探讨船闸工程混凝土基础的施工方法

吴剑峰

摘要：本文阐述了船闸工程混凝土的结构特点和施工难点，从设计，材料，施工工艺的优化等方面提出了系统合理的船闸工程裂缝控制措施，保证了施工强度和质量，探讨对类似的工程或同行带来一些参考及借鉴。

关键词：船闸工程；混凝土；施工技术

1引言

船闸工程是水运工程建设的重要内容之一，也是水运工程建设中的难点之一。在船闸工程施工过程中，大体积混凝土结构是船闸工程的一种更为广泛使用的结构形式。船闸工程所采用的大体积混凝土结构也给船闸工程的建设带来了很大困难。混凝土裂缝是船闸项目中使用的大体积混凝土结构的一个常见缺陷，造成造船项目裂缝的原因众多。为确保船闸工程的施工质量，对大体积混凝土施工应采取有针对性的措施，控制裂缝等缺陷。

2船闸工程混凝土裂缝原因

船闸项目中大体积混凝土和混凝土墙结构的裂缝非常普遍，目前，在船闸混凝土的设计和施工中，似乎出现更多的裂缝来控制混凝土裂缝，并且具有一定的通用性[1]。

2.1船闸结构特征

船闸工程的闸门和闸室一般由钢筋混凝土底板和侧墩组成，混凝土具有较低的配筋率和较大的构件尺寸。在国家标准中，大体积混凝土是指大量混凝土尺寸超过1米的大量混凝土。输水通道是船闸土木工程中最重要的部分，结构非常复杂并且尺寸很大，它是一个典型的非均质大体积混凝土结构，约束也更复杂。

根据我国船闸验收阶段的裂缝统计结果，船闸的大體积混凝土构件，如配水廊道顶部及侧墙，大门一楼，侧面码头，大门的底板，房间的墙壁和门槛，都有不同程度的倾向。裂缝的面积和裂缝的数量已成为船闸建造中的主要常见问题之一。防止大体积混凝土开裂和防止混凝土内钢筋腐蚀对于保证船闸项目的寿命至关重要。

2.2船闸工程混凝土裂缝原因

导致大体积混凝土开裂的主要因素是水化热，温差，混凝土收缩，约束等。裂缝是混凝土结构中常见的现象，不同部位的裂纹成因不同，如材料，设计，施工等原因[2]。

造成船闸工程混凝土结构裂缝的主要原因如下：

（1）结构配筋不足。在闸室中，闸墙一般为宽高的薄壁构件，在墙上，需要诸如船舶通道和系泊钩之类的构件。尽管施工缝沿长度方向布置，但由于设计要求，混凝土保护层较厚。虽然钢筋满足力的要求，但在设计阶段有时缺乏施工钢筋的控制裂缝的行为，导致部分区域出现混凝土裂缝。

（2）混凝土配合比不当。在一些船闸中，使用泵送混凝土，混凝土过度坍塌，大量水泥导致混凝土水化热高，混凝土收缩率高，配料不合理等，导致大体积混凝土结构出现裂缝。

（3）浇筑工艺不当。一些需要分层浇注的大体积混凝土结构，如果浇注速度太快，下层混凝土可能会在硬化的初始阶段沉降，导致水平裂缝。也可能是因为底层混凝土浇筑后长时间浇注混凝土层时，底部的混凝土约束很容易导致混凝土上层的纵向约束裂缝。

（4）混凝土温度收缩。浇注大体积混凝土后，水泥的水化热量会增加混凝土内部的温度。夏季中心最高温度可达70℃以上，中心温度缓慢下降，表面冷却速度加快，混凝土中心和表面产生更大的温度梯度引起混凝土表面收缩应力大于混凝土的抗拉强度，则可能发生可见的温度差收缩裂纹。

（5）混凝土塑性收缩。在混凝土初始凝固之前，水分蒸发，内部水分不断迁移到表面，混凝土的体积在塑性阶段收缩，并且在混凝土的内部水分迁移到表面以不供应蒸发的情况下，混凝土表面被内部混凝土脱水干燥收缩，表面上出现不规则的塑料收缩裂缝。

（6）地基不均匀沉陷。船闸底板的裂缝有时是由地基沉降不均匀引起的，施工和运营阶段的静载荷和动载荷可能会导致裂缝的发展。

3.船闸工程混凝土裂缝控制措施

在总结以往工程经验的基础上，从设计，材料，施工工艺优化等方面提出了系统合理的船闸工程裂缝防治措施，取得了良好的防裂效果。

3.1 设计优化措施

结构设计对混凝土结构的抗裂性往往被忽略，这导致许多结构具有先天性缺陷，仅仅依靠材料和施工来控制混凝土结构中的裂缝不仅在技术上是困难和昂贵的，其最终的效果也常常不尽如人意。设计优化措施包括优化结构加固、合理分缝、优化冷却水管等。

3.1.1优化构造配筋

利用前苏联学者李斯里经验公式计算配筋对混凝土极限拉伸的影响[3]：

式中：εpa为配筋后混凝土的极限拉伸相对变形；Rf为混凝土标准抗拉强度（MPa）；p为截面配筋率，；d为钢筋直径（mm）。

该公式表明，增加配筋率和减小钢筋直径可以提高混凝土的极限拉应变值，从而降低混凝土的开裂风险。在满足结构应力的前提下，通过改变结构钢的配筋率，直径，间距和堆垛层数来提高钢筋对裂缝的控制能力。

3.1.2 合理分缝

合理分缝可有效降低混凝土内部拉应力，控制混凝土裂缝。以某一北江船闸为例，船闸室底板尺寸为240m×34.2m，沿船闸轴线船闸每隔15m设一个伸缩缝，地板分为16块，每块尺寸为15m×34.2m，单件长度过长导致底板产生了更多与船闸轴线平行的裂缝。船闸的底部中心沿船闸轴线方向增加一个2米宽的施工缝，原来的15米施工缝的方案不变，相当于底板分为32块，每块大小为15m×16.1m。在优化之前和之后分缝见图1，优化后的底板混凝土裂缝控制良好。

3.1.3 优化底板冷却水管

一般来说，冷却水管道只能冷却30-50厘米范围内的混凝土。根据经验，在没有冷却水管的情况下，表面70厘米的混凝土的温度相对较低。根据以上分析，由于中心温度不能有效降低，上部冷却水管的位置向下移动30cm，底部冷却水管的位置保持不变，并且两个冷却水管之间的距离 从1.3米调整到1米。有限元分析后的冷却管调整，中心点在0～720h内的温度变化见图2。中心点的最高温度为67°C，最高温度仅下降约2°C。 浇注10天，20天和30天后的中心点温度分别为47.9°C，35.2°C和30.2°C。安装冷却水管后，尽管中心点的最高温度只降低了2°C，但浇注10天后中心点的温度降低达到了10°C，可以有效降低早期温度裂缝。

通过调整上部冷却水管的位置，而不增加冷却水管的总长度，中心点的最高温度与每个时间段之间的温度差有效地减小，并且内部表面的温度差为有效控制，充分发挥冷却水管的防裂效果。

3.2混凝土材料优化措施

混凝土的质量与裂缝的发展密切相关，混凝土水化热的温升，收缩，拉伸强度等指标是影响混凝土抗裂性的关键指标。施工前先进行混凝土配合比的优化，以减少胶凝材料和水泥的用量，每立方米混凝土减少38公斤水泥。 通过优化骨料的粒度分布和颗粒形状，粘土量减少，砂率降低。对33%的混凝土，制定了水化热低，收缩率低的混凝土，提高了混凝土的抗裂性能，并实现了更好的控制裂缝。

3.3施工优化措施

3.3.1 分层优化措施

下闸首底板被2条施工宽缝分割成3块，中間一块平面尺寸为15.2m×29m，底板的厚度为3m，需要在底板上浇注1m的门槛。 第一个施工过程是首先浇注3米厚的地板，然后在底板上浇筑连接梁和门槛，见图3a）。后期发现，连接梁和门槛上出现了较多规则裂缝。通过有限元模拟，分析了分层浇注和全断面浇注的内部约束应力和外部约束应力，并在后面进行了全断面浇注，见图3b）。

通过计算，在分层浇注过程中，门槛自限应力抗裂的安全系数较大，满足规范要求的大于1.15，但外部约束应力抗裂安全系数仅为0.63，并且阈值产生穿透的外部约束应力开裂，风险非常高。在实际工程中，船闸在浇筑后一个月左右出现大量渗透裂缝。在全断面浇筑过程中，虽然混凝土的内表面温差增大，但自约束应力的抗裂安全系数仍满足规范要求，且由于基本阻尼系数大大降低，外约束应力抗裂安全系数达到1.80，耐开裂性强。在船闸建造中，门槛变为全断面浇筑，见图3b）。混凝土裂缝得到很好的控制，并且浇筑了5个月的门槛，没有发现裂缝。

3.3.2分层浇筑时间间隔控制

在许多工程中，由于分层浇筑间隔较长，底层混凝土导致上层混凝土出现贯穿裂缝。在船闸闸室施工过程中，考虑到施工便利性，闸门墙一般都是一个一个浇注而成，不同层间的间隔达到一个月甚至几个月，导致门墙上的垂直裂纹约束更多。在后期阶段，分块浇筑，每个房间首先浇注地板，然后分层，浇完整段浇口后，浇下一段浇口，间隔时间控制在10天左右。满足《船闸工程施工规范》[4]的规定，闸墙混凝土裂缝得到了有效控制。

4 结束语

（1）船闸项目的裂缝控制涉及设计，材料和施工。通过调整钢筋和钢筋直径，建设宽缝，调整冷却水管，优化混凝土配合比，减少水平施工缝，控制分层浇筑的时间间隔，有效控制船闸混凝土裂缝。

（2）在有条件情况下，使用全截面铸造技术来减少水平分层常常能够显著降低外部约束应力，并更好地控制外部约束应力裂缝。

参考文献：

[1]浙江省交通规划设计研究院.钱塘江中上游衢江（ 衢州段） 航运开发工程安仁铺枢纽及船闸施工图设计[R].杭州： 浙江省交通规划设计研究院，2012.

[2]辛彦青，李振声，刘春俊.船闸混凝土温度裂缝的经验教训[J].水运工程，2015（8） ： 78-80.

[3]王铁梦.工程结构裂缝控制“抗与放”的设计原则及其在“跳仓法”施工中的应用[M].北京： 中国建筑工业出版社，2014.

[4]中交第二航务工程局有限公司.船闸工程施工规范：JTS 218—2014[S].北京： 人民交通出版社，2014.