吳劍峰

摘要：本文闡述了船閘工程混凝土的結(jié)構(gòu)特點和施工難點，從設計，材料，施工工藝的優(yōu)化等方面提出了系統(tǒng)合理的船閘工程裂縫控制措施，保證了施工強度和質(zhì)量，探討對類似的工程或同行帶來一些參考及借鑒。

關(guān)鍵詞：船閘工程；混凝土；施工技術(shù)

1引言

船閘工程是水運工程建設的重要內(nèi)容之一，也是水運工程建設中的難點之一。在船閘工程施工過程中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)是船閘工程的一種更為廣泛使用的結(jié)構(gòu)形式。船閘工程所采用的大體積混凝土結(jié)構(gòu)也給船閘工程的建設帶來了很大困難?；炷亮芽p是船閘項目中使用的大體積混凝土結(jié)構(gòu)的一個常見缺陷，造成造船項目裂縫的原因眾多。為確保船閘工程的施工質(zhì)量，對大體積混凝土施工應采取有針對性的措施，控制裂縫等缺陷。

2船閘工程混凝土裂縫原因

船閘項目中大體積混凝土和混凝土墻結(jié)構(gòu)的裂縫非常普遍，目前，在船閘混凝土的設計和施工中，似乎出現(xiàn)更多的裂縫來控制混凝土裂縫，并且具有一定的通用性[1]。

2.1船閘結(jié)構(gòu)特征

船閘工程的閘門和閘室一般由鋼筋混凝土底板和側(cè)墩組成，混凝土具有較低的配筋率和較大的構(gòu)件尺寸。在國家標準中，大體積混凝土是指大量混凝土尺寸超過1米的大量混凝土。輸水通道是船閘土木工程中最重要的部分，結(jié)構(gòu)非常復雜并且尺寸很大，它是一個典型的非均質(zhì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)，約束也更復雜。

根據(jù)我國船閘驗收階段的裂縫統(tǒng)計結(jié)果，船閘的大體積混凝土構(gòu)件，如配水廊道頂部及側(cè)墻，大門一樓，側(cè)面碼頭，大門的底板，房間的墻壁和門檻，都有不同程度的傾向。裂縫的面積和裂縫的數(shù)量已成為船閘建造中的主要常見問題之一。防止大體積混凝土開裂和防止混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕對于保證船閘項目的壽命至關(guān)重要。

2.2船閘工程混凝土裂縫原因

導致大體積混凝土開裂的主要因素是水化熱，溫差，混凝土收縮，約束等。裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中常見的現(xiàn)象，不同部位的裂紋成因不同，如材料，設計，施工等原因[2]。

造成船閘工程混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的主要原因如下：

（1）結(jié)構(gòu)配筋不足。在閘室中，閘墻一般為寬高的薄壁構(gòu)件，在墻上，需要諸如船舶通道和系泊鉤之類的構(gòu)件。盡管施工縫沿長度方向布置，但由于設計要求，混凝土保護層較厚。雖然鋼筋滿足力的要求，但在設計階段有時缺乏施工鋼筋的控制裂縫的行為，導致部分區(qū)域出現(xiàn)混凝土裂縫。

（2）混凝土配合比不當。在一些船閘中，使用泵送混凝土，混凝土過度坍塌，大量水泥導致混凝土水化熱高，混凝土收縮率高，配料不合理等，導致大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

（3）澆筑工藝不當。一些需要分層澆注的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，如果澆注速度太快，下層混凝土可能會在硬化的初始階段沉降，導致水平裂縫。也可能是因為底層混凝土澆筑后長時間澆注混凝土層時，底部的混凝土約束很容易導致混凝土上層的縱向約束裂縫。

（4）混凝土溫度收縮。澆注大體積混凝土后，水泥的水化熱量會增加混凝土內(nèi)部的溫度。夏季中心最高溫度可達70℃以上，中心溫度緩慢下降，表面冷卻速度加快，混凝土中心和表面產(chǎn)生更大的溫度梯度引起混凝土表面收縮應力大于混凝土的抗拉強度，則可能發(fā)生可見的溫度差收縮裂紋。

（5）混凝土塑性收縮。在混凝土初始凝固之前，水分蒸發(fā)，內(nèi)部水分不斷遷移到表面，混凝土的體積在塑性階段收縮，并且在混凝土的內(nèi)部水分遷移到表面以不供應蒸發(fā)的情況下，混凝土表面被內(nèi)部混凝土脫水干燥收縮，表面上出現(xiàn)不規(guī)則的塑料收縮裂縫。

（6）地基不均勻沉陷。船閘底板的裂縫有時是由地基沉降不均勻引起的，施工和運營階段的靜載荷和動載荷可能會導致裂縫的發(fā)展。

3.船閘工程混凝土裂縫控制措施

在總結(jié)以往工程經(jīng)驗的基礎上，從設計，材料，施工工藝優(yōu)化等方面提出了系統(tǒng)合理的船閘工程裂縫防治措施，取得了良好的防裂效果。

3.1 設計優(yōu)化措施

結(jié)構(gòu)設計對混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性往往被忽略，這導致許多結(jié)構(gòu)具有先天性缺陷，僅僅依靠材料和施工來控制混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫不僅在技術(shù)上是困難和昂貴的，其最終的效果也常常不盡如人意。設計優(yōu)化措施包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)加固、合理分縫、優(yōu)化冷卻水管等。

3.1.1優(yōu)化構(gòu)造配筋

利用前蘇聯(lián)學者李斯里經(jīng)驗公式計算配筋對混凝土極限拉伸的影響[3]：

式中：εpa為配筋后混凝土的極限拉伸相對變形；Rf為混凝土標準抗拉強度（MPa）；p為截面配筋率，；d為鋼筋直徑（mm）。

該公式表明，增加配筋率和減小鋼筋直徑可以提高混凝土的極限拉應變值，從而降低混凝土的開裂風險。在滿足結(jié)構(gòu)應力的前提下，通過改變結(jié)構(gòu)鋼的配筋率，直徑，間距和堆垛層數(shù)來提高鋼筋對裂縫的控制能力。

3.1.2 合理分縫

合理分縫可有效降低混凝土內(nèi)部拉應力，控制混凝土裂縫。以某一北江船閘為例，船閘室底板尺寸為240m×34.2m，沿船閘軸線船閘每隔15m設一個伸縮縫，地板分為16塊，每塊尺寸為15m×34.2m，單件長度過長導致底板產(chǎn)生了更多與船閘軸線平行的裂縫。船閘的底部中心沿船閘軸線方向增加一個2米寬的施工縫，原來的15米施工縫的方案不變，相當于底板分為32塊，每塊大小為15m×16.1m。在優(yōu)化之前和之后分縫見圖1，優(yōu)化后的底板混凝土裂縫控制良好。

3.1.3 優(yōu)化底板冷卻水管

一般來說，冷卻水管道只能冷卻30-50厘米范圍內(nèi)的混凝土。根據(jù)經(jīng)驗，在沒有冷卻水管的情況下，表面70厘米的混凝土的溫度相對較低。根據(jù)以上分析，由于中心溫度不能有效降低，上部冷卻水管的位置向下移動30cm，底部冷卻水管的位置保持不變，并且兩個冷卻水管之間的距離 從1.3米調(diào)整到1米。有限元分析后的冷卻管調(diào)整，中心點在0～720h內(nèi)的溫度變化見圖2。中心點的最高溫度為67°C，最高溫度僅下降約2°C。 澆注10天，20天和30天后的中心點溫度分別為47.9°C，35.2°C和30.2°C。安裝冷卻水管后，盡管中心點的最高溫度只降低了2°C，但澆注10天后中心點的溫度降低達到了10°C，可以有效降低早期溫度裂縫。

通過調(diào)整上部冷卻水管的位置，而不增加冷卻水管的總長度，中心點的最高溫度與每個時間段之間的溫度差有效地減小，并且內(nèi)部表面的溫度差為有效控制，充分發(fā)揮冷卻水管的防裂效果。

3.2混凝土材料優(yōu)化措施

混凝土的質(zhì)量與裂縫的發(fā)展密切相關(guān)，混凝土水化熱的溫升，收縮，拉伸強度等指標是影響混凝土抗裂性的關(guān)鍵指標。施工前先進行混凝土配合比的優(yōu)化，以減少膠凝材料和水泥的用量，每立方米混凝土減少38公斤水泥。 通過優(yōu)化骨料的粒度分布和顆粒形狀，粘土量減少，砂率降低。對33%的混凝土，制定了水化熱低，收縮率低的混凝土，提高了混凝土的抗裂性能，并實現(xiàn)了更好的控制裂縫。

3.3施工優(yōu)化措施

3.3.1 分層優(yōu)化措施

下閘首底板被2條施工寬縫分割成3塊，中間一塊平面尺寸為15.2m×29m，底板的厚度為3m，需要在底板上澆注1m的門檻。 第一個施工過程是首先澆注3米厚的地板，然后在底板上澆筑連接梁和門檻，見圖3a）。后期發(fā)現(xiàn)，連接梁和門檻上出現(xiàn)了較多規(guī)則裂縫。通過有限元模擬，分析了分層澆注和全斷面澆注的內(nèi)部約束應力和外部約束應力，并在后面進行了全斷面澆注，見圖3b）。

通過計算，在分層澆注過程中，門檻自限應力抗裂的安全系數(shù)較大，滿足規(guī)范要求的大于1.15，但外部約束應力抗裂安全系數(shù)僅為0.63，并且閾值產(chǎn)生穿透的外部約束應力開裂，風險非常高。在實際工程中，船閘在澆筑后一個月左右出現(xiàn)大量滲透裂縫。在全斷面澆筑過程中，雖然混凝土的內(nèi)表面溫差增大，但自約束應力的抗裂安全系數(shù)仍滿足規(guī)范要求，且由于基本阻尼系數(shù)大大降低，外約束應力抗裂安全系數(shù)達到1.80，耐開裂性強。在船閘建造中，門檻變?yōu)槿珨嗝鏉仓妶D3b）。混凝土裂縫得到很好的控制，并且澆筑了5個月的門檻，沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。

3.3.2分層澆筑時間間隔控制

在許多工程中，由于分層澆筑間隔較長，底層混凝土導致上層混凝土出現(xiàn)貫穿裂縫。在船閘閘室施工過程中，考慮到施工便利性，閘門墻一般都是一個一個澆注而成，不同層間的間隔達到一個月甚至幾個月，導致門墻上的垂直裂紋約束更多。在后期階段，分塊澆筑，每個房間首先澆注地板，然后分層，澆完整段澆口后，澆下一段澆口，間隔時間控制在10天左右。滿足《船閘工程施工規(guī)范》[4]的規(guī)定，閘墻混凝土裂縫得到了有效控制。

4 結(jié)束語

（1）船閘項目的裂縫控制涉及設計，材料和施工。通過調(diào)整鋼筋和鋼筋直徑，建設寬縫，調(diào)整冷卻水管，優(yōu)化混凝土配合比，減少水平施工縫，控制分層澆筑的時間間隔，有效控制船閘混凝土裂縫。

（2）在有條件情況下，使用全截面鑄造技術(shù)來減少水平分層常常能夠顯著降低外部約束應力，并更好地控制外部約束應力裂縫。

參考文獻：

[1]浙江省交通規(guī)劃設計研究院.錢塘江中上游衢江（ 衢州段） 航運開發(fā)工程安仁鋪樞紐及船閘施工圖設計[R].杭州： 浙江省交通規(guī)劃設計研究院，2012.

[2]辛彥青，李振聲，劉春俊.船閘混凝土溫度裂縫的經(jīng)驗教訓[J].水運工程，2015（8） ： 78-80.

[3]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制“抗與放”的設計原則及其在“跳倉法”施工中的應用[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[4]中交第二航務工程局有限公司.船閘工程施工規(guī)范：JTS 218—2014[S].北京： 人民交通出版社，2014.