浅谈大型水工地下结构综合抗裂技术

浅谈大型水工地下结构综合抗裂技术

摘要：裂缝的存在和发展，破坏了水工建筑物结构的整体性，影响了水工建筑物的结构受力状况与稳定。给水工建筑物结构的运行事带来不确定性，而且易导致水工建筑物内部与钢筋锈蚀，降低水工建筑物结构的耐久性，甚至会引起渗透变形，危及水工建筑物的结构的稳定性。在大型水工建筑工程中，从建筑结构方案的设计、抗裂性能的评价、仿真数据的计算以及抗裂工程的施工等等几方面都需要事先进行综合的抗裂技术研究，这样才能最大限度的提高水工地下结构的抗裂性能，使得建筑工程质量有所保障。

关键词：水工结构；混凝土；综合抗裂技术

前言

建国年来，我国水工地下结构建设的理论与实践均有新的发展，仅在水利水电工程中已建成水工隧洞的长度超过1000ｋｍ，水电站的地下厂房达200座。在地下工程的设计和施工技术方面进行了大量研究，并提出了许多新的见解和理论，如水工隧洞应力分析的增量渗流荷载理论、衬砌外水压力、有压隧洞混凝土及钢筋混凝土衬砌限裂设计、糙率研究、大断面混凝土衬砌分岔洞、预应力混凝土衬砌、高流速水工隧洞、围岩高压固结灌浆以及地下厂房设计与施工新进展等等。这些成果将为我国今后水工地下结构技术的发展奠定良好的基础。

一、工程概况

某水闸工程，右岸挡墙及右岸边墩在混凝土拆模后,发现了裂缝。裂缝特征如下:裂缝在水平方向上均发生在挡墙分仓的中部;裂缝在竖向并未完全贯通,大部分裂缝产生在挡墙3/4高度以下,挡墙顶部没有裂缝;裂缝缝宽在0.3mm左右,呈现中间宽,两头缩小的现象;有部分挡墙裂缝在两侧同处产生;部分裂缝从基础往上开裂,有些裂缝未从基础往上开裂。裂缝产生时间:出现裂缝的时间基本都在模板拆除后1～2d,有些裂缝在混凝土拆模后当天即发现。

二、裂缝原因分析

1、混凝土配合比

该工程出现裂缝的混凝土部位涉及挡墙和边墩,均使用了某牌P.O42.5水泥品种,这两种水泥产品质量较好,强度富余系数较高,因此造成混凝土实际强度值高出设计强度值较多,通过查阅相关的混凝土强度试验报告也证实了这一点,混凝土实测强度值大部分大于设计值200%以上,混凝土强度值的增加,加大了混凝土的水化热,提高了混凝土内部温度。在冬季施工混凝土的高水化热,一方面有利于混凝土温度的保持,避免混凝土受冻,保证混凝土强度;另一方面也带来了不利的因素。因此,水泥用量及水泥标号的选择是引起此工程混凝土裂缝的一个不可忽视的因素。另外,该工程使用的粗骨料最大粒径为25mm,对于尺寸较大的混凝土结构,控制胶骨比在1∶3以上,在质量相同时,其总面积减小,可减少水泥用量,减少

水化热,在一定程度上有利于防止裂缝的产生。

2、结构尺寸

本水闸工程中,挡墙的结构尺寸较大,大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发,导致内部温度急剧上升,而混凝土表面散热较快,这样就形成内外的较大温差,较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同,使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时,混凝土表面就会产生裂缝,这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。结构尺寸偏大与水化热增高两种不利因素共同作用,极易产生混凝土裂缝。从裂缝的分布情况来看,挡墙的裂缝从基础开始往上发展,到距顶部1/4处裂缝终止。这是因为挡墙顶宽尺寸较小,散热较快,产生的温度拉应力较小,致使混凝土未在此部位发生裂缝。

三、提高水工结构抗裂性能的措施

1、水工结构抗裂性能的发展

目前，在建筑行业的领域内，关于抗裂性能的评定并没有一个严格的标准或者规定，一般都是通过其他性能的表现形式来反映某个结构的抗裂性能好坏。在大型地下水工结构综合抗裂性能的评断上，工程师都会选择较为常见的衬托法来说明结构的抗裂性能，如力学性能判定法、收缩判定法、平板法、砂浆抗裂环法等等。其中，这几种侧面烘托抗裂性能的手段中力学性能或收缩测试具有一定的局限性，仅仅只能判定混凝土自身的性能，但是结构的综合抗裂性能不能有所保障。而另外的平板法和砂浆抗裂环也不能面面俱到，但是通常都需要用模拟试验法来进行结构抗裂性能的测试，这样下来就会作用的领域比较单一而不能全面评估建筑工程结构的综合抗裂性。针对大型水工建筑的复杂结构，许多工程师都会选择采用几种以上的方法来综合提高水工地下结构的抗裂性能，通过对力学性能和体积变化性能测试、模拟试验、理论计算等等技术手段，对混凝土抗裂性有一个客观实在的了解，进而在具体的施工方案的设计上能确定一套切实可行的施工体系。再从建筑结构分析的角度来蓝看，混凝土的性能是结构抗裂性能表现的直接因素，因此在研究抗裂性的试验中必须注重混凝土的配合比设计和建筑结构的设计，需要综合考虑混凝土的热学性能和建筑自身的稳定性。

2、基于实测数据的抗裂仿真计算

在具体的建筑工程施工之前，需要设计师对整个工程的各类数据进行系统的计算和分类，继而利用统计学的知识进行数据仿真，分别作出最优的选择来进行施工，所以在为了确定对结构抗裂最为有利的施工方案，设计师应该同技术人员一同商量如何应对温度应力、收缩作用、徐变作用以及施工荷载的影响，并对混凝土初期的弹性模量与强度的变化进行细致的计算，一般都是通过计算机仿真技术来间接模拟水工建筑的结构，并进行有一定规律的演变从而测定结构的综合抗裂性能。主要考虑的匀速有三个：结构、环境和材料。作为水工结构早期性能的主要影响因素，只要通过建立变形开裂的仿真模型，再对结构的约束应力、混凝土应力和钢筋应力的发展进行数据分析。这个过程中混凝土实测数据主要有：混

凝土的弹性模量、绝热温升以及劈拉强度。由于水工结构的高抗裂性要求混凝土的质量较高，所以在混凝土的配合比上需要综合利用各种原材料，包括复合矿物掺合料、抗裂纤维以及聚羧酸型减水剂等等。在通过基于实测数据的抗裂仿真计算及专业技术人员和设计人员进行讨论研究，最终确定采用何种施工方案和施工的手段来使得水工结构的抗裂性能有所保障。

3、动载状态下的抗裂措施

由于施工条件和工程进度的要求，混凝土浇筑与支撑爆破拆除需同时进行。支撑爆破对距离较近的永久结构影响较大，尤其是新浇筑的混凝土结构(底板和内衬墙)，混凝土尚处于早龄期阶段，强度还在发展过程中，结构抗裂性也较差，易受爆破震动的破坏，爆破震动会使水泥浆与骨料开裂，甚至形成贯通性裂缝，影响混凝土后期强度增长。而且大型水工地下结构的抗裂性要求较高，这就需要在爆破过程中还要考虑爆破强度是否会对大型水工地下建筑工程的抗裂性能造成影响。在大型水工地下建筑工程的施工中，管理人员一方面要大力控制混凝土原材料的质量，保障在施工过程中不会出现自身材料的问题，而在施工过程中，则需要技术人员能在混凝土配制、生产和施工方面采取相应的的技术措施；另一方面采用爆破动力响应模拟计算的方式，对动载状态下的水工结构的抗裂安全性进行分析，并提出相应的爆破施工措施和要求。这样的双重保险措施就能够大大的保证地下水工结构在爆破时的安全，很高程度上避免了施工中因爆破震动而引起的质量事故。除此之外，混凝土是脆性材料，抗拉性能较差，因此在配合比设计时，以大体量混凝土的低水热路线为基础，在保证抗裂性的前提下，尽可能地提高混凝土的弹性模量和抗拉强度。此外，在混凝土完成浇筑工序后，在短期内必须进行一系列的保护措施，如利用薄膜或草包覆盖、浇水等方法，做好保温、保湿养护工作。

四、结语

水工建筑结构的复杂性和特殊性决定了技术人员在设计和管理工程结构的过程中，对混凝土裂缝的质量要求非常高。而综合抗裂技术都是基于高质量的混凝土来完成的，这就要求技术人员在混凝土的材质与配置上都需要多花心思，此外管理人员还需要结合具体的施工设计方案和施工环境来保证抗裂性能的最优化。

参考文献：

[1]谢年祥,林毓梅.水工混凝土抗裂性研究的现状与展望[J].水利水电科技进展,2000年03期

[2]潘敏豪.混凝土水灰比的快速测定[J].施工技术,2001年01期