船闸闸首裂缝防治探析

【摘 要】船闸闸首的裂缝问题是船闸施工过程中的一个普遍问题，尽管在近几年的施工中采取了一系列的防裂措施，但船闸闸首在砼浇筑拆除模板后，均陆续出现不同程度的裂缝。本文通过对船闸闸首在施工过程中对裂缝预防所采取的措施进行总结和分析，找出裂缝产生的主要原因，并阐述了相应的预防效果，为今后船闸在设计和施工中避免裂缝产生所要采取的预防措施提供借鉴。

【关键词】上闸首；裂缝；原因；预防；对策

工程概况

某船闸基本尺度为23×230×4（m）（口门宽×闸室长×最小槛上水深），船闸承受双向水头，正向设计水头2.7m，反向设计水头3.2m；输水采用集中短廊道系统形式。闸首工作闸门为钢质弧形三角人字门，阀门为平板提升门，闸、阀门启闭机均采用液压直推式启闭机，闸首示意图如图1所示。

图1 三角门闸首结构剖面图

1 闸首裂缝防治措施

1.1 砼浇筑顺序

砼浇筑顺序：第一次为边墩底板，第二次为闸首中底板，第三次为廊道及其顶板，第四次为空箱。

1.2 砼配合比及浇筑养护方面：

1.2.1 精选原材料

水泥： P.O42.5江阴海螺水泥；

粉煤灰：江阴利港电厂Ⅱ级粉煤灰；

砂：湖北长江砂，Mx=2.4，Ⅱ区中砂，表观密度2600 kg/m3；

碎石：安徽铜陵产5-31.5mm连续级配，表观密度为2720 kg/m3 ；

外加剂：南京友西科技有限公司UC-Ⅱ（F）型高效泵送减水剂，掺量为1.05%；

水：地下水

1.2.2 优化砼配合比

廊道砼配合优化遵循的原则是：在满足设计强度和施工和易性要求您前提下，尽可能降低胶凝材料用量，加大粉煤灰的比例。最后确定C25号泵送砼的配合比为配合比为：

（C+F）：S：G：W：UC-Ⅱ（F）=（267+89）：770：1107：160：3.738 =1：2.16：3.11：0.45：0.0105

水灰比：0.45； 砂率：42%； 粉煤灰掺量：25%；砼坍落度12～17cm，水泥单方用量为267kg；

1.2.3 模板

临水面及廊道内模均采用定型钢模板，顶板采用竹胶板。支撑为满堂脚手架，加调节螺杆。

1.2.4 砼搅拌

采用75型强制式搅拌站，每小时砼生产能力为30m3，坍落度控制在120～170mm。

1.2.5 砼运输

水平运输采用6 m3砼罐车，垂直输送采用臂长37m，管径125mm汽车泵入仓，砼自由下落高度小于2m。

1.2.6 砼振捣

采用调频插入式振捣器，选派经验丰富责任心较强的操作工人下至仓面进行振捣，技术管理人员和现场监理全过程旁站，保证无漏振、过振。砼浇至顶面后，实行二次振捣。

1.2.7 养护

砼初凝且表面用手按无明显痕迹后，覆盖土工布安排专人养护，表面采用循环洒水，空箱及廊道内人工进入用水管进行喷水，保持砼表面湿润，保湿养护时间要求达到28天以上。

1.3 预留宽缝的优化：

根据闸首结构图，边墩两侧原设计各布置3道宽缝，根据以往船闸施工经验，结合在建类似闸首结构的施工情况可以发现，闸首出现裂缝的位置一般位于：廊道预留宽缝的边角向廊道顶板方向，闸首阀门井的处，廊道与门库轮廓相交处。廊道预留宽缝处的裂缝，其产生的原因是预留了宽缝后，该断面反而成为了廊道拐弯段的薄弱环节；阀门井位置同样也由于壁厚最薄，也是结构的薄弱断面，从而成为应力释放点，导致裂缝出现；而廊道与门库相交处的裂缝是由于结构断面在该处出现突变，出现应力集中，从而导致裂缝的出现。预留宽缝的优化原则为：让应力在设计的位置集中、完全释放，且新设置的宽缝不应成为闸首结构新的薄弱环节，从而成为新的应力释放点。根据这一原则：在闸首的阀门井处、闸首廊道与门库交汇等处，设置宽缝，初步调整方案见图2，其中1#、2#、4#宽缝的从底板顶至边墩顶板贯穿布置，3#、5#宽缝布置范围从底板顶至廊道顶板的底部。

图2预留宽缝位置第一次优化示意图

2 深度优化

2.1 在闸首廊道下游侧增加1条宽缝，如图3所示。

图3 预留宽缝位置深度优化示意图

2.2 3#、5#宽缝布置范围从底板顶至廊道顶板的顶部。

3 闸首裂缝原因分析

根据以往的施工研究，闸首裂缝产生的原因主要有以下几个方面：

3.1 砼材料方面

（1）塑性收缩：砼浇筑成型后到终凝时，还没有凝结成型尚处于可塑状态，水分从砼表面迅速蒸发，同时由于砼产生泌水，水分也从砼下部迅速上升。砼表面水分蒸发；在砼表面发生干燥收缩，体积缩小，从而表面产生开裂；细小的裂缝密布砼表面。

（2）沉降引起开裂：砼中由于固体粒子的沉降作用，砼混合料在浇灌成型的过程中和凝结以前，一般发生不同程度的分层现象。粗的大颗粒沉积于下部，多余的水分被挤上升或积聚在粗集料的下方形成水膜，致使砼的宏观堆聚结构不均匀。在粗聚料的下方往往发生内分层。即在粗集料的下方形成充水区域，含水量大，水分蒸发后则形成孔隙，孔隙是砼中最薄弱的部分，是裂缝的发源地。在砼中起胶凝作用的是水泥石。水泥石和集料界面的黏结强度决定了裂缝的出现和发展。水泥石和集料界面的黏结强度是砼中的薄弱环节，特别是在粗集料下侧的孔隙部位，尤为薄弱。事实上在承受荷载之前，砼中往往存在着微裂缝。这是由于水泥石的收缩，在集料界面上产生了拉应力和剪应力，如果应力超过了水泥石的和集料的黏结强度，则生成细小裂缝。

（3）温度开裂：砼终凝后，伴随水泥等产生的水化热，使砼的温度升高而产生体积膨胀；其后，由于水化放热完毕，砼的温度下降，表层部分砼温度下降而产生收缩，但内部砼仍处于温度膨胀状态，对表层收缩的砼产生约束，使其产生开裂。这多发生在砼浇筑后一周内。从闸首裂缝的产生部位、开裂方向及时间上分析，温度开裂是主要原因；闸首裂缝均产生在廊道垂直墙壁和顶板部位，而廊道墙壁普遍厚1.5m，顶板普遍厚1.5m和2m，为大体积砼；砼浇筑后，水泥水化过程中，产生大量水化热，导致砼内温度升高，砼出现伸张，但由于底板已经浇筑的砼对廊道新浇砼产生约束，当砼的收缩力不能抵抗约束力时，就产生拉裂现象。

（4）自收缩开裂：砼的自收缩开裂是在砼凝结后开始的，已经硬化的砼中的水泥石，由于水泥的水化，其中的毛细管失水而产生收缩；当自收缩的应力大于水泥石的抗拉强度时，水泥石（或砼）产生开裂，水灰比越低，水泥用量越大，掺合料越细时，这种现象越严重。

（5）干燥收缩开裂：伴随着砼干燥的过程，水分向外部环境逸散，砼中毛细管空隙内产生毛细管张力，由于负压而使砼产生收缩；在收缩的过程中如有约束存在，就会引起开裂。根据普通砼与高强砼的对比知，普通砼的自收缩较低，而干燥收缩较大的特性，这就说明普通砼的干燥收缩大，要求加强预防，做好砼的养护措施。

（6）碱___骨料反应开裂：碱骨料反应（AAR）有碱硅酸反应和碱碳酸盐反应两种。水泥中的碱（Na2O、K2O）和骨料中的活性SiO2、微晶白云石，以及变形石英等发生反应，生成吸水性很强的胶凝物质。当反应产物增加到一定数量，并且有充足的水分时，就会在砼中产生较大的膨胀作用，导致砼开裂。

3.2 施工方面

（1）根据现场实际施工情况，砼的养护存在很大问题，覆盖土工布和洒水养护仅对廊道顶板顶面和外侧面起作用，而关键的廊道内壁四周包括顶板底面无法养护，因为此部位的模板支撑为满堂脚手，养护人员根本无法进行养护，导致养护不足。而砼浇注后到拆除廊道顶板底模有相当长的一段时间（大概14d以上），在这关键的时间段内廊道内壁得不到充分的养护，加之廊道进出口通风，必然导致廊道内壁长时间处于干燥状态，导致廊道顶板砼早期干燥裂缝的形成，很有可能在模板拆除之前，裂缝就已经存在。

（2）当前广泛采用泵送砼，对砼坍落度、和易性要求高，水灰比和水泥用量增大，水化热相应增大，砼收缩加剧；配合比中水灰比（水胶比）过大；单方水泥用量越大、用水量越高，表现为水泥浆体积越大、坍落度越大，收缩越大；配合比设计中砂率、水灰比选择不当造成砼和易性偏差，导致砼离淅、泌水、保水性不良，增加收缩值。

4 裂缝的预防与对策

针对引起闸首裂缝出现的各种原因，提出以下相应的预防措施：

（1）塑性收缩的对策：提高砼的结构粘度，如在砼中掺入天然沸石粉、硅粉等。掺入抗离析外加剂，使砼具有较好的保水性能。适当降低砼中的用水量，采取二次振捣工艺。

（2）沉降开裂与对策：提高结构拌合物的结构粘度，降低砼的水灰比与单方砼的用水量，控制高效减水剂的添加量。控制砼塑性开裂与收缩开裂的主要措施是控制砼的泌水量。日本的控制泌水量

（3）温度裂缝控制措施：要控制大体积砼温度开裂，必须从降低温度应力和提高砼的抗拉强度入手，而温度控制的具体措施是：1）选择适当的水泥品种，特别选用中、低热水泥，以部分粉煤灰、矿渣置换水泥；2）尽量降低单方砼中的水泥用量；3）使用缓凝剂；4）降低砼的浇筑温度；5）砼内部埋设冷却水管；6）砼表面蓄热保温。提高砼本身的抗裂性能，也是预防砼开裂的重要方面。因此，要优化配合比，使用能提高砼抗拉强度的矿物质掺合料，如采用沸石粉置换部分水泥，可使砼抗拉强度提高。加强养护；改善配筋设计等。

（4）自收缩开裂对策：自收缩开裂是砼自干燥的收缩引起的，在砼成型后1d的龄期内发生。砼的水灰比越低，自收缩开裂的问题越严重。中、低热水泥的自收缩开裂可以减轻，采用10%左右的饱水沸石粉取代一部份水泥配置砼，可以减轻自收缩开裂，另外加强潮湿养护可以降低开裂。

（5）干燥收缩开裂对策：1）降低单方砼的用水量，日本建筑学会规定的单方水量《180kg/m3。2）优选骨料：抵抗收缩的骨料母岩是：石灰岩>安山岩>砂岩。石灰岩碎石砼，用水量180180kg/m3，坍落度>18cm，6个月收缩率普硅水泥>粉煤灰水泥。4）掺入降低砼收缩的外加剂，主要是通过加入外加剂，降低毛细管张力，使干缩变形降低。

（6）施工中出现的问题的对策：针对施工宽缝布置造成应力集中的问题，可以将施工宽缝设在底板圆弧面中间最薄弱的部位，并且在边墩的高度和宽度方面都形成贯通，使整个边墩产生的应力在此处得到很好的释放，从而解决因施工宽缝引起的问题；对廊道内面周围四壁的养护问题，在浇筑完廊道砼后，将将廊道进出口及其他出口用防水彩条布封闭起来，进行带模蓄热养护，同时在廊道内支撑脚手架安装喷水管进行喷水潮湿养护，使廊道内壁始终处于潮湿养护状态，也避免干燥空气在廊道内流通，加强廊道内壁砼的养护。

5 结束语

本文根据近年来施工的船闸闸首出现裂缝的普遍问题，进行了裂缝的原因分析和预防对策的探讨，对今后类似的船闸问题制订预防措施和对策具有一定的指导意义。但是应当指出，船闸结构的裂缝情况，错综复杂，要避免和减少裂缝的产生，需要设计、施工和科技工作者长期的共同努力，才能收到较好的效果。

参考文献：

[1]冯乃谦，顾晴霞，郝挺宇.编著：混凝土结构的裂缝与对策.机械工业出版社.

[2]韩素芳，耿维恕，主编：钢筋混凝土结构裂缝控制指南.化学工业出版社.

[3]冷发光，张仁瑜.主编：混凝土标准规范及工程应用.中国建材工业出版社.

[4]徐占发.主编：混凝土结构构件设计原理.中国建材工业出版社.