水利施工中混凝土裂缝研究

一、工程概况

某水利灌溉渠道全长为120km整个水利渠道的渠底宽度为10m，渠道内部边坡的坡度比为1：2，渠道深度为2m。输水流量设计为每秒10m3，渠身主要以15cm的现浇混凝土板通过机械衬砌方式进行施工建设衬砌断面采用梯形结构形式进行施工建设，在防渗膜下铺设5cm厚的砂浆垫层并采用0.8mm厚的布膜分别作为防渗施工的主要材料，以对于渠道工程的施工质量进行保证。在水利渠道的施工中，采用上述形式进行渠道衬砌施工，有利于避免渠道渗水情况发生，并且在很大程度上节约了渠道衬砌施工所需的劳动力，具有较为突出的施工优势。但是，需要注意的是，一旦渠道衬砌混凝土出现裂缝问题，将会对于渠道的防渗性能产生很大的影响，甚至会对渠道的结构性能产生破坏。因此，进行渠道衬砌混凝土裂缝的预防，是该水利工程施工建设中的重点。为分析和研究混凝土施工时的温控防裂有效措施，针对混凝土结构温度应力状况进行了全过程的现场监测，以确保工程结构的安全。

二、混凝土底板内力计算

本工程中根据其结构特征，底板内力按弹性地基梁计算，分段计算荷载，并计入边墙不平衡剪力。经计算底板荷载较大，单宽最大剪力作用力取值为1,350.0kN计算出的底板内力单宽最大弯矩取值为2,460.0kN·m。下混凝土底板内力方面：单宽最大剪力作用力取值为1,420.0kN单宽最大弯矩作用力取值为2,550.0kN·m。根据由单宽最大弯矩取值进行底板配筋计算，计算得出的底板配筋率取值为0.27%配筋率取值为0.19%。计算结果表明，底板厚度能够满足结构受力要求，且配筋率合理，说明选定的底板厚度适中。

三、混凝土裂缝控制计算

水工混凝土裂缝控制方面的问题一直都是各方人员高度重视的技术性问题。本工程中结合在混凝土施工期间的外部环境特征，从特性测试以及材料选择等方面入手，确定了两个不同的混凝土配合比实验方案。根据以上数据，对混凝土绝热温升的计算可按下式进行：混凝土绝热温升＝（龄期下水化热参数*包括水泥及粉煤灰的胶凝材料用量）/（混凝土比热*混凝土质量密度）；水化热温升的计算则按照如下方式实施：水化热温升＝施工混凝土结构水化热基本温升*水泥强度修正系数*水泥品种修正系数*水泥用量修正系数*模板修正系数；其中，水泥强度修正系数取标准值1.1，水泥品种修正系数取标准值为1.3，模板修正系数取标准值为1.5。根据以上参数，得到两种配比方案下，混凝土所对应的绝热温升以及水化热温升取值结果。方案一中，水化热温升取值为16.53℃混凝土绝热温升取值为28.62℃；方案二中，水化热温升取值为24.52℃混凝土绝热温升取值为38.93℃。

四、应力监测分析

混凝土温度应力监测所用传感器为KM系列差动电阻式钢筋应力计，根据底板配筋情况，选用了温度应力测读仪器为DQ-6型数字式电桥与主筋直径一致的两种规格的钢筋计KM-30型和KM-26型，量程为199.0MPa。传感器在现场安装使用前，进行了室内率定。钢筋计的率定采用606.0kN万能机完成。底板钢筋应力监测是在下底板按上游、中游、下游设置了三个监测剖面，剖面与水流方向为垂直关系，每个剖面上均布置20个监测点位，测点钢筋计规格根据主筋直径进行选择。在安装过程中将钢筋应力计与主筋进行焊接，使其与主筋成为一个整体，故而能够确保应力监测数据的可靠性。底板混凝土温度应力的监测是利用为监测结构应力而预埋的钢筋应力计进行的。众所周知，在底板混凝土的施工作业环节中，工程还尚未受到其他结构荷载作用力的影响，换言之，在这一环节中，底板混凝土所对应的内部温度应力水平可以直接根据混凝土硬化过程中的底板主筋应力进行计算。产生拉应力的原因为：在模板拆除前砼受热膨胀而产生一定比例的压应力其原因是由于受模板约束的影响，当模板拆除后压应力得到释放约束减小。再加之，模板拆除环节中的环境温度下降，部分暴露混凝土受到环境温度下降的影响而发生收缩，进而形成拉应力。底部其余测点位于混凝土深，同样是受到混凝土热胀因素的影响，造价上混凝土深部散热速度较慢，故而产生了一定程度的压应力。受到气温骤降的影响，面层测点会产生一定的拉应力。在这一过程当中，混凝土内部温度受到水化热反应的影响而达到最高值，外界气温的迅速下降使的混凝土表面急剧收缩，价值内部热胀对其有非常强烈的约束影响，故而形成明显的拉应力反应。说明在受到气温明显下降的因素影响，在内部热胀混凝土的影响下，表层混凝土发生非常显著的收缩反应，此过程中两者之间的约束关系明显，会产生较大的拉应力，若此时不采取有效的措施，则会导致混凝土表面产生裂缝。除此以外，本工程中由于混凝土的热传导性能差，施工期在混凝土内部会形成非线性温度场，产生对混凝土不利的内部约束。以上问题都需要施工中采取对应的温度控制措施加以改善。

五、温度控制措施分析

根据监测所得到的成果，认为在本船闸工程中，混凝土施工方面应当采取的温度控制措施有以下几点：

（1）在施工设备方面配备3台强制式拌和机及自动上料机3台以混凝土拌和机械以HZJ50B型自动上料拌和楼为主，另备3台120kw发电机组现场放置60t水泥储罐一只和粉煤灰储罐一只拌和用水由水塔用中管送接至拌和站水箱，外加剂从操作平台上由人工加入由电脑控制而砂、石、水、水泥、粉煤灰均为自动上料；砂石储料场位于拌和站南侧拌和站出料口以适宜混凝土搅拌运输车接料的高度设置。混凝土运输主要为2台搅拌运输车；动力设备利用网电以确保混凝土连续浇筑。

（2）在混凝土配比方面，本工程中采用超量取代法掺加；外加剂：外加剂选择引气量小、高效减水、缓凝时间长并与已选定的水泥、粉煤灰配伍良好且干缩性能好以及水化热小的产品为标准。底板及墙体均属混凝土降低水泥水化热是非常有效的温控措施。水泥：掺量为水泥用量的18.5%选用水化热较小的P.032.5级散装水泥；粉煤灰：采用袋装粉煤灰，采用复合型外加剂，掺量为胶结材料的6.2%~7.2%，采用内掺法。

（3）在混凝土浇筑方面，混凝土底板浇筑时采用阶梯法分6批浇筑，每批浇筑厚度为0.6m，阶梯理论长度为2.5m。每批混凝土方量为15.0m2，经多次试验掺外加剂后的混凝土初凝时间均大于300min，实际生产强度取24.0m3/h且混凝土拌和站的理论出料强度为48.0m3/h，则每批混凝土浇筑时间为0.65h，混凝土浇筑完毕时间为195.0min，不会产生冷缝。

（4）在混凝土养护方面，施工前根据试验数值对底板混凝土进行温控计算，并以此确定保温和养护措施，混凝土浇筑完毕后，及时进行养护，混凝土养护时间不少于14d。底板表层混凝土振捣后，收光后先铺塑料薄膜及时抹平经真空吸水后在收光，再盖两层草帘，洒水养护。

六、结束语

水工混凝土工程广泛应用于水利等主体部位同时也是水工建筑物的一种重要的结构形式，这些主体部位有整体性、防水性、抗渗性等诸多要求诸如强度、刚度和稳定性等技术指标符合国家标准。同时，水利工程中多使用混凝土结构施工，若混凝土因温度控制效果不佳而出现裂缝或其他质量问题，则将严重影响水利工程的整体质量。故而，在混凝土施工中，根据裂缝控制计算数据，参考应力监测结果，采取温度控制方面的具体措施至关重要，本文中所积累的相关经验与技巧可供同类工程参考。

作者：李屹峰 单位：吉林省水利水电勘测设计研究院