[水闸闸墩裂缝原因分析与控制措施] 水闸闸墩

　　摘?要 为解决水闸闸墩裂缝。阐述了闸墩裂缝的特点及其规律性，分析了水闸裂缝的原因，对国内外控制闸墩裂缝的措施进行了评价。结合橡胶集料混凝土的脆性小，变形能力大的特性，提出利用橡胶集料混凝土控制水闸闸墩裂缝的新方法。
　　关键词 水闸闸墩；裂缝；原因分析；控制措施；橡胶集料混凝土
　　中图分类号 TV662 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)072-0142-01
　　水闸闸墩裂缝是一个普遍现象。邢林生在对100余座水电站大坝定期检查中，发现闸墩上有裂缝的，约占1/3以上，其中裂缝规模较大的有20多座。主要裂缝都位于闸门支座与面板之间范围内，大多数为竖直向裂缝，部分裂缝呈环形且大致与支座牛腿相垂直，有的裂缝长达数米、缝宽超过1 mm，贯通整个闸墩。水闸闸墩和经常暴露于大气中的水闸底板产生裂缝的位置、缝型和缝的尺度还具有一定的规律性，其中有的形成了贯穿性裂缝，有的裂缝长度甚至达到闸墩高度的90﹪以上。裂缝降低了闸墩的耐久性，直接影响闸墩的安全运行，增加渗漏。因此，分析闸墩裂缝产生的原因，采取有效措施控制闸墩裂缝，具有重大的经济和社会效益。
　　1 闸墩裂缝特点与规律
　　水闸闸墩裂缝具有一定的特点和规律性。一般说来，岩基上的闸墩比软基上的闸墩容易开裂。施工时，底板与闸墩浇筑间隔时间越长越容易开裂。闸墩长度不同，裂缝沿闸墩长度方向取向分布也不同。闸墩长度不大时（15 m以下），裂缝一般位于闸墩中部。闸墩较长时（大于15 m），裂缝多发生在墩长的等分线附近，如二分之一、四分之一处等。裂缝产生的时间和位置不同。闸墩裂缝首先产生于闸墩底部，随着时间延长，裂缝逐渐向上发展。裂缝长度差异较大，裂缝上端一般位于0.2 L（L为闸墩顺水流方向长度）处左右，并且裂缝最终可沿闸墩厚度方向贯穿。闸墩裂缝形态和宽度不同，闸墩裂缝宽度一般为0.5 mm～1.0 mm，较大者可达2.5 mm以上，靠近闸基底部，裂缝宽度大。
　　2 闸墩裂缝原因
　　水闸闸墩产生裂缝的主要原因是闸墩混凝土凝固后的温度变化（温降）和体积变化（收缩）产生的拉伸变形大于混凝土的极限拉伸值。闸墩混凝土产生温度应力有两个必要条件：温度变化和混凝土变形被约束。温度升降时，混凝土可以自由变形，则有温度变形而无温度应力；反之，若混凝土被完全约束（嵌固），则无温度变形而有温度应力。在混凝土温度与外界气温相差较大时，混凝土体积会发生变化，即产生温度变形，而变形到一定程度时会引起温度应力。当拉应力超过混凝土抗拉极限时，会产生温度裂缝。这种裂缝尤其是深层裂缝和贯穿裂缝，对闸墩的整体性、耐久性会产生严重危害。
　　水闸大多建在岩基或软基上，在岩石或软基与混凝土组成的构建中，不但它们的初始温度条件不同，它们的物理力学性能也有差别。混凝土的温度变形，受岩基或软基受岩基约束，要产生温度应力。在混凝土内部，先后浇筑的时间不同，散热条件和水泥用量不同，混凝土内将出现非线性温度场分布，形成变形不一致的现象，因而在混凝土内部，也要产生温度应力。在岩基或软基附近，岩基或软基的约束影响大，混凝土容易出现裂缝。因此，采取有效措施控制闸墩裂缝，具有重大的经济和社会效益。
　　3 闸墩裂缝控制措施
　　为解决闸墩裂缝，国内外很多专家学者、工程技术人员等致力于这方面的研究，从各方面寻求减小闸墩裂缝的措施。在二十世纪三十年代，美国首先进行闸墩裂缝的研究，对温度场以及温度应力作了系统研究的基础上，对控制温度裂缝提出了新的措施，比如原材料采用低热胶凝材料以降低水泥水化热，通过预冷骨料来控制混凝土的出仓温度，在浇筑混凝土过程中采用冷却水管降温的方法来降低结构的内外温差，以及对浇筑完成后的混凝土表面采取保温措施以减小降温速率等。这些措施在很大程度上控制了闸墩的裂缝。这些方法沿用至今，并在此基础上不断进行优化。除此之外，大部分国家还采用设置缝的方法来控制裂缝。比如，欧洲国家包括前苏联均对伸缩缝的设置进行了规定。虽然人们在一定程度上抑制了闸墩裂缝，但是控制闸墩裂缝的措施还不是很完善，有待于继续研究。
　　目前，水利科技工作者一直致力于闸墩裂缝控制研究，通常采用有限元等方法，计算混凝土内温度场和温度应力，在施工、养护和初期运行时控制混凝土内的温度等措施，但即便如此，闸墩裂缝也屡见不鲜。这主要基于闸墩混凝土受温度、湿度变化等环境影响，闸墩与岩基或软基之间的变形不一致造成的。因此，增加混凝土的韧性和延性，提高混凝土的变形能力，是解决闸墩裂缝的根本。目前，为提高混凝土变形能力，人们通常用的方法是在混凝土中添加各种纤维和聚合物。该方法虽然有效，但纤维的种类、几何尺寸、形状和表面状况等存在许多差异，对混凝土的影响也不同。钢纤维能够提高混凝土的韧性和抗拉强度，但钢纤维的造价高，限制了这种纤维在闸墩中的大面积推广应用。最近发展的低弹性模量，以聚丙烯纤维为代表，造价相对较低。但聚丙烯纤维具有柔性大，易成团，不易分散的缺点，也限制了这种纤维在闸墩中的应用。另外，聚丙烯纤维对混凝土的塑性变形起作用，已是不争的事实，但对混凝土的后期力学性能影响，是目前学术界争论的焦点。橡胶集料混凝是最近发展的一种新型混凝土，又称“弹性混凝土”，其最显著的特征是降低混凝土的脆性，增加韧性和延性，提高混凝土变形能力。因此，利用橡胶集料混凝土变形大的特性，在一定意义上能够控制闸墩产生裂缝。
　　橡胶集料混凝土脆性系数低，其断裂破坏模式与普通混凝土不同最显著的特征。橡胶集料混凝土的破坏模式是渐进式的剪切，呈塑性屈服破坏形态，而非脆性破坏，极限拉、压应变是普通混凝土的4～15倍，表现出极大的延性。橡胶集料混凝土提高了混凝土的抗剪和抗弯强度，拉压比大，改善了混凝土的韧性和延性，增强了混凝土的抗裂性。橡胶集料的掺入，混凝土裂缝宽度减少，开裂时间推迟。橡胶集料在改善混凝土抗冻性能方面有一定的潜力。橡胶集料含量越高，混凝土抗冻性能越好。橡胶集料改变混凝土内部孔结构及其分布，阻止液体渗入混凝土内部，混凝土的抗渗性能较普通混凝土有较大的提高。橡胶集料混凝土的问世，为解决闸墩裂缝提供了一种新的方法。
　　4 结束语
　　水闸闸墩裂缝的原因是由于混凝土变形与岩基或软基的变形不一致造成的，裂缝的特点及其类型具有一定的规律性可循。
　　控制水闸闸墩裂缝的措施较多。利用橡胶集料混凝土韧性和延性大，脆性小，变形能力大的特性，有利于减少水闸闸墩裂缝，是控制闸墩裂缝的一种新方法。
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　　作者简介
　　付铁军（1981—），男，助理工程师。