灌区水工建筑物混凝土裂缝产生的原因分析及防治措施研究

李国勇

（湖南省双牌水库管理局，湖南 永州 425100）

1 灌区水工建筑物混凝土裂缝产生的主要原因

1.1 案例概述

以湖南省双牌灌区工程为例。双牌灌区设计引用流量25 m3/s，加大流量28.75 m3/s，设计灌溉32.54万亩农田，受益人口近50万人。现有干渠1条，长96 km；支渠19条（含分支渠），总长357.60 km。干渠上主要建筑物有：渡槽12处，隧洞12处，埋管14处，倒虹吸管1处，泄洪闸9处，节制闸7处，支渠分水闸19处，其它附属建筑物400余处。

1.2 灌区水工建筑物现状

1.2.1 渡槽工程

1）由于设计方面的原因，渡槽槽身支座与排架支承结合处，在施工时未设置滑移钢垫板，经多年温度应力作用，导致多处牛腿混凝土开裂、掉块与露筋。

2）渡槽槽身混凝土自然老化严重，尤其是临水面混凝土脱落露筋、开裂以及蜂窝麻面现象普遍。渡槽槽身伸缩缝止水老化破损严重，漏水现象较严重。

1.2.2 隧洞工程

原设计时，因隧洞工程水文地质勘探工作不够详尽，在施工中未考虑排水减压措施，导致冷山、寿塘等5处隧洞出现侧墙裂缝、错位和底板隆起等情况。

已衬砌隧洞的混凝土均出现不同程度的裂纹，部分老化破损。

1.2.3 管涵工程

1）良湾倒虹吸管因施工质量极差，混凝土开裂，渗漏比较严重。

2）埋管均是在工程运行时出现滑坡、垮方之后增设的，属抢修工程，因施工工期短，施工质量得不到保证，同时，在材料和技术水平上都存在不同程度的问题，运行一段时间后，出现变形、侧墙位移、管顶开裂、露筋露石等现象。

综上，混凝土裂缝是双牌灌区水工建筑物的“常发病”和“多发病”。

1.3 裂缝产生的原因

1.3.1 荷载因素

一般来说，由于荷载引发的裂缝，主要类型有：

1）直接应力裂缝。由外荷载造成的直接应力产生的裂缝，多是设计环节的问题，如未计算或者部分漏算、计算模型不合理等；在建筑物施工环节，未遵循设计图纸要求，擅自改变建筑物结构施工的顺序、更改结构受力模式等。

2）次应力裂缝。指的是因为外荷载造成的次生应力产生的裂缝，主要是受外荷载的影响，结构受力假设和实际受力不相符，造成部分位置出现次应力使得结构开裂。多数荷载裂缝的产生都是这个原因。

1.3.2 温度因素

混凝土具有热胀冷缩的特点，如果外部环境或者结构内部温度出现变化，那么混凝土会出现变形，如果变形受到约束，则会造成结构内部出现应力，若应力超过混凝土抗拉强度，那么就会造成温度裂缝。一般来说，引发温度变化的原因包括年度温差、日照强度、温度骤降、水化热等。其中，日照和温度骤降为主要原因。

1.3.3 混凝土收缩

混凝土收缩造成的裂缝比较普遍，主要类型有：

1）塑性收缩。塑性收缩主要发生在施工环节，混凝土浇筑4～5 h，水泥会产生很强烈的水化热反应，造成水分快速蒸发。随着水分的流失，加之骨料因为自重下沉，同时混凝土没有硬化，塑性收缩产生的量级很大，能够达到1%左右。当骨料下沉时，如果遇到钢筋的阻挡，将会形成沿钢筋方向的裂缝。

2）缩水收缩。主要出现在混凝土硬结之后，由于混凝土表层水分损失快，内部水分损失慢，使得表面收缩很大而内部收缩比较小，造成不均匀收缩，表面收缩受到内部混凝土的约束影响，造成表面混凝土承受拉力，如果超出一定的限制则会造成裂缝。

1.3.4 钢筋锈蚀

从水工建筑物裂缝产生的原因分析，钢筋锈蚀是一个重要原因。若混凝土质量很差或者保护层不达标，混凝土保护层受到侵蚀炭化至钢筋表面，造成钢筋表面氧化膜被破坏，从而产生锈蚀。受锈蚀引起体积膨胀等因素影响，钢筋有效截面减少使得钢筋结构承载力弱化，进而引发裂缝。

1.3.5 材料因素

混凝土的材料包括水泥、骨料及拌合水等。若材料配制的参数不达标，也很容易造成结构裂缝。水泥安定性不达标，出厂时的强度未达到要求，水泥受潮或者过期，均会使混凝土的强度无法达到要求，造成混凝土开裂；砂石材料如果粒径很小，或级配不良、空隙率很大，将造成水泥与水的用量增加，影响混凝土的强度，造成混凝土收缩增加；拌合水或者外加剂中氯化物等杂质含量超标，则会给钢筋锈蚀带来可能。上述因素均可导致裂缝的产生。

1.3.6 工艺因素

混凝土结构浇筑、构件制作以及起模等作业全过程，如果不严格控制，都容易造成各类裂缝。主要有下列情况：

1）混凝土保护层过厚，或者施工时踩到已经绑扎的上层钢筋，使受负弯矩的受力筋保护层增加，进而使构件的有效高度减小，最终形成受力钢筋垂直的裂缝。

2）混凝土振捣密实不够，产生蜂窝麻面以及空洞等问题，造成钢筋锈蚀或者其他问题。

3）混凝土浇筑速度过快，并且混凝土流动性很低，在硬化前因为沉实不足，造成硬化后沉实过大，使得浇筑数小时后产生裂缝。

4）混凝土材料搅拌和运输环节出现水分蒸发的问题，造成混凝土坍落度不达标，会产生不规则的收缩裂缝。

5）混凝土初期养护不到位，致使混凝土和大气接触的表面位置出现不规则的收缩裂缝。

6）混凝土分层或者分段浇筑作业时，接头位置未做好妥善处理，很容易使新旧混凝土与施工缝之间产生裂缝。

7）模板刚度不达标，浇筑作业时，受到侧向压力的影响使得模板变形，进而产生裂缝问题。

8）模板拆除的时间过早，混凝土强度不足，造成结构在自重或者施工荷载影响下出现裂缝。

2 灌区水工建筑物混凝土裂缝的防治措施

2.1 混凝土裂缝的预防

2.1.1 设计方案的优化

因外荷载造成的直接应力产生的裂缝，多数是设计环节的问题。因此，从建筑物设计环节入手，在受力和配筋计算时，应充分考虑结构物实际工作状态与常规计算之间可能存在的误差，防止发生结构受力假设和实际受力不相符的情况，防范结构突变的产生。同时，考虑气候因素合理选择混凝土配合比，在容易产生温度裂缝的部位设置一些温度钢筋来进行抗拉，钢筋的保护层厚度在规范允许的范围内尽量选取较小值，以避免保护层过大导致温度裂缝的产生。另外，还可以通过合理设置后浇带和伸缩缝的方法来将大体积混凝土分隔为规则的小块结构，增加混凝土水化热的散热面积，从而避免其内部温度升高过快，减少应力的集中，防止温度裂缝的产生。

2.1.2 材料质量的控制

1）水泥。混凝土水化热的大量释放是导致大体积混凝土产生温度裂缝的主要原因，因此，在浇筑大体积混凝土时，应尽量选择水化热较低的水泥，还可掺加粉煤灰等掺合料，以减少水泥的用量。

2）砂石。粗骨料级配应合理，减小粗骨料空隙率，在满足施工要求的前提下，粗骨料最大粒径尽量增大，以节约水泥，提高混凝土密实度。砂料细度模数控制在2.4以上，含泥量控制在1%以内；针片状碎石含量控制在15%以内，含泥量控制在1%以内。

2.1.3 施工工艺的控制

1）浇筑时间。混凝土浇筑应合理安排施工时间，尽可能避开高温和低温天气，夏季应避免高温时段，若在上述条件下施工，则应采取相应遮挡和保温措施。

2）拌和。拌制混凝土时，严格配料，水、水泥、砂子称量偏差控制在允许范围内，严格控制拌和程序与拌和时间。离差系数C v值小的混凝土相应的抗裂能力高，C v值应控制在0.15以内。

3）降低浇筑温度。预冷骨料、冷水拌和是降低混凝土温度的主要方法，同时，在大体积混凝土浇筑施工中，可以在混凝土结构内部预先铺设冷却管路，在混凝土浇注完成之后再进行通水循环冷却。

4）振捣。振捣务必到位，对浇筑后坍落度已经消失开始初凝前的混凝土进行二次振捣，能较好地消除粗骨料和钢筋下面的水膜，消除沉缩收缩量。泵送混凝土特别需要二次振捣。

5）表面抹压。混凝土振捣至设计高度后，应进行表面抹压。先用刮杠粗略找平，初凝时用木探子抹压，将面层小凹坑、气泡眼、砂眼等压平，增加表面混凝土密实度。在混凝土终凝前再进行二次人工抹压收光，以防止因混凝土干缩、塑性收缩而产生表面裂缝。

6）养护。充分养护是防止混凝土干缩裂缝的重要措施。混凝土浇筑完毕12 h后即可开始养护，养护时间不得低于14天。高温季节和重要部位应适当增加养护时间，并用保水材料覆盖，严禁阳光直射到新浇筑混凝土表面。冬季浇筑混凝土应对混凝土表面进行保温。

2.1.4 施工过程的监测

在水工建筑物施工过程中，保证混凝土的优良质量对预防裂缝的产生有着至关重要的作用，因此，应加强对混凝土温度以及收缩变形程度相关数据的监测，以便及时采取应对措施，尤其要防止贯穿裂缝的产生。

2.2 混凝土裂缝的处理方法

2.2.1 开槽修补法

这种方法适用于宽度较大的裂缝，如开槽结构面上的钢筋锈蚀裂缝、宽度大于0.5 mm的裂缝等。在混凝土裂缝修补过程中，先沿着水工建筑物裂缝走向，将裂缝开成大小合适的沟槽，在沟槽中填充已拌好的改性环氧树脂砂浆，砂浆嵌入缝槽内处理好后两小时以内及时用毛毡、麻袋将聚硫橡胶改性环氧树脂砂浆进行覆盖。

2.2.2 化学灌浆法

适用于裂缝宽度为0.2～0.5 mm的混凝土裂缝修补，先对裂缝内部进行环氧树脂灌浆补强处理，再对裂缝表面进行环氧胶泥封闭。工艺流程为：清洗缝面—→钻孔—→安装灌浆塞—→封缝—→压水试验—→化学灌浆—→拆卸灌浆塞、封孔—→表面清理。

2.2.3 涂膜覆盖法

适用于宽度小于0.2 mm的细小裂缝，主要做法是在水工建筑物混凝土裂缝表面涂抹弹性密封胶、聚合物水泥膏、渗透性防水剂等材料，在裂缝表面形成保护膜，从而修补混凝土裂缝。

3 结 语

综上所述，从工程设计和建设环节入手，针对材料质量和工艺运用规范等，采取有效的管理措施，有效防范和应对混凝土裂缝，对于保障灌区水工混凝土建筑物的安全和稳定，具有重要意义，实践中需要结合水工混凝土建筑物的特点，积极创新，以提高工程建设的效益水平。