混凝土的干縮［7］.其次,混凝土的養(yǎng)護(hù)和環(huán)境對(duì)干縮也有很大的影響［8］.

3.3自生體積變形

混凝土即使沒(méi)有水分蒸發(fā),其各組成部分的化學(xué)反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生自生體積變形.在底板約束影響范圍內(nèi),膨脹型自生體積變形會(huì)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力,有利于防裂;收縮型自生體積變形則不利于防裂.普通混凝土的自生體積變形通常為收縮型的.它也是由于水分的遷移而引起的.但不是向外蒸發(fā)損失,而是由于水泥水化時(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降,形成彎月面,水泥石供水不足,產(chǎn)生所謂的自干燥作用,使混凝土體相對(duì)濕度降低,體積減?。?，10］.混凝土的自生收縮一般在拆模之前完成,雖然其量值不大,但如果同其他收縮疊加在一起,就會(huì)使表面拉應(yīng)力增大.像水閘閘墩這樣的斷面尺寸不是很大,但確屬必須解決水化熱問(wèn)題的大體積混凝土結(jié)構(gòu),必須考慮自生收縮參與溫度收縮等疊加的影響.

影響混凝土自生體積收縮的因素主要是材料的化學(xué)成分和水灰比.水灰比的變化對(duì)自生收縮的影響和對(duì)干縮的影響正好相反.當(dāng)水灰比大于0.5時(shí),其自生收縮和干縮相比忽略不計(jì).而當(dāng)水灰比小于035時(shí),自生收縮和干縮的作用相當(dāng),必須加以考慮［10］.

3.4外部約束

閘墩是底部固結(jié)在底板上,上部自由的結(jié)構(gòu).通常是在底板澆筑完間隔一定時(shí)間后才開(kāi)始澆筑閘墩,此時(shí)底板混凝土已經(jīng)固結(jié),是“老混凝土”.閘墩在沿其高度方向可以自由伸縮,不受約束;厚度方向由于閘墩厚度不大,約束很小;而在沿水流方向,則受底板約束相對(duì)很大.閘墩混凝土澆筑早期,產(chǎn)生大量水化熱,溫度升高,體積膨脹,受到底板約束,產(chǎn)生壓應(yīng)力.但混凝土澆筑早期,彈性模量低,產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小.隨著熱量的散發(fā),混凝土開(kāi)始降溫,加上干縮、自生體積變形等影響,體積開(kāi)始收縮,同樣受到底板約束,產(chǎn)生拉應(yīng)力.但此時(shí)混凝土彈性模量已增大很多,產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以很快抵消早期產(chǎn)生的壓應(yīng)力,并進(jìn)而出現(xiàn)較大的凈拉應(yīng)力.由于沿水流方向受到的約束最大,則該方向的拉應(yīng)力也最大,此時(shí)混凝土齡期短,強(qiáng)度低,產(chǎn)生的拉應(yīng)力易超過(guò)其抗拉強(qiáng)度,于是在閘墩上產(chǎn)生了常見(jiàn)的垂直于底板和水流方向的裂縫.

影響外部約束的因素主要是閘墩的分縫長(zhǎng)度和底板與閘墩混凝土的澆筑時(shí)間間隔.

4防止和控制措施

混凝土在各種不同情況下的開(kāi)裂有著多方面的原因,并且通常是多方面作用的結(jié)果.當(dāng)了解了各種原因及影響因素后,就可以采取措施，減少或防止混凝土的開(kāi)裂.目前,工程界在防止或控制裂縫方面的措施主要體現(xiàn)在材料、溫度控制、施工方法與工藝、養(yǎng)護(hù)等方面.

4.1材料

混凝土材料的合理選擇是預(yù)防并控制裂縫的重要方面.

為了降低水化熱,可采用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥［11］.減少水泥用量,可降低水化熱,降低混凝土的拉應(yīng)力.在混凝土中摻活性混合料,如在混凝土中摻粉煤灰,可使混凝土最高溫度降低,并可將達(dá)到最高溫度的時(shí)間向后推遲,有利于熱量消散,用時(shí)間控制裂縫;使混凝土和易性得到改善,減小了水泥和水的用量;因略有膨脹,減小混凝土的自生體積收縮;降低混凝土吸附水的能力,使混凝土干縮減小,抗裂性提高［5］.摻入粉煤灰的百分?jǐn)?shù)就是溫度和水化熱降低的百分?jǐn)?shù).如摻加20％粉煤灰的混凝土溫度和水化熱為未摻混凝土的80％.

外加劑的使用也是防裂的有效措施.緩凝劑可減慢混凝土放熱的速率,有利于熱量消散.減水劑可在水灰比不變時(shí)減少水和水泥用量,降低水化熱.膨脹劑可以補(bǔ)償混凝土的自生收縮,產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力,抵消結(jié)構(gòu)由于收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力［12～14］.值得注意的是,膨脹劑應(yīng)使用在閘墩底部有外部約束的部位,注意各部位混凝土膨脹變形的協(xié)調(diào)性,避免內(nèi)部膨脹大于表面膨脹的現(xiàn)象出現(xiàn)［15］.

此外,要特別注意混凝土合理配合比的設(shè)計(jì)［15］.

4.2溫度控制［5］

首先要降低混凝土的入倉(cāng)溫度,使現(xiàn)場(chǎng)新拌混凝土的溫度被限制在6℃左右.在高溫期拌和時(shí),可以加入冰片代替一部分水進(jìn)行混凝土冷卻.澆筑時(shí)盡量在春季或秋季,避免在夏季午間高溫時(shí)和冬季澆筑.對(duì)運(yùn)送混凝土的工具或澆筑倉(cāng)面采取遮陽(yáng)或降溫措施；其次要減小內(nèi)外溫差,內(nèi)部溫度升高和表面溫度降低共同作用會(huì)增加溫度梯度.必要時(shí),在混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管,用地下水或人工冷卻水進(jìn)行人工導(dǎo)熱,降低混凝土的內(nèi)部溫度.相反,對(duì)于外部混凝土要進(jìn)行隔熱保護(hù)，以調(diào)節(jié)表面溫度下降的速度,使內(nèi)外溫差減小.

4.3施工方法與工藝

為了提高混凝土的運(yùn)輸速度,現(xiàn)常采用泵送混凝土.由于泵送混凝土要求流動(dòng)性大［16］,其水泥用量大,水灰比大,粗骨料粒徑小,水化熱溫升高,易產(chǎn)生溫度收縮裂縫.因此在澆筑閘墩混凝土?xí)r,為了防裂,不宜采用泵送混凝土.考慮到泵送混凝土施工效率高,可以用于受約束較小的閘墩上部,而底部采用常態(tài)混凝土.

為了使混凝土更好地散熱,可分層澆筑混凝土［5］,分層的深度為1.0～1.5m.上一層混凝土的澆筑在前一層混凝土初凝前澆完.最底一層混凝土可與底板同時(shí)澆筑,這樣就可削弱或消除底板對(duì)閘墩混凝土的約束.另外,考慮到約束和長(zhǎng)度有關(guān),可以縮短分縫長(zhǎng)度,減小底板約束作用,或者分段澆筑,預(yù)留1～2m的后澆帶,待各段收縮完成之后,再在后澆帶中澆筑膨脹型混凝土［17］.

4.4養(yǎng)護(hù)

當(dāng)溫度高時(shí),混凝土水化反應(yīng)加快,強(qiáng)度發(fā)展快,變形速度也快;當(dāng)空氣濕度小時(shí),水分蒸發(fā)快,其變形速度也會(huì)加快.對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)是為了減慢其變形速度.早期養(yǎng)護(hù)可以在模板未拆時(shí),盡可能減小環(huán)境風(fēng)速;拆模后可從結(jié)構(gòu)頂部澆水或淋水,保證混凝土表面濕潤(rùn),若在閘墩四周裹上不透氣塑料膜后再澆水或淋水,則養(yǎng)護(hù)效果會(huì)更好.模板可推遲3～4d拆除［17］,起到隔熱和保濕作用.拆模后立即在混凝土表面涂上防裂劑,也能起到保濕的作用.

5展望及結(jié)語(yǔ)

水閘閘墩混凝土產(chǎn)生裂縫是各種因素共同作用的結(jié)果,但是各種因素并不是互相獨(dú)立的.在本文的述評(píng)中,我們可以看到，有時(shí)要減小一種原因的不利影響,卻會(huì)增加另一種因素的不利影響.由此也導(dǎo)致了在防裂措施中,有的防裂措施既有其積極的影響,也有其消極的影響.因此在采取防裂措施的時(shí)候,怎樣抓住主要矛盾,各種措施該如何進(jìn)行到一個(gè)合理的度,這個(gè)度應(yīng)該怎樣把握,是值得進(jìn)一步探討的問(wèn)題.這就要求對(duì)混凝土的抗裂能力進(jìn)行一個(gè)最為合理的評(píng)價(jià)［18］,以指導(dǎo)我們采取最為有效的防裂措施.

水閘閘墩及其他類似倒“T”形混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問(wèn)題突出且復(fù)雜,已受到越來(lái)越高度的重視.要使混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫得到有效的控制,必須加強(qiáng)科學(xué)研究工作,揭示裂縫機(jī)理,推出新技術(shù)、新方法.要加強(qiáng)工程業(yè)主、科研、設(shè)計(jì)和施工人員之間的合作與協(xié)調(diào),科研先行.目前已有一些工程很好地解決了裂縫問(wèn)題,比如江蘇二河新泄洪閘工程,采用在閘墩混凝土內(nèi)預(yù)埋冷卻水管的方法,用循環(huán)水冷卻混凝土來(lái)控制內(nèi)外溫差,并且墩體底部與底板混凝土同時(shí)澆筑，以減小底板的約束作用,使得該工程在施工期均未出現(xiàn)1條貫穿性裂縫.

致謝:本文在成文過(guò)程中得到了河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院朱岳明教授的指導(dǎo)，在此深表謝意.

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