试析泵站施工期裂缝成因及防治措施

孙亚军

【摘 要】笔者结合自己的工作实际，简要分析了泵站施工期开裂的原因，并针对裂缝的成因提出相应的防治方法。

【关键词】泵站；施工期；混凝土；防治措施；结构开裂

0.前言

在众多泵站的施工、运行管理过程中，泵站结构频繁出现了开裂的现象，成为一直困扰工程界的“疑难杂症”之一。裂缝的出现不仅降低了结构的抗渗性能，还加速了混凝土的碳化以及钢筋的锈蚀，对泵站的结构安全产生了不利影响，因此，结构开裂成为泵站设计、施工、运行管理中亟待解决的关键技术问题之一。泵站结构中时常开裂的部位包括底板、流道、挡水墙以及电机大梁等，其中尤以在底板和流道发现的裂缝居多。本文基于混凝土温度场和应力场的基本理论[1]，对泵站底板和流道结构施工期开裂的主要原因进行了初步探究，并根据裂缝的成因以及泵站结构的具体特点提出相应的温控方法，供相关工程参考应用。

1.施工期裂缝成因分析

1.1底板裂缝成因分析

底板浇筑后，水泥、粉煤灰等与水发生剧烈的水化反应，释放出大量的热量。混凝土导热性能较差，大量的水化热量积贮底板中心，底板内部温度升高幅度较大；而底板的四周、顶面以及底面分别与大气和地基接触，通过热对流和热传导散出部分水化热量，温度升高幅度有限。与升温幅度对应，底板内部热膨胀变形较大，表面热膨胀变形较小，内部混凝土的热膨胀变形受到表层混凝土的约束，因此，底板表面出现拉应力，而内部则出现压应力。考虑到混凝土早期抗裂强度性能有限，混凝土底板早期存在表面开裂的可能。这种类型的裂缝在一般出现在低温季节浇筑的底板表面的中部，出现时间一般在混凝土浇筑后7天内，裂缝方向与底板的长边方向垂直，且以表面浅层裂缝为主。

后期，底板混凝土温度逐渐下降，产生温缩变形，温缩变形受地基的约束因而在底板中产生拉应力。考虑到底板中心降温幅度大于表面，因此，后期底板中心的拉应力较大，一旦开裂，裂缝将从内部向表面扩展。后期一旦在底板表面发现裂缝，一般已经贯穿整块底板，对结构安全的危害性较大。

1.2流道裂缝成因分析

与底板相似，流道结构早期也呈现出“内热外冷”的分布规律，混凝土表面拉应力较大，很有可能从表面开裂。早期发现的裂缝一般出现在厚度较大的墩墙部位，结构越厚，内外温差越大，混凝土开裂的可能性相应增大。在后期，流道结构的温缩变形受到了前期浇筑的混凝土底板的强约束作用，结构中出现了较大的拉应力。与上述底板后期开裂的基理相同，流道后期一旦发现裂缝，一般已是贯穿性裂缝，对结构安全的影响较大。底板与流道浇筑时间的间隔越长，后期底板对流道的约束作用越强，后期开裂的可能性越大。

2.泵站温控防裂对策

笔者将根据裂缝的成因及泵站具体的特点从设计优化和施工控制这两个不同的角度阐述这两个关键部位施工期的温控防裂方法。

2.1设计优化

2.1.1优选混凝土

在结构设计中，应根据泵站各个部位承受荷载的实际情况合理地确定混凝土的强度等级。在混凝土各项物理性能可以满足工程要求的前提下，应尽可能降低混凝土的强度等级，尤其是内部大体积混凝土的强度等级。混凝土的强度等级越高，水泥的用量必然越大，水化热量相应增加，早期的内外温差和后期的降温幅度随之增大，混凝土前、后期开裂的风险均有所增加。除了设法降低混凝土的强度等级外，选择中热或低热水泥、选择低热膨胀性的骨料、掺入减水剂、微膨胀剂等外加剂或掺入硅粉、钢纤维以及聚丙烯纤维等均可以提高混凝土的抗裂性能。

2.1.2配筋设计的优化

在对泵站底板、流道等易裂部位配筋时，除了应按结构承载和正常使用的相关要求配置受力钢筋外，还应在混凝土表面适当地增配部分温度钢筋来提高混凝土的抗裂性能，温度钢筋的直径宜控制在10-14mm之间，间距宜控制在100-150mm之间，温度钢筋宜布置在受力钢筋的外侧，与混凝土边缘的距离宜控制在25-30mm左右。在表面增配温度钢筋后，混凝土早期表面开裂的风险相应减小，但这种钢筋对后期的贯穿性裂缝限裂作用不大。

2.1.3利用抛石混凝土或浆砌石代替部分混凝土

在进行底板或墩墙等大体积混凝土结构的设计时，可利用抛石混凝土或浆砌石代替部分混凝土。此举不仅可以有效地控制混凝土中的水泥用量，进而降低混凝土的水化热量，相应减小早期的内外温差和后期的降温幅度，减小混凝土结构开裂的风险外，还可以降低工程的投资，但施工过程中限制较多，施工工艺也较为复杂。

2.2施工控制

除了从优化设计的角度考虑泵站施工期的温控防裂外，施工控制也是温控防裂的一个至关重要的环节。

2.2.1合理的分块浇筑混凝土

分块浇筑是指根据泵站结构的具体形式，有计划、有目的地利用临时施工缝将整体结构划分成多个独立的块体进行间隔浇筑。这样施工一方面是受制施工方的于混凝土的生产能力，更重要的是通过合理的分块浇筑，可以有效地控制混凝土早期的内外温差以及基础对上部结构的约束作用，减小混凝土前、后期开裂的风险。常用的分块方式有“后浇带”和“吊空模板”等。

2.2.2降低浇筑温度

混凝土施工过程中应尽量降低浇筑温度。浇筑温度越低，混凝土早期的内外温差和后期的温降幅度也越小，混凝土前、后期开裂的可能性也相应降低。在施工过程中，可以根据施工现场的实际情况来确定具体的降温措施，如地龛取料来降低骨料的温度、加冰或冰水拌合、运输过程中遮阳隔热保温、避开高温季节浇筑等等。

2.2.3表面保温和养护

混凝土早期表面开裂的主要原因是内外温差过大，在混凝土表面覆盖合适的保温材料后，混凝土内外温差相应减小，表面应力状态明显改善，早期表面开裂可能性明显减小。但保温后混凝土后期降温幅度有所加大，因此一味地强调加强表面保温也是不合适的。

2.2.4通水冷却

过去，在混凝土内部布置冷却水管通水冷却一般用于混凝土重力坝或拱坝施工，在水闸、泵站这类水工建筑物中应用得较少。但根据国内相关文献[2，3]，在南水北调工程东线多个已建成的泵站也引进了这项技术，底板和流道施工过程中在混凝土内部布置了冷却水管并通深井水冷却，取得了良好的效果。通水冷却可以有效地带出混凝土内部的水化热量，相应降低混凝土的内外温差和后期的降温幅度，有力地提高了混凝土的抗裂性能。但水管布置形式的确定，水管材质和直径的选择、层距和间距的选择、通水流量和通水时间选择仍处在探索阶段，宜进一步深入研究。

3.总结

本文根据混凝土温度场和应力场的基本理论简要分析了泵站底板和流道结构施工期开裂的主要原因，并从设计优化和施工控制两个方面分别提出了技术可行、经济合理且施工简便的温控防裂方法，供类似工程参考使用。 [科]

【参考文献】

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2]韩仕宾，戴敬秋，陈卫东.浅谈泵站进水流道大体积混凝土裂缝的预防和控制[J].南水北调与水利科技，2008，6（1）：295-297.