佛山市南海区国土城建和水务局桂城水务管理所 广东佛山 528000
摘要：闸墩裂缝是目前水工建筑物中存在的主要质量隐患，闸墩出现裂缝将会直接给排洪闸工程带来不同程度的危害。因此，分析闸墩裂缝产生的原因，采取有效措施控制闸墩裂缝，具有重大的经济和社会效益。本文结合工程实例，简单分析了闸墩裂缝问题的原因，进而探讨了闸墩裂缝问题的应对策略。以期为相关的闸墩裂缝问题提供有益的参考。
关键词：闸墩裂缝；原因分析；控制措施
闸墩上产生裂缝是一个比较普遍的现象，长期以来困扰着水利工程界，一直未能得到很好地解决。闸墩裂缝问题不仅影响到闸墩的耐久性，并且危及到闸墩的强度、稳定和水电站大坝的安全运行。因此，相关的工作人员必须正确分析裂缝出现的原因，科学地采取有效的应对策略，克服和控制裂缝。
1工程概况
某排涝闸规模为3孔，单孔宽5m，基础座落在海涂面的软土地基上。设计最高潮水位重现期为50年一遇，闸室、岸墙、翼墙基础均采用Φ800钢筋混凝土灌注桩。排涝闸工作环境条件类别为Ⅳ类，场地地层主要由人工填土层、第四系冲积层和石炭系层构成。
2闸墩的裂缝成因分析
2.1现场状况
排涝闸闸墩混凝土设计强度为C30，闸墩顶底高差7.85m，边墩厚1m，中墩厚2m，混凝土方量为568m3。于2010年7月4日～10月12日分4次浇筑，采用C30商品混凝土泵送施工。10月29日，在4只闸墩处几乎同一位置出现垂直裂缝（见图1）。超声法裂缝检测结果显示，裂缝长2～4m，宽度为0.35～0.45mm，大于沿海海水水位变动区裂缝宽度允许值0.20mm，并贯通闸墩，确定为贯穿裂缝。为保证水闸正常运行，该裂缝必须及时采取补救或处理措施。
2.2病因分析
2.2.1设计原因
设计分析：结构力学与实际受力情况相符，根据设计图纸计算闸墩部位有效截面配筋率高于最小配筋，结构安全系数比较高。设计图纸中，保护层为6cm，满足海水、盐雾区保护层的最低要求。纵向配置了应力钢筋，但横向仅仅考虑了构造要求，配置了直径较小的箍筋。闸墩底板结构采用现浇钢筋混凝土超静定结构，约束作用较大。
2.2.2施工原因
（1）闸墩地基为淤泥质软土层，但有长达20m的桩基础和1m厚的底板，保证了地基的承载力和沉降要求。
（2）闸墩上部主体房建荷载并未施工，且在施工过程中无机具、材料的堆放，外荷载过大造成的裂缝因素可排除。
（3）闸墩为C30泵送商品混凝土浇筑，配合比为：P.O42.5普通硅酸盐水泥320kg/m3，水185kg/m3，砂710kg/m3，含泥量1.02%，碎石（5～31.5mm）1060kg/m3，含泥量0.8%，粉煤灰65kg/m3，外加剂6.9kg/m3，总容重2345kg/m3，坍落度为12±3cm，外加剂为ZWL-A-III型高性能缓凝泵送剂，混凝土各项指标均合格。
（4）施工中混凝土按照顺序分层浇筑，分层距离为1m左右，采用插入式振捣器。第一次于9月14日6：30～16：30进行混凝土浇筑，天气为多云；第二次于9月14日6：30～16：30进行混凝土浇筑，天气为阴；第三次于10月12日12：30～18：30浇筑，天气为多云；第四次于10月12日12：30～18：30浇筑，天气为多云。
（5）施工中为考虑浇筑强度与铺盖面积及安全，避免上升速度过快，浇筑到3/5高度时，中间间隔90min后再续浇。
（6）模板拆除及混凝土的养护：闸墩的拆模时间均在浇后3d进行。拆模后，每天浇水不少于6次，时间为上午7：30、10：30两次，中午12：30、14：00两次，下午15：30、17：30两次。
2.3诊断
降温与收缩及其共同作用是引起混凝土开裂的最主要的两个因素。本文从该工程的实际情况出发，来验算混凝土的温度变化及其产生的应力，从而确定裂缝成因。
2.3.1混凝土温度的计算
（1）绝热温升（水化热）。
Tmax=（W·Q）/（c·γ）（320×460×103）/（0.96×103×2345）=65.39℃
式中Tmax—绝热温升（指四周无任何散热条件、无任何热损耗的条件下，水泥与水化合产
生的反应热（水化热）全部转化为温升后的最高温度，℃）；
W—每m3混凝土的水泥用量，取320kg/m3；
Q—水泥水化热，28天水化热为460×103J/kg；
c—混凝土比热，取0.96×103J/（kg·℃）；
γ—混凝土容重，取2345kg/m3。
（2）混凝土中心温度。
Th=Tj+Tmax·ζ
式中Th—混凝土中心温度，℃；
Tj—混凝土浇筑温度，℃；
ζ—不同浇筑混凝土块厚度的温度系数，对1m厚混凝土浇筑3d时ζ=0.36。
（3）混凝土浇筑温度
Tj=TC+（TP+TC）·（A1+A2+A3+……+An）
其中A2=Q·t
式中TC—混凝土拌和温度（与各种材料比热及初温度有关，按多次测量资料，有日照时， 混凝土拌和温度比当时温度高5～7℃，无日照时，混凝土拌和温度比当时温度高2～3℃，按5℃计；
TP—混凝土浇筑时的室外温度（室外平均温度以26℃计）；
A1+A2+A3+…+An—温度损失系数；
A1—混凝土装卸，每次A1=0.032（装车、出料二次数）；
A2—混凝土运输时温度损失系数；
Q—6m3滚动式搅拌车其温升－0.0042℃，混凝土泵送不计；
t—运输时间（以min计算），从商品混凝土公司到工地约30min；
A3—浇筑过程中A3=0.003×60=0.18。
Tj=TC+（TP+TC）·（A1+A2+A3+…+An）
=31+（26+31）×（0.064－0.126+0.18）=31+57×0.118=37.73℃
则混凝土内部中心温度：Th=Tj+Tmax·ζ=37.73+65.39×0.36=61.27℃
从混凝土温度计算得知，在混凝土浇筑后第三天混凝土内部实际温升为61.27℃，比当时室外温度（26℃）高出35.27℃。
2.3.2温度应力计算
（1）先验算由温差和混凝土收缩所产生的温度应力σ。
建立以闸墩中心为零点的空间直角坐标系（如上页图），采用公式：
式中H（t，τ）—松弛系数，取t=2～20d的平均值0.6；
E—混凝土各龄期时对应的弹性模量，Et=Ec（1－e－0.9t），其中e=2.718，自然对数的底，t—混凝土龄期（天数）；
Ec—混凝土28天时C30的弹性模量，Et=3×104MPa；
α—混凝土的线膨胀系数，取1.0×10－5；
T—结构计算温度，前面已述实际温升最高Th=61.27℃；
μ—弹性变形条件下的系数，取0.15。
σ=（0.6×3×104×1.0×10－5×61.27）/（1－0.15）【（y2/l2）－1/3】
=12.975{【（y2/l2－1/3】
（2）表面应力
即当y=l时，σ表=12.975×2/3=8.65MPa
（3）中心应力
即当y=0时，σ中=12.975×（－1/3）=－4.325MPa
2.3.3诊断结果
（1）由温度应力σ的计算式得知，闸墩从表面至中心的降温和收缩变化都是按相似抛物线型分布，见裂缝位置示意图，在混凝土的固结过程中，由温度引起的最大拉应力出现在混凝土表面。
（2）查《混凝土结构设计规范》表4.1.4得，C30混凝土轴心抗拉强度标准值（σ标）为2.01MPa，由σ表＞σ标、σ中＜σ标得知，每只闸墩两侧的表面裂缝是由温度应力引起的，两侧由温度应力引起的裂缝深度范围约为闸墩厚度的1/3（σ表=σ标）。
（3）夏季外界环境温度高，太阳光直射强度大，混凝土受阳光直射，水分蒸发快，失水不均匀引起体积收缩变形不均匀。
（4）闸墩与底板浇筑间隔60多d，闸墩混凝土浇筑早期，产生大量热量，混凝土体积不断膨胀，随着时间推移，热量散发，混凝土体积产生收缩。闸墩下部受闸底板的超静定结构已凝固混凝土的约束，产生了较大的拉应力，当拉应力超过其抗拉强度时，就产生了贯通整个截面的垂直裂缝。
（5）在横向上只配了直径较小的构造箍筋，无受拉应力钢筋的存在，降低了整个钢筋混凝土结构的纵向抗拉性能。
（6）在该工程中，养护是在拆模3d后才开始，养护面也直接受到太阳曝晒，如无任何保护措施，将导致混凝土产生干缩裂缝。
3控制措施
混凝土裂缝的修补措施主要有以下一些方法：表面修补法，灌浆、嵌逢封堵法，结构加固法，混凝土置换法，电化学防护法以及仿生自愈合法。由于该工程产生的裂缝对结构的整体性有影响，并且有防渗要求，因此，采用化学灌浆、嵌逢封堵法修补混凝土裂缝。
（1）由于发现裂缝时气温还未降到最低点，混凝土体积仍有可能持续产生收缩，裂缝有进一步扩展的可能，因此修补裂缝的时间选在次年2～3月，待裂缝发展基本稳定后再处理。
（2）灌浆材料采用水溶性聚氨酯HW，它具有良好的亲水性能，浆液遇水后先分散乳化，进而凝胶固结；可在潮湿或涌水情况下进行灌浆，对水质适应性强，在海水和PH3-13的水中均能固化；固结体经急性毒性试验属实际无毒类；施工工艺简便，浆液无需繁杂配制；有较高的力学性能，适用于混凝土或基础的补强加固处理。
（3）处理时，首先在裂缝两侧凿6cm宽槽坑（裂缝两边各3cm），槽坑边缘应凿成1∶1的坡，净深为3cm，然后对槽孔先用HK-903聚合物水泥砂浆涂抹一遍作为界面处理。
（4）灌浆孔采用预埋孔径1.8cm铜管方式，须注意孔口的保护，避免水泥砂浆充填时将孔口封闭，灌浆孔自下而上布置，间距50cm，待HK-903聚合物水泥砂浆达到10d强度后进行灌浆处理，并对灌浆孔进行压水试验，检查灌浆孔的贯通性。
（5）灌浆时，采用手摇式灌浆泵，灌浆压力0.2MPa。先进行下排灌浆孔灌注，待上排灌浆孔开始排浆1min后，可视为结束并进行封孔；之后进入上排灌浆孔灌浆，最末排孔以吸浆率小于0.02L/min时作为结束灌浆标准；达到结束标准后，在设计压力下继续灌浆30min，之后封孔；封孔后将预埋铜管外露部分切除，并采用HK-903聚合物水泥砂浆抹平封孔。
（6）灌浆完成7d后，采用单点压水试验法进行质量检查，压水检查压力为0.3MPa，透水率不大于0.1Lu时，视为合格。
4结语
总之，闸墩裂缝是较为常见的质量通病，是降温与收缩等多种因素共同作用的结果，对排洪闸质量安全会产生较大的影响。但通过具体问题具体分析，并采取具有一定针对性的应对策略，就能有效的减小闸墩裂缝可能产生的不利影响，保证构造物正常使用。
参考文献：
[1]胡世琦.水闸闸墩裂缝成因及处理措施[J].城市建设理论研究.2012（16）
[2]周峰.水闸闸墩裂缝成因及防治措施[J].科技信息.2012（21）
论文作者:陈锦康
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/16
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 温度论文; 应力论文; 水化论文; 系数论文; 结构论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;