南水北调中线惠南庄泵站副厂房地下剪力墙裂缝分析与处理

裴松伟,姚贤华

（华北水利水电学院，河南 郑州 450008）

1 工程概况

南水北调中线惠南庄泵站位于北京市房山区大石窝镇惠南庄村东、北拒马河北岸，属一等工程，主要建筑物为Ⅰ级。 该泵站是南水北调中线工程总干渠上北京段实现管涵加压方案、 小流量自流、大流量加压的控制扬水的综合性工程，是南水北调中线工程总干渠上唯一的大型加压泵站，也是南水北调中线工程的标志性建筑物。

惠南庄泵站副厂房长114.6 m，宽16.44 m，地下3层，地上4 层（局部5 层），为框架剪力墙结构。 其中段采用筏板基础，两端框架柱采用独立基础。该厂房底板厚度为1.5 m，地下室北剪力墙总长度为102.6 m，厚度为600 mm。 由于剪力墙外后期要回填，所以中间设有柱子，以提高剪力墙的整体刚度。 惠南庄泵站副厂房工程所用混凝土是强度等级为C30 的微膨胀混凝土。 混凝土施工采用分段分层施工方式。 施工时，中间没有设伸缩缝，只设了两道2 m 长的强度等级为C35 的加强微膨胀混凝土带。 施工完成一段时间后发现，副厂房地下第一、第二层北剪力墙内外侧均出现了多处垂直的竖向裂缝。 裂缝分布的特点是，在剪力墙靠近中部36 m 范围出现裂缝，离左端30.3 m、 右端36.3 m 范围内基本没有出现裂缝，有些裂缝从地下第二层延伸到地下第一层。

为了探究裂缝产生的原因，并评价裂缝对整个结构的承载力和耐久性的影响，对惠南庄泵站工程副厂房地下剪力墙裂缝进行了检测和分析。

2 裂缝测试

2.1 混凝土裂缝深度检测

依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21-2000），应用RS-UT01C 非金属声波检测仪、采用单面平测法测定剪力墙混凝土裂缝深度。 进行检测时，应在裂缝的被测部位，以不同的测距，按跨缝和不跨缝布置测点（布置测点时应避开钢筋的影响）。对检测结果进行分析处理，得出裂缝深度，以判断是不是贯穿性裂缝。

2.2 混凝土裂缝宽度检测

测试裂缝宽度的目的是判断裂缝宽度是否超过规范要求的裂缝宽度。 采用读数显微镜测读混凝土表面的裂缝宽度，读数显微镜的放大倍数是10 倍，精度为0.01 mm。

2.3 裂缝测试结果

惠南庄泵站副厂房地下共3 层，由于地下第三层已经回填，所以本次只检测了地下第一、二层北剪力墙。 在实际检测中，对裂缝长度较长，且裂缝宽度较宽的裂缝进行了重点检测。

根据现行的混凝土结构规范，地下室外剪力墙最大裂缝宽度允许值为0.20 mm[1]。 此次检测的裂缝宽度均大于0.20 mm，裂缝深度大于钢筋保护层厚度40 mm，裂缝均为垂直方向的裂缝，检测没有发现贯穿性裂缝。

3 裂缝产生的原因分析

3.1 微膨胀混凝土和加强微膨胀混凝土带起不到后浇带的作用

根据南水北调惠南庄泵站工程副厂房的布置特点，采用膨胀混凝土布置超长结构设计和无缝连续施工技术。 混凝土采用的是强度等级为C30 的微膨胀混凝土，剪力墙中间设了两道2 m 长、强度等级为C35 的加强微膨胀混凝土带。 微膨胀混凝土就是在混凝土中掺加适量的膨胀剂。 膨胀剂与水泥的化学反应使混凝土产生适量膨胀，在钢筋的限制下，在混凝土中产生一定的预压应力，可抵消混凝土收缩时产生的拉应力，防止混凝土的开裂。 同时，水化反应生成的钙钒石晶体属针状、棒状晶体，可填充、切断、堵塞混凝土的毛细孔，使混凝土的抗渗能力大大提高，从而达到混凝土结构自防水的目的[2]。 但是，微膨胀剂的作用性质属化学反应，水泥含碱量及微膨胀剂含硫量都会直接影响使用效果。 所以，混凝土对膨胀剂的掺量和配合比设计要求严格，膨胀剂与水泥、细骨料、粗骨料拌和均匀度要求高，对施工人员素质和施工环境要求也比较高。 特别是对混凝土早期养护要求十分严格，在施工与养护期间，任何一个环节出现问题，都可能导致混凝土的开裂[3]。

该工程为了减少施工步骤，缩短施工工期，剪力墙中间设有两道长度为2 m、强度等级为C35、与剪力墙同时浇筑的加强微膨胀混凝土带。 依据混凝土结构设计规范，对于地下室墙壁，应每隔30 m 设置一道伸缩缝，通常是设置后浇带，即先浇筑混凝土，当混凝土收缩变形趋于相对稳定时，再浇筑后浇带部位的混凝土，从而避免因温度应力和收缩应力而出现裂缝。 由于副厂房地下剪力墙的长度远远超过了设计规范允许的伸缩缝最大距离限值，作用于结构上的温度应力和混凝土在硬化过程中的收缩应力必然很大。 膨胀混凝土所产生的膨胀应力不足以抵消以上应力，导致混凝土出现裂缝。 因此，微膨胀混凝土和加强膨胀带代替后浇带的做法还有待进一步研究。

3.2 底板混凝土对剪力墙约束的影响

副厂房底板是一块114.60 m ×16.44 m×1.50 m(长×宽×厚)的大体积混凝土，其刚度相当大。 当浇筑剪力墙时，混凝土的龄期和底板混凝土的龄期不一样，导致底板混凝土和剪力墙混凝土的强度和弹性模量早期差别比较大。 由于底板与剪力墙浇筑成一个整体，特别是早期两者在强度和弹性模量上有很大差异，当温度应力作用产生应变时，它们的变形难以协调一致。 剪力墙受到底板的强力约束，不能自由伸缩，而产生垂直与底板的裂缝。 这也是这次发现的地下剪力墙的裂缝均为垂直走向裂缝的原因。 因此，尽量缩短底板混凝土和剪力墙混凝土浇筑的时间间隔是必要的。

4 裂缝的定性及处理措施

4.1 裂缝的定性

地下剪力墙产生裂缝的原因是多方面的。 根据分析，该工程剪力墙产生收缩裂缝的主要原因是微膨胀混凝土与加强微膨胀混凝土带起不到后浇带的作用和底板混凝土对剪力墙约束的影响。 该裂缝不是荷载型的裂缝；经过长期观测，也不是发展型裂缝[4]。 于是，剪力墙裂缝对副厂房的承载能力及安全性的影响可以忽略不计。 但是，它对副厂房的防水抗渗性和耐久性影响很大。 所以，必须对副厂房地下剪力墙裂缝进行工程处理。

4.2 裂缝的处理措施

惠南庄泵站运营期间，副厂房地下第一、二层为控制室，里面有精密的仪器和设备，所以对地下第一、二层剪力墙的防水抗渗性有严格的要求。 对剪力墙裂缝的处理措施是采用涂刷水泥基渗透结晶型防水材料的表面封闭法修补混凝土出现的裂缝。

水泥基渗透结晶型防水材料是一种含有活性化合物的水泥基粉状防水材料，由硅酸盐水泥、硅沙和多种特殊的活性化学物质组成[5]。 涂刷水泥基渗透结晶型防水材料修补裂缝的工作原理是，利用混凝土本身固有的化学特性及多孔性，以水做载体，借助渗透作用，在混凝土微孔及毛细管中传输、充盈，催化混凝土内的微粒和未完全水化的成分，再次发生水化反应，形成不溶性的枝蔓状结晶，并与混凝土结合成为整体，从而使任何方向来的水及其他液体被堵塞，达到永久性的防水、防潮、防止二氧化碳气体侵入和保护钢筋、 增强混凝土结构强度的效果。

5 结语

惠南庄泵站副厂房地下第一、二层剪力墙裂缝修补后，经过4 年多的使用和跟踪观察，未发现裂缝继续发展和剪力墙出现渗漏的情况。 这说明，该工程采用涂刷水泥基渗透结晶型防水材料的表面封闭法修补混凝土裂缝的方法是恰当的。

[1] GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].

[2] 史文彪，王 雷，龚俊伟.惠南庄泵站混凝土工程关键技术综述[J]. 南水北调与水利科技，2008，6(1):264.

[3] 郑爱武. 钢筋混凝土剪力墙结构防裂分析[J] .水利与建筑工程学报,2006,4(3):45.

[4] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]. 北京：中国建筑工业出版社,1997.

[5] GB 18445-2001，水泥基渗透结晶型防水材料[S].