水闸闸墩裂缝成因分析及防治措施

水闸闸墩裂缝成因分析及防治措施

【摘要】水闸是城市水利基础设施的重要组成部分，具有排洪、排涝、减灾等作用。但水闸闸墩在浇筑后时常会出现裂缝的现象，给水闸的运行带来安全隐患。本文结合工程实例，介绍了水闸的设计要求及施工情况，对水闸闸墩混凝土裂缝产生的原因进行分析，并提出一些有效的防治措施。供类似工程参考。

【关键词】水闸闸墩；裂缝；混凝土配合比；防治措施

随着水利基础设施建设的不断发展，水闸工程数量日益增加。水闸是常见的水工建筑物，担负着农田灌溉、防洪等主要任务，主要应用于水库的水位控制及水量调节当中。水闸闸墩主要为大体积混凝土结构浇筑而成，在浇筑完成后，闸墩部位易出现裂缝的问题，不仅影响建筑物的结构强度和整体稳定性，而且无法保证水工建筑物的正常使用。裂缝问题长期以来困扰着水利工程界，一直未能得到很好地解决。因此，本文通过对产生裂缝的原因进行分析，并提出了防治措施，对做好水闸闸墩混凝土裂缝的防治工作，确保水利工程的正常运行都有重要意义。

1.工程概况

某水闸工程，闸底板厚1.12m，边墩厚1.03m，中墩厚1.23m，墩高7.6m，为一典型的大体积混凝土结构。工程进入闸体混凝土浇筑阶段，根据施工单位记录，在拆模后的一个星期左右，即发现了闸墩上出现裂缝，主要为表面裂缝，部分裂缝深度较大，裂缝逐步发展成两段小，中间大的裂缝形态，缝宽为0.12～0.33mm，裂缝深度

最大可达0.39m。

2.闸墩裂缝原因分析

混凝土结构的裂缝分为荷载作用裂缝和间接作用裂缝，由于在施工初期外荷载没有作用在闸墩结构上，此时的裂缝应是由于间接作用而产生的裂缝，是混凝土内部各组分材料之间相互约束的结果，与混凝土的材料组成、施工时环境温度和湿度的变化、相关部分的约束作用以及施工过程中的施工荷载等因素都有非常密切的关系。根据混凝土的裂缝机理，结合闸墩的设计、施工材料使用和施工控制等情况分析，因裂缝具有一定的规律性，没有无规则的网状特征，可排除水泥安定性或碱骨料反应等材料原因所导致的裂缝；施工期间，闸底板也无异常变化，可排除地基变形和外荷载作用的原因。综合分析认为，引起闸墩出现裂缝的原因主要是混凝土内部的温度变化所引起的温度应力超过混凝土极限拉应力值所致。具体原因分析如下：

2.1 混凝土配合比

配合比设计时在满足混凝土强度等技术条件的基础上，应尽量增加粗骨料含量，降低水泥浆量，减少混凝土的自收缩，提高抗裂能力。有关研究成果表明，混凝土早期自收缩随着水灰比的减小而增大，且水灰比越小越明显。先期闸墩浇筑的混凝土其水泥用量是260kg，水灰比是0.48，对于中低强度的混凝土，显然水泥用量偏大，水灰比偏小，有可能造成混凝土的强度值偏高，弹性模量大，松弛能力降低，从而加大了混凝土闸墩的开裂趋势。

工程实践表明，大体积混凝土中的粉煤灰掺加量不超过30%时，随着粉煤灰掺量的增加会减少混凝土的收缩量，这是因为加入粉煤灰后减少了水泥用量，粉煤灰早期较少参与水化反应，生成的水泥石硬化体结构相对疏松，小孔含量降低，早期自收缩明显减少；同时粉煤灰混凝土早期强度较低，弹性模量较小，从而在混凝土收缩受约束时引发的弹性应力较低且发展较慢，使混凝土有足够的时间发挥其徐变性能，松弛弹性应力。分析认为，先期闸墩混凝土浇筑粉煤灰的掺量选用15%，显然是偏少的，应对粉煤灰的掺量进行适当的增加。

2.2 温度收缩

混凝土浇筑结束后，其内部的水泥成分持续水化，释放水化热，，使混凝土内部温度上升，达到最高温度值后，混凝土温度持续降低，通过与外界的热交换，其温度逐渐回归到环境温度值。这时，热量变化引起温度变形，如结构受到约束限制则会产生拉应力，拉应力超过此时的混凝土允许拉应力强度，结构构件就会出现温度裂缝。混凝土的内部温度还与混凝土的材料温度、施工环境温度及结构的散热条件密切相关。材料温度、环境温度及散热条件差将导致混凝土内部温度高；环境温度变化大，将使混凝土的内外温差增大，一般规定大体积混凝土的内外温差不宜大于25℃，养护时的降温速度不大于1.5℃/d，否则，如果不采取相应的温度控制措施，混凝土将可能出现温度裂缝。

根据有限元计算闸墩温度应力的成果，提出闸墩中心轴断面上的

降温拉应力的估算公式如下：

σx=kαecδt

式中：

σx—闸墩中心轴断面上的降温拉应力，mpa；

α—闸墩混凝土的线膨胀系数，取1×10-5/℃；

ec—闸墩混凝土的弹性模量，mpa；

k—约束系数，与闸墩宽高比l/h和ec/ef值有关，ef为地基的弹性模量；

δt—计算时的降温值，℃。

本工程中，约束系数k=0.19，施工初期的ec=1.6×104mpa，温差δt=28℃，计算得：

σx=0.19×1×10-5×1.6×104×28=0.85mpa

在混凝土的施工养护的初始阶段，其强度值较低，不具有相应的抗拉强度能力。在浇筑后的3～5d混凝土内部温升达到最大，此时段拆模后，如遇到不利的环境温度，养护期没有按制度养护，按计算所得的混凝土的拉应力值，混凝土出现温度裂缝是必然的。

如果闸墩混凝土的温度应力超过其允许拉应力，单纯的借助钢筋防止裂缝是很困难的。类似工程实测资料表明，混凝土未开裂前，钢筋应力很小，只有在开裂以后钢筋应力才显著增加，它只能发挥限制裂缝宽度的作用，温度钢筋在控制温度裂缝的作用中，只能被动防御，因此只有考虑合适的结构体形，施工时采取措施低温浇筑，加强养护，减少降温幅度，降低混凝土的温度应力，才能有效地减

少或避免裂缝现象的产生。

2.3 底板约束

混凝土产生温度应力，只有在其受到约束的情况下，才会诱发拉伸应力，当超过其抗拉强度时产生裂缝。闸墩混凝土在温度应力与收缩应力的共同作用下，闸墩混凝土发生变形，由于受到闸底板的约束，无法自由变形，导致在闸墩的最薄弱处的混凝土产生有规则的裂缝。在本工程中，底板对闸墩的约束作用是无法解除的，只有加强施工控制，尽量降低混凝土的温度应力，控制其产生的拉伸应力不超过混凝土的抗拉强度以避免裂缝的产生。

3.闸墩裂缝的预防和控制

从闸墩裂缝的原因分析，预防和控制裂缝主要从混凝土的原材料、配合比、施工时的温度控制以及养护等诸方面采取措施。

3.1 确定最优配合比

根据混凝土拌和物各组料的情况，通过试验确定最优配合比。调整粉煤灰掺量到20%，水胶比为0.50，控制水泥用量和用水量；通过对混凝土拌和物的强度和和易性等进行试验，优化后的配合比如表1。

表1 闸墩c25混凝土优化的配合比成果

3.2 施工过程控制

3.2.1 原材料的质量控制

混凝土工程所用的水泥、粉煤灰、砂石骨料、水等必须选用符合质量要求的原材料，施工时按制度抽检，根据气候和材料情况的变