水工建筑物混凝土裂缝成因分析及处理措施

曾秋梅

【摘 要】裂缝是水工建筑物混凝土常见的病害之一，若处理不当，很可能会影响到混凝土的使用功能和建筑物的质量。为此，本文结合工程实例，就水工建筑物混凝土裂缝产生的原因进行分析，并在此基础上提出相应的裂缝处理措施，旨在提高混凝土质量，以指导实践。

【关键词】水工建筑物；裂缝；温差；处理措施

水工建筑物是实现各项水利工程目标的重要组成部分，具有调节水流、防治水害和开发利用水资源等重要功能。但在水工建筑物应用过程中，时常会出现混凝土裂缝的现象，这些混凝土裂缝的存在和发展，不仅会破坏到建筑物结构的整体性，影响混凝土结构的受力状况和稳定，而且也影响到建筑物的使用功能和使用寿命，严重情况下还会造成财产的损失。造成水工建筑物混凝土裂缝的原因是多方面的，包括气温温差、水化热温差、混凝土收缩及水下墙基础水平阻力系数差异大等。因此，分析混凝土裂缝产生的原因，寻找有效的处理措施解决以避免混凝土裂缝的产生，对保证建筑物的质量具有重要意义。

1.概述

某水工建筑物长度42.47m，宽度13.2m。发电机层高程185.75m，水轮机层和尾水平台高程180.40m，蜗壳层高程176.20m。水电站主机间和水工建筑物水下墙长大约为31m，水工建筑物基础开挖至岩性为灰色细粒砂岩的新鲜基岩，并进行固结灌浆等基础处理。水工建筑物分段长度基本符合《水电站厂房设计规范（SL266-2001）》中构造设计要求（永久变形缝间距宜为20-30m）。

尾水平台段水下墙与其下尾水管大体混凝土相接，长16.5m；其余段水下墙与岩基相接，并在岩基上辅设一层100mm厚C10素混凝土垫层。水下墙底高程为180100m，顶高程为185.75m。水下墙厚500mm，构造筋10@250，配筋率0.157%；混凝土C20，4.25号水泥。混凝土配比：水、水泥、砂、碎石重量（kg/m3）分别为：168、309、654、1269。混凝土建材试验结果正常，试块强度达到或超过设计强度。

水工建筑物混凝土浇筑采用木模板，机械拌和震捣，浇筑时间为2002年3月初至4月下旬。混凝土入仓温度约33℃，环境气温白天约23℃，夜间约13℃，平均18℃。水工建筑物水下墙浇筑完半个月后发现在尾水平台两侧有2条垂直竖向裂缝具体位置见图1，裂缝从185.75m高程至179.40m高程，为贯穿性裂缝，缝宽0.1-0.4cm。现针对裂缝产生原因和采取的控制措施进行初步探讨。

2.裂缝成因分析

本工程水下墙竖向裂缝在施工期即水工建筑物主机间二期砼未浇筑和水工建筑物未封顶前产生，此时水下墙未挡水。经分析属于变形变化引起的裂缝，主要是由于气温温差、水化热温差、混凝土收缩及水下墙基础水平阻力系数差异大等多种因素的综合作用造成。

2.1温差及混凝土收缩

2.1.1气候温差

气候温度从高温降至低温时温差将使水下墙混凝土内部受到外部约束时产生温度应力，根据施工资料分析水下墙施工时白天与夜间气温温差T1=10℃

2.1.2水化热温差

水化热温差T2计算如下：

式中：W为每立方砼水泥用量，W=309kg/m3；Q为水泥水化热，Q=334×103J/kg；C为砼比热，C=1.0×103J/kg℃；C为砼的容度，C=2500kg/m3；k为温降系数，k=0.5。

T2=20.6℃≈21℃

2.1.3混凝土收缩当量温差

混凝土收缩时，龄期t的收缩值Ey（t）

Ey（t）=3.24×10-4×（1-e-bt）·M

式中：M为修正系数，根据现场水泥品种、水泥细度、骨料、水灰比、水泥浆含量、自然养护时间、环境相对湿度、水力半径倒数、机械振捣及含筋率等因素实际情况并参照有关类似工程综合考虑M=1.48；b为混凝土养护状况系数，由于养护较差b=0.02；t为龄期，按70天的收缩量考虑t=70。

Ey（t）=3.24×10-4×（1-e-0.02×70） ×1.48=3.89×10-4

当量温差

T3=Ey（t）/A

式中：A为砼的线膨胀系数取1.0×10-5

T3=39℃。

2.1.4总温差产生的收缩变位

总温差T=T1+T2+T3=70℃

根据本工程施工顺序分析认为水下墙在降温作用下引起收缩变位，必将产生约束应力。首先基岩或混凝土尾水管对水下墙底产生约束应力；其次水轮机层地面和尾水平台对水下墙也产生相似的约束；这种外界的约束将对水下墙混凝土产生拉应力。由于水下墙的高度5.75m小于0.2倍的水下墙长度6.2m，混凝土内部约束应力接近于轴向受拉状态，在离开端部区域后，全截面可以认为是均匀受拉。

总温差引起收缩变位对水下墙混凝土产生最大拉应力计算如下：

式中：E为混凝土弹性模量，E=2.55×104N/mm2；A为混凝土线膨胀系数，A=1.0×10-5/e；T为混凝土总温差，T=-70℃；L为水下墙长度，L=31000mm；H（t，S）为混凝土松驰系数，H（）=0.5；Cx为水下墙基础水平阻力系数（按C10素混凝土垫层取值），Cx=0.6N/mm3；H为水下墙高度，H=5750mm。

C20混凝土抗拉强度标准值R标=1.54N/mm2，抗拉强度设计值R设=1.10N/m2，Rmax>R标，因此水下墙混凝土必将产生裂缝。

2.2水下墙基础水平阻力系数

水工建筑物尾水平台段下游水下墙基础为大体积砼，长度16.5m，水平阻力系数Cx=1.5N/mm3，远大于尾水平台两侧水下墙基础的水平阻力系数Cx=0.6N/mm3，取Cx=1.5N/mm3计算可得Rmax=5.4N/mm3，可见水平阻力系数不同引起最大拉应力的变化也是很大的，相应地两段水下墙的收缩变形差异也较大，因此水下墙垂直竖向裂缝在尾水平台两侧位置产生。

本工程水下墙混凝土水灰比偏大，没有掺粉煤灰等掺和料及现场未采用有效的保温措施等都会使水化热及入仓温度偏高；水下墙结构构造配筋偏小和钢筋间距偏大无法提高混凝土抗裂性能，从而促使裂缝产生。

3.裂缝处理措施

根据水工建筑物水下墙竖向裂缝成因分析结果，并针对裂缝成因的各种有关要素为避免竖向裂缝产生经分析认为可采用以下处理措施。

3.1适当加大构造筋提高抗裂性能

水工建筑物水下墙可采取适当加大构造钢筋，使构造筋起到温度筋的作用，能有效地提高抗裂性能。配筋应尽可能采用小值径，小间距。采用直径8-14mm的钢筋和100-150mm间距是比较合理的。配筋率应在0.3%-0.5%之间。配筋后的混凝土极限拉伸与配筋率和钢筋直径的关系如下式：

εpa=0.5Rf（1+p）×10-4

式中：εpa为配筋后的混凝土极限拉伸；Rf为混凝土抗裂设计强度（MPa）；p为截面配筋率μ×100；d为钢筋直径（cm）。

3.2设置/暗梁0

水工建筑物水轮机层以上水下墙一般厚度不大0.5m左右，高度也不高5m左右，为了防止边缘效应引起的裂缝，在水下墙纵横断面的四周以及施工缝上、下部位。

3.3采用“后浇缝“进行施工

采用“后浇缝”进行施工，控制施工期间的较大温差与收缩应力。

1）后浇缝间距首先应考虑有效地削减温度收缩应力，其次考虑与施工缝结合，在正常施工条件下后浇缝的间距约为20-30m。

2）后浇缝保留时间必须在施工期间不致影响设备安装和二期混凝土的浇筑，一般不应少于40天，最宜60天。

3）后浇缝一般宽度应在70-100cm左右，后浇缝处钢筋连续不断开，为便于清理凿毛亦可断开钢筋。水工建筑物水下墙具有挡水功能，因此后浇缝应设置键槽，并在迎水侧设1道膨胀止水条。如图2。

4）后浇缝的填充材料最宜采用浇筑水泥及其他微膨胀水泥，同时要求混凝土比原结构的强度等级高C5-C10，并长期潮湿养护不少于15d。

3.4间歇振捣时间的控制

采用两次振捣技术，增加混凝土的密实度减少内部微裂和提高混凝土的强度，提高抗裂性和抗渗性能等。要求掌握好两次振捣的时间间歇2h左右为宜，否则会破坏混凝土内部结构，使强度等性能降低。

3.5选择合理的砂、石级配

选择合理的砂、石级配，严格控制含泥量，含泥量应不大于1.0%。

3.6有效降低水泥水化热

在水下墙混凝土中掺入一定的减水剂和粉煤灰，尽量减少水泥用量，降低水泥水化热。

3.7有效控制温差

水下墙混凝土须尽可能减小入模温度，溥层连续浇筑，随后采取保温养护，以减少内外温差，混凝土缓慢降温，越慢越好；同时保持混凝土处于潮湿状态，以增加强度和减少收缩。

4.结语

裂缝的产生对水工建筑物混凝土结构的危害是巨大的，若不进行有效的处理，则很可能导致严重的后果。因此，施工管理人员有高度的责任心，实时对水工建筑物混凝土进行监控，一旦发现裂缝，应该制定应急措施，采取合理的方法控制裂缝进一步发展，最大限度避免混凝土裂缝的产生，以期发挥出水工建筑的综合效益。

参考文献：

[1] 吴嘉强.水利施工中混凝土裂缝的防治探讨[J].中国城市经济.2011年第11期.

[2] 蔡玲.水工建筑物混凝土裂缝防治对策[J].建筑学研究前沿.2012年第08期.