大型水池裂缝分析及对策

姜 涛

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

随着我国城市化的不断深入，盛水构筑物呈现一体化、规模化的发展趋势，水池尺寸不断增加，结构形式越发复杂。钢筋混凝土具有强度高、可塑性强和耐久性好等优点，是大型水池的常用结构形式。但由于混凝土又有抗拉强度低、施工受季节影响大等缺点，非常容易出现开裂、渗漏问题。本文对大型水池裂缝的产生原因进行研究，尝试找出控制节点，并提出防治措施。

1 水池裂缝的主要原因

裂缝指建(构)筑物内部材料不连续的现象，根据产生原因可分为动、静荷载等直接作用产生和温度、不均匀沉降等间接作用产生两种。随着结构设计理论的完善，结合国内外工程实例不难发现，由间接作用引起的裂缝占总裂缝的多数，故以下主要分析间接作用的影响机制。

1.1 温度作用引起的开裂

由温度变化引起的变形受到约束时，构件就会承受温度作用。约束可以来自构件外部，在温度变化不同步或材料热膨胀系数不同时，不同构件间互成约束。如在温度升高时，水池底板的膨胀变形受下部土体约束，产生压应力。约束也可以来自构件自身，当其内部温度变化不同步时，不同部分间互成约束。如混凝土浇筑初期，表层温度较低，内层温度较高。表层混凝土收缩受到内层限制，产生拉应力。

在分析钢筋混凝土水池温度作用时，需要注意的是由于外部环境影响，其温度分布是时刻变化的，对其进行全过程的分析、计算是不现实的。很多国内研究进行了简化模拟，形成了一系列的分析方法。如崔帅[1]基于热传导微分方程，提取日照、风速、气温等关键外部因素，建立了温度应力及其分布的计算方法，并与试验结果进行了验证比对。以下分别从大型水池的施工期和使用期对其裂缝的产生机制进行分析。

大型水池的施工期又可分为混凝土浇筑初期和后期。在混凝土浇筑初期，重点考虑水泥凝结硬化产生的水化热影响。对于尺寸较大的混凝土池壁或底板，内层混凝土因水泥水化作用产生的热量无法及时散去，使其温度更快升高，内层与表层温差逐渐加大。当表层混凝土收缩受限所引起的拉应力超过混凝土当时的抗拉强度时，就会产生裂缝。在混凝土浇筑后期，主要考虑混凝土冷却收缩的影响。随着混凝土温度降低，水分流失，混凝土开始收缩，并受到周边约束。如底板的收缩受垫层、地基土的约束，池壁的收缩受已浇筑底板和池壁的约束，产生的拉应力也可能会引发裂缝。

在大型水池的使用期，重点关注环境温度影响，分为内外(壁面)温差和季节(壁中)温差。前者指池内水温与池外空气或土体的温差，由天气、日照等因素决定。后者指施工完成时的温度与使用时的温度之差。由于在进行水池结构设计时，无法得知结构最终的闭合时间。所以可分别按冬季施工夏季使用和夏季施工冬季使用来计算，一般取当地最热月与最冷月平均温度之差[2]。

1.2 混凝土收缩引起的开裂

除了因温度降低而引起的收缩，钢筋混凝土水池的收缩还包括水泥与自由水发生反应引起的化学收缩、水化热下蒸发引起的失水收缩和毛细水流失引起的干燥收缩等。这些收缩一方面受混凝土的骨料级配、水泥用量等自身因素影响，一方面受施工养护、气候变化等外界因素影响。国外在十九世纪开始了混凝土收缩的相关研究，形成了多种计算方法。如欧洲混凝土协会建立的CEB—FIP公式，采用了滞后弹性变形与塑性变形相加的徐变系数；美国混凝土协会建立的ACI-209公式，采用了五个系数相乘的徐变系数，进一步考虑混凝土配合比等的影响。我国的王铁梦先生[3]根据多年试验数据，整理出计算混凝土收缩变形的方法，具体公式如下：

式中εy(t)为t时刻的相对收缩变形；

M1…Mn为考虑各种非标准条件的修正系数；

n为经验系数，养护按0.01，不养护按0.03。

总体来看，混凝土的收缩是一个长期的过程，随着时间不断增大，早期收缩较快，后期逐步放缓。相关研究表明，混凝土在14d、90d和365d的收缩变形分别可达其极限收缩变形的20%、60%和80%[4]。

以下为某项目池体裂缝分布图，立面图中竖线为施工单位测量、整理的裂缝。南侧池壁共有竖向裂缝18条，北侧池壁共有竖向裂缝13条。由于池体在混凝土浇筑后，养护时间不足14d，导致混凝土前期收缩变形剧烈，南北侧长向池壁均出现明显裂缝。施工期正处夏季，南侧池壁因日照影响，温度应力及失水收缩更为强烈，裂缝明显较多(如图1)。

图1 某项目池体裂缝分布图

1.3 不均匀沉降引起的开裂

大型水池的尺寸可达几十米甚至上百米，池底的地质情况可能发生变化，也可能存在未进行有效处理的局部软土或扰动土层，造成水池区域间沉降影响深度范围内土体压缩模量差异较大。一些综合水池因工艺需要，长期存在临近区格空满等较大水位差的情况，基底附加应力相差较大。若此时水池上部刚度不足或未采取柔性连接措施，将会导致水池区格间发生不均匀下沉，一些部位由此产生拉应力。当其超出混凝土抗拉强度时，池体将会开裂。

1.4 施工问题引起的开裂

由施工问题导致的混凝土水池开裂现象屡见不鲜，以下分析一些常见施工问题。首先是混凝土的材料问题。水泥作为主要的粘合剂，其用量、品种至关重要，混凝土骨料的级配、含泥量等也有重要影响。当这些不满足规范要求时，极易造成混凝土强度不高，容易开裂。在制配混凝土时，掺入的引气剂、膨胀剂等要适量。否则不仅无法改善混凝土性能，还会引发离析、泌水和脆化现象。某些工地没有合理安排施工进度，造成混凝土搅拌车过早入场，等待期间混凝土出现了分层现象，影响浇筑质量。其次是混凝土浇筑过程中，未按规范要求操作。振捣时间过短、漏振，造成混凝土不密实，内部存在孔洞甚至连成缝隙。振捣时间过长，出现砂石与水泥浆分离现象，形成砂层，发生泌水，导致混凝土强度降低。水池施工缝、变形缝的施工措施应当额外重视。止水钢板或橡胶带固定不牢，新旧界面处存在松动石块，将造成混凝土局部不连续、咬合力不足，继而产生裂缝、渗漏问题。最后是某些工地为加快进度，在混凝土强度不达标的情况下强行拆除模板，造成构件变形过大，受拉部位产生裂缝。

2 水池裂缝的防治措施

根据前文分析，导致大型混凝土水池开裂的主要原因为温度作用、混凝土收缩、不均匀沉降和施工问题等，那么对应的措施应该是降低水池结构的温度、收缩、不均匀沉降等引起的应力，增强结构的抗拉强度和整体刚度，采取可靠方案降低施工影响等。国内对此已有较多研究，如王铁梦先生立足于大量工程实例，针对混凝土的温度、收缩应力，提出了裂缝控制的“抗”、“放”原则。基于相关理论和文献研究，借鉴工程经验，建议措施如下。

2.1 采取放、抗措施，控制温度、收缩影响

在大型水池的设计中，首先可以通过设置后浇带和伸缩缝来释放温度应力，减小混凝土收缩影响。后浇带一般宽1m，通常在两侧混凝土浇筑42d后，采用微膨胀混凝土浇筑，以充分降低前期收缩影响。需要注意的是采用后浇带、伸缩缝等存在工期长、节点弱等问题。其次，可以通过采用膨胀加强带、预应力、增配钢筋和添加膨胀纤维剂等方式，增强混凝土抵抗变形应力的能力。膨胀加强带的工作原理是添加膨胀剂的混凝土发生化学膨胀，对周边混凝土产生预压应力，以抵消收缩影响，达到控制裂缝的目的。为保证膨胀效果，膨胀加强带一般宽2m，比后浇带更宽，采用钢丝网与两侧混凝土分隔，有后浇式、间歇式和连续式等形式。其中后浇式膨胀加强带结合了后浇带“放”与膨胀加强带“抗”的特点，一般在两侧混凝土浇筑14d后施工。预应力水池的预压应力一般通过设置无粘结预应筋来施加，借此实现超长水池结构的不设缝。考虑底板长期处于水、土中，温度变化小，受地基土影响内力情况较为复杂，可采用普通混凝土结构。壁板常常暴露于空气中，温度变化大，适合采用预应力结构，以充分利用混凝土的抗压强度。池壁所受的内侧水压、外侧水土压力等情况多变，故一般将预应力筋设置在壁板中心，不考虑其对上述荷载的作用。需要注意的是采用预应力结构的水池，经常会遇到普通混凝土和预应力混凝土的衔接、施工技术和锚具维护等问题。在变形缝划分的水池区格内进行裂缝验算后，水平钢筋的配置宜采用“细而密”的原则，间距不宜大于150mm，配筋率不宜小于0.4%。再次，在确定混凝土材料方案时，宜选用低热硅酸盐水泥，降低水泥用量，明确骨料级配、含泥量和外加剂要求，以有效降低温度、收缩影响。最后，可以通过在水池底部设置砂层、油毡或塑料薄膜等易滑动层来减小地基土的约束作用。在温差较大地区，可以在水池外侧增加保温层来降低温差，减小温度应力。

2.2 选择合理基础形式和池体布局，减小不均匀沉降

在水池设计中，首先要根据项目地质和单体情况，制定合理的基础方案。遇局部软弱地基，以减小压缩模量差值为目标，可结合抗浮设计选择整体桩基，也可以采用局部换填、复合地基等形式。其次，在满足工艺要求情况下，力求水池体型简单，结构合理，整体性好，区格间受力均匀。必要时可结合变形缝或连通管道将水池分割为若干受力均匀的单元，以减小基底附加应力差值和最终沉降差。最后，水池的基坑设计应做好降、排水方案，减少对下部土体的扰动，沉降计算需考虑坑内土体加固的影响。

2.3 制定合理施工方案，降低不利影响

正式开工前，施工单位应根据图纸，制定合理的施工方案。在预拌混凝土进场前，根据项目进度推算混凝土用量和进场时间，注意满足坍落度试验要求。在混凝土浇筑时，通过在混凝土中埋设水管来降低浇注温度[5]。进行现场监督，控制振捣时间，防治漏振、过振。合理的混凝土振捣应持续至表面泛浆，没有气泡，不再下沉。在施工缝和变形缝施工时，可采用附加短筋、钢丝网等固定止水钢板或橡胶带。注意凿出凹槽，清除浮石，冲洗干净，刷涂水泥浆，避免粗骨料集中和漏振，确保节点处混凝土密实度和界面咬合力。在混凝土浇筑后，应及时覆盖草席、麻袋等，减缓降温速度，缩小内外层间温差。通过对混凝土的潮湿养护，减缓水分流失和收缩。水池混凝土的养护期一般不应少于7d，宜达14d。严格控制上部加载，在试块未达规范规定的拆模强度前，严禁拆除模板和支撑。通过采取以上措施，可以有效减小混凝土结构前期的温度、收缩应力，消除施工引起的薄弱隐患，实现控制水池裂缝的目的。

3 结 语

水池裂缝的产生是温度作用、混凝土收缩、不均匀沉降和施工问题等多种因素共同作用的结果，相应的裂缝控制也是一个把握关键因素、多方协同合作的系统工程。同时各个工程项目及单体因为地质情况、气候条件、处理规模和工艺流程等，都具有自身特点。所以在工程实践中，大型水池的裂缝控制需要因时因地制宜，综合考虑多方因素，有效结合多种措施，以确保水池的正常使用，实现项目的稳定运行。