王志進 （合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

鋼筋混凝土清水池是自來水廠里重要的貯水構筑物，體積大，埋入地下較深。因其主要功能是起到高峰供水、低峰儲水的調節(jié)作用，池內水位變化較為頻繁。遵循經濟適用的原則，矩形清水池的頂、底板結構往往設計成無梁樓蓋形式，豎向荷載由池壁和池內支柱組成，以縱橫兩個方向劃分為柱上板帶和跨中板帶進行計算配筋[1]。磚砌導流墻一般不承擔頂板荷載，因為池內儲存的是凈化消毒后的潔凈水。清水池對混凝土抗裂防滲要求較高，當發(fā)現清水池出現不明裂縫后，應仔細調查，分析裂縫發(fā)生的原因，為修復處理提供必要的依據。

1 工程概況

某縣自來水廠二期工程建設兩座3000m3清水池，為全地下式現澆鋼筋混凝土結構，設計池頂覆土高度500mm。池底為正方形，長×寬×高＝28.7m×28.7m×4.15m。每池有36 根鋼筋混凝土柱，頂底板為無梁樓蓋結構，縱橫向柱距均為4.1m。水池設計底板厚度250mm，壁板厚度300mm，頂板厚度150mm。結構混凝土等級C25，內摻混凝土微膨脹劑。磚砌導流墻，墻高3.8m，墻頂與池頂板距離200mm。磚墻與鋼筋混凝土支柱采用水平構造鋼筋拉接。

圖1 清水池平面圖

該水廠工程于2015年10月開工建設，2016年4月清水池主體完工。2016年10月底，為準備竣工驗收，施工人員進入水池清掃，發(fā)現池內墻體出現嚴重開裂。因裂縫發(fā)生在頂板覆土回填后，建設、監(jiān)理、施工等方進行討論后，重點懷疑事故主因是設計結構承載力不足或地基基礎沉降。

2 裂縫情況

為充分收集現場資料，設計人員對混凝土構件的墻體、承重柱等進行編號，對裂縫實測實量及圖紙標記，尋找裂縫分布的規(guī)律。

1#清水池裂縫開展明顯，③軸、⑤軸磚砌導流墻與池壁交接的部位均出現正八字形裂縫，最大縫寬10mm。

與導流墻連接的第一根柱子⑤/?、③/?均出現多處環(huán)向裂縫。③/?柱距下柱帽45cm 處的裂縫周邊崩裂，縫寬3mm 以上，有明顯的水平錯位。沒有與導流墻聯接的②/?、⑤/?等支柱也出現局部水平裂縫。

池壁對側的第一排角柱（②/?、⑦/?）下柱帽邊緣的底板出現45°斜裂縫，縫寬1mm，最大長度約5m。由于檢查時池底部存在積水和灰漿，加之照明條件不佳，現場無法查清池底板裂縫分布。

圖2 ③軸導流墻裂縫

圖3 ⑤軸導流墻裂縫

圖4 導流墻裂縫1

圖5 導流墻裂縫2

水池外壁混凝土墻體附近多處出現水平裂縫，多數位置距底板表面200～300mm，縫寬1mm 左右。池壁粉刷層出現多處空鼓、開裂，分布無規(guī)律可循。

2#清水池柱、墻未見明顯裂縫，僅⑤軸磚砌導流墻與軸柱連接的邊緣部位有粉刷層豎向開裂跡象。全池底板干燥，無積水及滲漏水水漬痕跡?？v觀全池，外池壁粉刷層雖有局部空鼓和不規(guī)則裂縫，但裂縫細微，初步判定為粉刷層收縮裂縫。

圖6 柱底部開裂錯位

圖7 柱底部水平裂縫

3 施工情況

調閱施工日志，兩池施工時間如表1所示。

表1 清水池各階段施工時間明細表

調查梳理現場施工情況，如下：①基坑開挖時地基干燥，周邊無地下水滲入，基坑未受水浸泡；②因工地周邊無水源，滿水試驗時先從降水井抽水至1＃清水池，待試驗結束再將1＃清水池內的水抽入2＃清水池；③滿水試驗時，清水池底部出水管口采用臨時鋼板封焊，滿水試驗后，對池周池頂進行覆土回填；④滿水試驗后至竣工驗收期間，沒有人員進入水池內部，直至2016年10月發(fā)現裂縫。

4 成因排查

本著實事求是、嚴謹科學的態(tài)度，設計人員從多方面搜集資料，堅持以事實為依據，目的是查明本次事故的成因并為處理方案提供理論依據和科學指導。

4.1 設計因素

經調閱原計算書并重新計算復核，原設計圖結構方案合理、各計算參數選取正確、工況考慮全面、混凝土各構件的配筋均滿足現行規(guī)范規(guī)定的強度及裂縫的要求。

根據《巖土工程勘察報告》，清水池以③層粉質粘土為持力層，承載力特征值fak=260kPa。驗槽表明各池基底下土層統(tǒng)一，層厚均勻，未發(fā)現軟弱夾層及不良地質現象。沉降量計算復核，水池基底沉降及各點沉降差小于規(guī)范限定值，可以排除因地基失穩(wěn)或沉降變形過大導致水池開裂。

4.2 施工質量因素

調閱施工現場混凝土、鋼筋等原材料，檢測報告和隱蔽工程驗收記錄，均符合設計文件和施工驗收規(guī)范要求，初步將此因素予以排除。

4.3 溫度因素

施工方提出,滿水試驗時，井水溫度低。時值夏季，池壁內外側溫差大，因溫度應力造成1#清水池明顯開裂。因為2#清水池灌注的水是由1＃池抽取的，水溫已經升高，從而導致池壁內外溫差較小，所以池壁破壞輕微。

設計分析認為，結構計算時已將壁面溫差列入計算工況組合。即使是由于地下水形成的壁面溫差引起的溫度應力，其裂縫應位于清水池外周的混凝土池壁。池內部磚砌導流墻和混凝土柱在滿水試驗時不存在不均勻溫差，導流墻上嚴重的裂縫和混凝土柱上下端的水平縫得不到合理解釋。

4.4 混凝土收縮因素

本池底板外尺寸為29.3m×29.3m，小于規(guī)范要求的地下式現澆鋼筋混凝土結構的設縫限制。為減小收縮裂縫、提高抗?jié)B等級，設計在混凝土內摻加微膨脹劑，并對后期養(yǎng)護提出明確要求。根據既往工程經驗和相關文獻資料，濕度變化產生的混凝土收縮裂縫均為豎向裂縫[2]，裂縫特征與本工程不符合。

5 原因分析

在初步排除了以上多種因素后，將分析重點集中到1#和2#清水池的區(qū)別上。同一套圖紙，在相同施工質量的前提下，施工過程的區(qū)別是最有可能導致兩池的破壞程度明顯不同的重要原因。

再次梳理清水池各分部工程施工的時間節(jié)點，調查工程所在地氣象資料并與施工晴雨表對照驗證，確定清水池上浮是導致本次事故的主要原因，理由如下。

①水廠工地距離縣城主排澇溝較近，地方新聞曾報道暴雨引發(fā)該地區(qū)嚴重內澇。根據縣氣象局公布的資料，2016年7月，當地多雨少晴，4日、10日、22日均出現大暴雨，總降雨量336.8mm，造成部分地區(qū)內澇，其中10日的單日降雨量為98.5mm。7月10日正值1#清水池向2#清水池調水，7月22日，1#清水池已處于空池狀態(tài)，此時排水管堵頭封閉，池頂無填土配重。施工現場僅安排一臺小水泵負責2#水池灌水，無專門的基坑排水設備。暴雨產生的基坑內積水無法排除，導致池體上浮。

②根據施工方2016年11月11日實測的兩池頂相對高程資料，1#清水池頂板高程呈西北高、東南低的傾斜狀態(tài)，相對高差60mm；2#清水池頂板高程基本水平，相對高差10mm。據此可認為1#清水池曾發(fā)生上浮。因1#池東南角有集水坑的積水配重，致使池體上浮時出現傾斜。

③池體上浮后，基坑周邊的泥土隨水流進入清水池基礎下，造成池底板被局部擱置架空。在后期覆土時，頂板的荷重通過混凝土柱傳到底板，強制底板變形復位，導致應力集中到底板剛度變化的兩對側角點，產生底板上表面的45°裂縫。由于底板回位不均勻，導致已施工完的底板坡度發(fā)生改變，底板積水不能順利排盡。

④水池上浮后底板變形帶動導流墻向上變形，墻底受壓，擠裂混凝土柱頭[3]。頂板填土后，支柱在荷載作用下強制下移，帶動導流墻向下位移，產生正八字形裂縫。同時，底板上下變形造成柱與墻的底和頂發(fā)生角位移，產生比正常條件下大得多的剪力和彎矩[4]，造成原先擠裂的柱進一步開裂甚至錯位變形，池壁局部生成水平裂縫。

⑤池壁的水平裂縫位置基本位于底板上300mm 附近，位于池壁的施工縫。在1#清水池的粉刷裂縫處，發(fā)現長距離的水泥漿修補痕跡，懷疑此裂縫的發(fā)生時間是在滿水試驗之前。2#清水池調查時選取兩處粉刷未出現裂縫的池壁底部位置，鑿開后發(fā)現混凝土結構有明顯水平裂縫。因此，可認為底板上部施工縫存在質量缺陷，當池底板中部下沉復位時，變形帶動池壁內側底部受拉，加大了裂縫開展的程度，形成施工縫位置較為規(guī)整的水平縫。

6 修復加固

通過討論和進行專家咨詢，工程參建各方均對以上設計分析結論表示認可，并決定采用以下方法修復加固水池。

6.1 地基

1#清水池上浮時有泥沙隨水流涌入池底板下，頂板填土后水池被強制下沉，但底板受沉積的泥沙阻礙，無法完全復位，部分底板與地基土存在空隙。經工程專業(yè)人員同意高程復核后，決定不再追求水池完全復位，采用注漿加固水池地基。打孔排出積水，灌漿填實池底板下空隙。

注漿前先對底板各跨中高程進行測量。在底板上鉆直徑50mm、孔距4.1m的孔，且鉆孔應避開底板鋼筋。注漿順序按先外圍、后中心進行。選取高位點作為排氣（漿）管，低位點作為注漿管。先行注入1∶2水泥砂漿，并摻5%粉煤灰以增加其流動性。第二次補漿采用水泥凈漿，水灰比1∶0.5，直至高位孔漿液溢出。注漿結束后，底板注漿孔用C30 自密實混凝土填充封閉。

6.2 底板

水池底部存在4 處長短不一的斜向裂縫，最大縫寬約1mm，并不斷滲入地下水。底板注漿加固后，沿裂縫表面鑿成V 形凹槽，深度40mm、寬度50mm，用聚合物水泥砂漿填縫，并間隔300mm預埋φ12mm 注漿管。聚合物水泥砂漿硬化后，用壓漿機加壓灌入環(huán)氧樹脂。封閉灌漿管后，在底板表面澆筑最薄厚度100mm 的C30 混凝土，配置單層φ 10 @150 雙向鋼筋，并按原設計向集水坑找坡(圖8）。

圖8 底板裂縫處理（單位：mm）

6.3 支柱

對出現水平裂縫的4 處支柱，采用增大截面法進行加固。鏟除柱表面粉刷層，沿柱裂縫鑿成V 形槽，并鑿毛清洗。在支柱四周植入縱向鋼筋8Ф14，縱筋上下分別錨入底板和頂板，綁扎φ8@100的箍筋，最后在柱四周澆筑100mm 厚C30 自密實混凝土，加大柱截面(圖9），提高構件整體性。

圖9 柱截面加固（單位：mm）

6.4 導流墻

在底板注漿前，先行拆除③軸、⑤軸嚴重開裂的兩跨導流墻，防止底板變形帶動導流墻進一步擠壓已開裂的支柱，加劇破壞程度。待底板和支柱加固完成后，重新砌筑導流墻，并做好構造連接。因磚砌導流墻不承擔豎向荷載和不均勻側向水壓，鏟除輕微開裂的磚墻裂縫兩側200mm 范圍的砂漿粉刷層，并用聚合物水泥砂漿粉刷平整。

6.5 池壁

鑿除底板上200～400mm 范圍的池壁粉刷層，全面查清施工縫部位的裂縫發(fā)展情況。沿裂縫鑿出V 型凹槽，深度40mm、寬度50mm。以高壓水槍清洗縫內夾渣后，用聚合物水泥砂漿填縫，并間隔300mm 左右預埋φ12mm 注漿管。聚合物砂漿硬化后，用壓漿機加壓灌入環(huán)氧樹脂。封閉灌漿管后，以聚合物水泥砂漿對池壁表面粉刷修補(圖10）。

圖10 側壁裂縫處理（單位：mm）

7 結語

清水池等大型埋地構筑物的施工期現場管理非常重要。若降水措施不到位，極易造成池體上浮，引發(fā)工程質量事故。本事故案例特點是工程現場地質條件較好、地下水不豐富，造成施工方麻痹大意。在遇強降雨天氣時，管理人員又未能及時發(fā)現水池上浮，給數月后的事故原因分析造成了較大的困難。

修復治理方案必須建立在正確分析事故原因的基礎上，否則只能是治標不治本。若本案例僅對磚墻和混凝土裂縫進行處理，而不對清水池地基注漿加固、充填底板下部的空隙，后期水池盛水后，清水池底板在荷載作用下二次沉降，引起各部位結構再次變形開裂，導致修復加固方案失敗。