水利工程論文-水閘閘墩裂縫成因及防治措施.doc

水利工程論文-水閘閘墩裂縫成因及防治措施摘要：分析水閘閘墩裂縫成因,主要是由于墩體內(nèi)外溫差、混凝土的干縮、自生體積變形和外部約束引起的,且各種原因都有一系列的影響因素.針對(duì)這些原因及影響因素,從材料、溫度控制、施工方法與工藝和養(yǎng)護(hù)等方面采取措施,以達(dá)到防止和控制裂縫的效果.關(guān)鍵詞：閘墩裂縫混凝土水閘是平原地區(qū)常見(jiàn)的主要水工建筑物,閘墩部位易出現(xiàn)裂縫的問(wèn)題,長(zhǎng)期以來(lái)困擾著工程界,一直未能得到很好的解決.閘墩裂縫的出現(xiàn)給水閘工程帶來(lái)了多方面不同程度的危害,也越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界的重視.在文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,本文針對(duì)這一現(xiàn)象的成因及其防治措施進(jìn)行了概括性的分析和述評(píng).1工程現(xiàn)狀水閘主要由底板和閘墩組成,是呈倒T字形“墻CD*2板”式水工混凝土結(jié)構(gòu).閘墩底部受閘底板約束,上部可以自由伸縮.閘墩裂縫近豎直向,兩端小,中間大,呈棗核形.裂縫向上開(kāi)展,位于墩墻中部區(qū)域,一般略超過(guò)墩高的一半,是“上不著頂”；下部距底板1030cm,是“下不著底”,常常為貫穿性裂縫，見(jiàn)圖1.在已建和新建的眾多水閘工程中,很多在閘墩上出現(xiàn)了裂縫,比如在北京永定河閘、北京小清河閘、湖北荊江分洪北閘、江蘇三河閘等工程中,閘墩上都出現(xiàn)了不同程度的裂縫.新建的石梁河新泄洪閘,位于江蘇省連云港市贛榆、東海兩縣交界處的新沭河中游,是石梁河水庫(kù)樞紐工程的建筑物之一.施工時(shí)混凝土泵送澆筑,底板混凝土澆筑3個(gè)多月后澆筑閘墩.閘墩分22層澆筑,層厚4060cm,層間間歇約4h.新閘建成后,在中間全部9個(gè)閘墩和1個(gè)邊墩都出現(xiàn)了貫穿性裂縫1.水閘閘墩裂縫的廣泛存在并不表明這樣的問(wèn)題是可以忽略的或任其發(fā)展的，正好說(shuō)明了其突出性.裂縫的預(yù)防和控制是一個(gè)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域、不易解決、需深入研究的綜合性問(wèn)題.閘墩裂縫的出現(xiàn)和存在,勢(shì)必會(huì)對(duì)其整體性、安全性帶來(lái)不利的影響.并且由于混凝土開(kāi)裂后會(huì)發(fā)生碳化等化學(xué)反應(yīng),影響其耐久性.作為水工建筑物,其抗?jié)B性也會(huì)受到不利的影響,由此會(huì)產(chǎn)生溶蝕破壞作用.對(duì)于邊墩,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)透過(guò)裂縫而發(fā)生滲透變形的嚴(yán)重現(xiàn)象.裂縫出現(xiàn)后進(jìn)行修補(bǔ)，又增加了工程的維修費(fèi)用.另外,出現(xiàn)裂縫還影響了建筑物的美觀,給人們帶來(lái)視覺(jué)上的不良效果和心理上的不安全感.2研究現(xiàn)狀目前在對(duì)待混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題上,一般是允許出現(xiàn)裂縫,而對(duì)其寬度進(jìn)行一定的限制，不同國(guó)家和地區(qū)對(duì)不同使用環(huán)境和要求下的混凝土建筑物的裂縫寬度有不同的控制標(biāo)準(zhǔn).我國(guó)GBJ1089混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定允許裂縫寬為0.20.3mm,美國(guó)AGI規(guī)定為0.108mm,法國(guó)規(guī)定為0.27mm,加拿大規(guī)定為0.064mm2.另外,王鐵夢(mèng)教授在對(duì)待裂縫問(wèn)題上提出“抗”與“放”的兩種方法3，4.變形變化引起的約束應(yīng)力首先要求結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境能給結(jié)構(gòu)以變形的機(jī)會(huì),即變形得到滿足,則不會(huì)產(chǎn)生約束應(yīng)力.在全自由狀態(tài)下,如以空間應(yīng)力CD*2應(yīng)變關(guān)系為例,有：此狀態(tài)下結(jié)構(gòu)可以有任意長(zhǎng)度、任意溫差不產(chǎn)生約束應(yīng)力.因此給結(jié)構(gòu)創(chuàng)造自由變形的條件就是控制裂縫的“放”原則.在實(shí)際工程中,全自由的理想狀態(tài)不易做到,但是,可以采用“抗放兼施,以放為主”的設(shè)計(jì)原則,減少約束,釋放大部分變形,使出現(xiàn)較低的約束應(yīng)力；當(dāng)結(jié)構(gòu)處于全約束狀態(tài),仍以空間問(wèn)題為例，有：式(1)和式(2)中，為正應(yīng)變；為剪應(yīng)變；為剪應(yīng)力；E為彈性模量；為線膨脹系數(shù)；為側(cè)向變形系數(shù)；T為各點(diǎn)承受的溫差.此時(shí)有最大約束應(yīng)力并與長(zhǎng)度無(wú)關(guān),只要材料的強(qiáng)度能超過(guò)最大約束應(yīng)力,即Rmax,或者材料的極限拉伸大于最大約束拉伸變形,即pmax,則任意長(zhǎng)度不設(shè)伸縮縫亦不開(kāi)裂,只須所選用的結(jié)構(gòu)材料具有足夠的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸.該設(shè)計(jì)原則稱為控制裂縫的“抗”原則.一般說(shuō)來(lái),采取“抗”的方法,必須有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備；采取“放”的方法,必須有充分的變形余地.現(xiàn)在一般認(rèn)為,混凝土建筑物不出現(xiàn)裂縫是不可能的或是很難的.防止裂縫出現(xiàn),在材料、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)等方面均有一定的研究,但還不夠完善或效果不是十分明顯.在水工結(jié)構(gòu)工程中,因水的存在,以“抗”為主,力求工程各部位都不裂.3成因機(jī)理為了更好地控制裂縫和采取有效措施對(duì)裂縫進(jìn)行預(yù)防,必須對(duì)裂縫的成因機(jī)理進(jìn)行全面的分析.大量的工程實(shí)踐證明,閘墩裂縫的產(chǎn)生主要與墩體內(nèi)外溫差、混凝土的干縮、自生體積變形、外部約束等有關(guān),通常是多因素綜合作用的結(jié)果.3.1墩體內(nèi)外溫差水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱,在13d內(nèi)可放出熱量的50,甚至更多,當(dāng)混凝土達(dá)到最高溫度后隨著熱量的散發(fā)又開(kāi)始降溫,直到與環(huán)境溫度相同.圖2為混凝土澆筑后溫度變化過(guò)程圖(圖中，Tp為入倉(cāng)溫度；Tr為溫升值；Tf為穩(wěn)定T為最高溫度和穩(wěn)定溫度升高值(基礎(chǔ)溫差).閘墩作為大體積混凝土,熱量傳遞的同時(shí)更易在內(nèi)部積存,導(dǎo)致了內(nèi)部溫度高于外部溫度,內(nèi)部出現(xiàn)峰值溫度5.升溫階段結(jié)束后,是散熱階段.內(nèi)外混凝土散熱條件不同,外部混凝土和外界環(huán)境接觸,散熱條件好,熱量容易散發(fā),內(nèi)部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成了外部混凝土溫度低于內(nèi)部混凝土溫度.這樣在升溫和降溫階段都使閘墩內(nèi)外混凝土形成了同一方向的溫度梯度,導(dǎo)致了其變形的不一致.內(nèi)部膨脹受到外部的限制，或相應(yīng)地外部收縮受到內(nèi)部約束,于是在外部混凝土中產(chǎn)生了拉應(yīng)力.當(dāng)外部混凝土拉應(yīng)變達(dá)到其極限拉應(yīng)變,裂縫就由此產(chǎn)生.裂縫初期很細(xì),隨著時(shí)間發(fā)展繼續(xù)擴(kuò)大、變深,甚至貫穿.除了混凝土水化引起的溫度作用外，運(yùn)行期環(huán)境溫度變化也會(huì)產(chǎn)生作用.特別是遇到寒潮襲擊、表面溫降特別大時(shí),裂縫發(fā)展更為嚴(yán)重.從以上分析可以看出,影響內(nèi)外溫差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品種、澆筑入模溫度及環(huán)境溫度等.3.2混凝土的干縮混凝土內(nèi)的水分,少部分提供了水泥水化的需要,少部分泌出流失,大部分水分是在澆搗完畢后慢慢蒸發(fā)掉的.隨著水泥的凝結(jié)、硬化,混凝土中的水分在未飽和空氣中慢慢散失,引起混凝土體積縮小、變形,這種變形稱為干縮6.由于混凝土的水分蒸發(fā)及含濕量的不均勻分布,形成濕度變化梯度.其水分蒸發(fā)總是從外向內(nèi),由表及里.表層混凝土的水分蒸發(fā)程度和速度總是大于內(nèi)部,表層混凝土收縮的程度亦大,其變形會(huì)受到內(nèi)部混凝土的限制,在表層混凝土中也產(chǎn)生拉應(yīng)力,使得表層混凝土總的拉應(yīng)力加大,產(chǎn)生干縮裂縫.但干縮一般只發(fā)生在表層,對(duì)大體積混凝土而言,干縮擴(kuò)散深度達(dá)6cm需花1個(gè)月的時(shí)間,故干縮裂縫也只是表面裂縫或開(kāi)展深度不大.大體積混凝土內(nèi)部一般不存在干縮問(wèn)題,但表面干縮不容忽視,它會(huì)誘導(dǎo)拉裂縫的產(chǎn)生.閘墩屬水工薄壁結(jié)構(gòu),其影響深度及程度相對(duì)較大,尤其是在干熱風(fēng)大季節(jié),如不及時(shí)處理和養(yǎng)護(hù),將會(huì)發(fā)生局部貫穿性裂縫.混凝土的配合比和組成是影響干縮的主要因素.一般水泥用量多,水灰比大,則干縮也大.骨料密度大,級(jí)配好,彈性模量高,骨料粒徑大,可以減小混凝土的干縮7.其次,混凝土的養(yǎng)護(hù)和環(huán)境對(duì)干縮也有很大的影響8.3.3自生體積變形混凝土即使沒(méi)有水分蒸發(fā),其各組成部分的化學(xué)反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生自生體積變形.在底板約束影響范圍內(nèi),膨脹型自生體積變形會(huì)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力,有利于防裂；收縮型自生體積變形則不利于防裂.普通混凝土的自生體積變形通常為收縮型的.它也是由于水分的遷移而引起的.但不是向外蒸發(fā)損失,而是由于水泥水化時(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降,形成彎月面,水泥石供水不足,產(chǎn)生所謂的自干燥作用,使混凝土體相對(duì)濕度降低,體積減小9，10.混凝土的自生收縮一般在拆模之前完成,雖然其量值不大,但如果同其他收縮疊加在一起,就會(huì)使表面拉應(yīng)力增大.像水閘閘墩這樣的斷面尺寸不是很大,但確屬必須解決水化熱問(wèn)題的大體積混凝土結(jié)構(gòu),必須考慮自生收縮參與溫度收縮等疊加的影響.影響混凝土自生體積收縮的因素主要是材料的化學(xué)成分和水灰比.水灰比的變化對(duì)自生收縮的影響和對(duì)干縮的影響正好相反.當(dāng)水灰比大于0.5時(shí),其自生收縮和干縮相比忽略不計(jì).而當(dāng)水灰比小于035時(shí),自生收縮和干縮的作用相當(dāng),必須加以考慮10.3.4外部約束閘墩是底部固結(jié)在底板上,上部自由的結(jié)構(gòu).通常是在底板澆筑完間隔一定時(shí)間后才開(kāi)始澆筑閘墩,此時(shí)底板混凝土已經(jīng)固結(jié),是“老混凝土”.閘墩在沿其高度方向可以自由伸縮,不受約束；厚度方向由于閘墩厚度不大,約束很??；而在沿水流方向,則受底板約束相對(duì)很大.閘墩混凝土澆筑早期,產(chǎn)生大量水化熱,溫度升高,體積膨脹,受到底板約束,產(chǎn)生壓應(yīng)力.但混凝土澆筑早期,彈性模量低,產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小.隨著熱量的散發(fā),混凝土開(kāi)始降溫,加上干縮、自生體積變形等影響,體積開(kāi)始收縮,同樣受到底板約束,產(chǎn)生拉應(yīng)力.但此時(shí)混凝土彈性模量已增大很多,產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以很快抵消早期產(chǎn)生的壓應(yīng)力,并進(jìn)而出現(xiàn)較大的凈拉應(yīng)力.由于沿水流方向受到的約束最大,則該方向的拉應(yīng)力也最大,此時(shí)混凝土齡期短,強(qiáng)度低,產(chǎn)生的拉應(yīng)力易超過(guò)其抗拉強(qiáng)度,于是在閘墩