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摘 要：水闸是水利工程建设中常见的水工建筑物，闸墩部位易出现裂缝的问题，长期以来困扰着水利工程界，一直未能得到很好地解决。闸墩裂缝的出现给水闸带来了多方面不同程度的危害，也越来越受到工程界的重视。本文针对水闸工程中出现的混凝土裂缝问题进行了分析，并提出了相应的处理措施。
关键词：水闸闸墩；裂缝；混凝土配合比；防治措施
水闸是城市水利基础设施的重要组成部分，具有排洪、排涝、减灾等作用。但水闸闸墩在浇筑后时常会出现裂缝的现象，给水闸的运行带来安全隐患。水闸挡墙及边墩均为典型的钢筋混凝土结构，具有较好的耐久性，但由于混凝土是一个复杂的非均质材料，抗拉强度较低，且又有自身体积变形、徐变等特性，在实际施工中常会出现不同程度的裂缝。由于水利工程结构大多处在水下，裂缝的存在很容易导致钢筋锈蚀膨胀，进一步加剧混凝土的破坏。因此，在水闸挡墙及边墩结构的施工过程中，必须严格进行质量监控，提高混凝土浇注质量，尽量避免工程裂缝的产生。而一旦出现了混凝土裂缝，则应采取有效的技术措施进行补救，以保证水利工程的安全和工程结构的耐久性。
1.工程概况
某水闸闸孔总净宽132m，为6孔下卧式自动浮体钢筋砼扇形闸门，每孔净宽22m，在最右一孔浮体门前部，有4孔平板闸门，每孔净宽5.54m。由进口段、溢流段、浮体闸室段、陡坡段、消力池、海漫及尾水渠组成。进口段属渐缩型，底高程为12.0m，两侧翼墙为浆砌石圆弧挡土墙；溢流段为ⅲ型折线型实用堰，堰顶高程13.6m，长1.8m；浮体闸室段为钢筋砼结构，底高程9.4m，长12.0m；陡坡段为钢筋砼结构，陡坡首部高程12.85m，尾部高程9.2m，长16.5m，其中首部5.0m长为平台；消力池为底流式，护坦为浆砌石钢筋砼框格结构（面层为200厚钢筋砼），高程9.2m，池深0.3m，长10.0m，消力池边墙顶高程15.0m；海漫为浆砌石结构，底高程9.5m，长15.0m。节制闸两端设有控制室，闸室顶部设有农用交通桥，平板闸门设有启闭台及螺杆式启闭机，启闭台上未建启闭房。
项目工程混凝土拆模后，在水闸右岸挡墙及右岸边墩发现了裂缝，其中水平方向的裂缝主要发生在挡墙分仓的中部，竖向裂缝大部分产生在挡墙的3/4高度以下，挡墙顶部没有裂缝。裂缝呈中间宽，两头缩小的现象，缝宽在0.3mm左右，并未完全贯通。有一部分裂缝在挡墙两侧的同处产生，也有一部分从基础开始就产生开裂。裂缝出现的时间基本都在模板拆除后的1～2d，也有的在拆模的当天就已经发现。
2.闸墩裂缝原因分析
混凝土结构的裂缝分为荷载作用裂缝和间接作用裂缝，由于在施工初期外荷载没有作用在闸墩结构上，此时的裂缝应是由于间接作用而产生的裂缝，是混凝土内部各组分材料之间相互约束的结果，与混凝土的材料组成、施工时环境温度和湿度的变化、相关部分的约束作用以及施工过程中的施工荷载等因素都有非常密切的关系。
根据混凝土的裂缝机理，结合闸墩的设计、施工材料使用和施工控制等情况分析，因裂缝具有一定的规律性，没有无规则的网状特征，可排除水泥安定性或碱骨料反应等材料原因所导致的裂缝；施工期间，闸底板也无异常变化，可排除地基变形和外荷载作用的原因。综合分析认为，引起闸墩出现裂缝的原因主要是混凝土内部的温度变化所引起的温度应力超过混凝土极限拉应力值所致。具体原因分析如下：
2.1混凝土配合比
配合比设计时在满足混凝土强度等技术条件的基础上，应尽量增加粗骨料含量，降低水泥浆量，減少混凝土的自收缩，提高抗裂能力。有关研究成果表明，混凝土早期自收缩随着水灰比的减小而增大，且水灰比越小越明显。先期闸墩浇筑的混凝土其水泥用量是260kg，水灰比是0.48，对于中低强度的混凝土，显然水泥用量偏大，水灰比偏小，有可能造成混凝土的强度值偏高，弹性模量大，松弛能力降低，从而加大了混凝土闸墩的开裂趋势。
工程实践表明，大体积混凝土中的粉煤灰掺加量不超过30%时，随着粉煤灰掺量的增加会减少混凝土的收缩量，这是因为加入粉煤灰后减少了水泥用量，粉煤灰早期较少参与水化反应，生成的水泥石硬化体结构相对疏松，小孔含量降低，早期自收缩明显减少；同时粉煤灰混凝土早期强度较低，弹性模量较小，从而在混凝土收缩受约束时引发的弹性应力较低且发展较慢，使混凝土有足够的时间发挥其徐变性能，松弛弹性应力。分析认为，先期闸墩混凝土浇筑粉煤灰的掺量选用15%，显然是偏少的，应对粉煤灰的掺量进行适当的增加。
2.2温度收缩
混凝土浇筑结束后，其内部的水泥成分持续水化，释放水化热，使混凝土内部温度上升，达到最高温度值后，混凝土温度持续降低，通过与外界的热交换，其温度逐渐回归到环境温度值。这时，热量变化引起温度变形，如结构受到约束限制则会产生拉应力，拉应力超过此时的混凝土允许拉应力强度，结构构件就会出现温度裂缝。混凝土的内部温度还与混凝土的材料温度、施工环境温度及结构的散热条件密切相关。材料温度、环境温度及散热条件差将导致混凝土内部温度高；环境温度变化大，将使混凝土的内外温差增大，一般规定大体积混凝土的内外温差不宜大于25℃，养护时的降温速度不大于1.5℃/d，否则，如果不采取相应的温度控制措施，混凝土将可能出现温度裂缝。
在混凝土的施工养护的初始阶段，其强度值较低，不具有相应的抗拉强度能力。在浇筑后的3～5d混凝土内部温升达到最大，此时段拆模后，如遇到不利的环境温度，养护期没有按制度养护，按计算所得的混凝土的拉应力值，混凝土出现温度裂缝是必然的。
如果闸墩混凝土的温度应力超过其允许拉应力，单纯的借助钢筋防止裂缝是很困难的。类似工程实测资料表明，混凝土未开裂前，钢筋应力很小，只有在开裂以后钢筋应力才显著增加，它只能发挥限制裂缝宽度的作用，温度钢筋在控制温度裂缝的作用中，只能被动防御，因此只有考虑合适的结构体形，施工时采取措施低温浇筑，加强养护，减少降温幅度，降低混凝土的温度应力，才能有效地减少或避免裂缝现象的产生。 2.3底板约束
混凝土产生温度应力，只有在其受到约束的情况下，才会诱发拉伸应力，当超过其抗拉强度时产生裂缝。闸墩混凝土在温度应力与收缩应力的共同作用下，闸墩混凝土发生变形，由于受到闸底板的约束，无法自由变形，导致在闸墩的最薄弱处的混凝土产生有规则的裂缝。在本工程中，底板对闸墩的约束作用是无法解除的，只有加强施工控制，尽量降低混凝土的温度应力，控制其产生的拉伸应力不超过混凝土的抗拉强度以避免裂缝的产生。
3.混凝土裂缝检测与分析
为了进一步掌握裂缝情况，为裂缝的处理提供可靠的依据，要求施工单位请了有关的质量检测机构对混凝土裂缝进行了检测。
3.1混凝土裂缝尺寸的检测
裂缝长度使用卷尺进行测量；宽度使用读数显微镜进行测量，其测量精度可达到0.1mm；而裂缝深度使用超声波探测方法进行测量，利用超声波绕过裂缝末端的传播時间来计算裂缝的深度。
3.2裂缝产生原因的最终结论
通过质量检测机构对裂缝的检测，得出以下结论：该工程挡墙及边墩产生的混凝土裂缝，是由混凝土配合比、混凝土拆模时间、外部环境条件以及结构尺寸等因素共同作用造成的，但主要原因还是因为混凝土拆模过早，极容易造成混凝土层表面温度骤降，引起混凝土内部与表面温度梯度增大，在混凝土表层产生较大的温度拉应力而产生了裂缝。从最终裂缝原因分析来看，挡墙基础与挡墙浇注时间间隔过长的问题对裂缝没有明显的影响。
4.闸墩裂缝的预防和控制
从闸墩裂缝的原因分析，预防和控制裂缝主要从混凝土的原材料、配合比、施工时的温度控制以及养护等诸方面采取措施。
4.1确定最优配合比
根据混凝土拌和物各组料的情况，通过试验确定最优配合比。调整粉煤灰掺量到20%，水胶比为0.50，控制水泥用量和用水量；通过对混凝土拌和物的强度和和易性等进行试验。
4.2施工过程控制
4.2.1原材料的质量控制
混凝土工程所用的水泥、粉煤灰、砂石骨料、水等必须选用符合质量要求的原材料，施工时按制度抽检，根据气候和材料情况的变化，及时调整配合比。
4.2.2混凝土施工控制
从控制混凝土拌和料的出机口温度和入仓温度入手，做好原材料的温控工作。在砂石料堆顶上搭设遮阳棚，设置喷雾装置，同时，砂石料堆高必须保持大于6m高度，取料时从料堆底部取料；控制散装水泥和粉煤灰的进罐温度，如超过允许温度或外界气温偏高时，要求在阴凉处静置1d后才能使用；拌和用水箱加装隔热岩棉保温隔热，夏季温度过高时，水箱中加冰屑降温再拌和混凝土。夏季施工时，混凝土运输汽车加装防晒棚，避免阳光直射，减少运输过程中温度的升高。
混凝土浇筑时根据具体气候条件，适时调整浇筑时间，把浇筑工序尽量安排到气温较低的时段或夜间进行，以降低混凝土的内部温度。混凝土浇筑时要求分层浇筑，分层厚度不超过40cm，保证振捣密实，同时减少混凝土浇筑面的间歇时间。
4.3做好温度观测，加强养护工作
不同的季节时段，在闸墩结构的相关部位埋设温度观测仪器，对浇筑后的混凝土内外的温度进行测量记录，为养护期间的控制提供理论依据。
浇筑完成拆模后，立即在外表面涂刷薄膜养护剂，然后在整个墩面将麻袋片串在一起覆盖，麻袋上始终洒水保持湿润。洒水养护时间可根据观测的温度进行调整。
4.4增加温度构造钢筋
在闸墩结构的温度和收缩应力较大区域以及施工缝等薄弱处增配构造钢筋。采取上述措施后，较好地解决了闸墩混凝土施工过程中不同阶段的温度控制问题，基本消除了闸墩的裂缝现象，闸墩混凝土的强度及其他性能均满足设计要求。
综上所述，闸墩混凝土裂缝产生的原因是复杂的，涉及到工程方方面面，包括原材料的选取、混凝土配合比、外部环境条件及人为等因素。因此，我们应当正确认识到混凝土裂缝产生的原因，采取相应的防治措施，及时消除安全隐患，避免混凝土裂缝的出现。这样才能确保水闸工程的正常运行。
关键词：水闸闸墩；裂缝；混凝土配合比；防治措施
水闸是城市水利基础设施的重要组成部分，具有排洪、排涝、减灾等作用。但水闸闸墩在浇筑后时常会出现裂缝的现象，给水闸的运行带来安全隐患。水闸挡墙及边墩均为典型的钢筋混凝土结构，具有较好的耐久性，但由于混凝土是一个复杂的非均质材料，抗拉强度较低，且又有自身体积变形、徐变等特性，在实际施工中常会出现不同程度的裂缝。由于水利工程结构大多处在水下，裂缝的存在很容易导致钢筋锈蚀膨胀，进一步加剧混凝土的破坏。因此，在水闸挡墙及边墩结构的施工过程中，必须严格进行质量监控，提高混凝土浇注质量，尽量避免工程裂缝的产生。而一旦出现了混凝土裂缝，则应采取有效的技术措施进行补救，以保证水利工程的安全和工程结构的耐久性。
1.工程概况
某水闸闸孔总净宽132m，为6孔下卧式自动浮体钢筋砼扇形闸门，每孔净宽22m，在最右一孔浮体门前部，有4孔平板闸门，每孔净宽5.54m。由进口段、溢流段、浮体闸室段、陡坡段、消力池、海漫及尾水渠组成。进口段属渐缩型，底高程为12.0m，两侧翼墙为浆砌石圆弧挡土墙；溢流段为ⅲ型折线型实用堰，堰顶高程13.6m，长1.8m；浮体闸室段为钢筋砼结构，底高程9.4m，长12.0m；陡坡段为钢筋砼结构，陡坡首部高程12.85m，尾部高程9.2m，长16.5m，其中首部5.0m长为平台；消力池为底流式，护坦为浆砌石钢筋砼框格结构（面层为200厚钢筋砼），高程9.2m，池深0.3m，长10.0m，消力池边墙顶高程15.0m；海漫为浆砌石结构，底高程9.5m，长15.0m。节制闸两端设有控制室，闸室顶部设有农用交通桥，平板闸门设有启闭台及螺杆式启闭机，启闭台上未建启闭房。
项目工程混凝土拆模后，在水闸右岸挡墙及右岸边墩发现了裂缝，其中水平方向的裂缝主要发生在挡墙分仓的中部，竖向裂缝大部分产生在挡墙的3/4高度以下，挡墙顶部没有裂缝。裂缝呈中间宽，两头缩小的现象，缝宽在0.3mm左右，并未完全贯通。有一部分裂缝在挡墙两侧的同处产生，也有一部分从基础开始就产生开裂。裂缝出现的时间基本都在模板拆除后的1～2d，也有的在拆模的当天就已经发现。
2.闸墩裂缝原因分析
混凝土结构的裂缝分为荷载作用裂缝和间接作用裂缝，由于在施工初期外荷载没有作用在闸墩结构上，此时的裂缝应是由于间接作用而产生的裂缝，是混凝土内部各组分材料之间相互约束的结果，与混凝土的材料组成、施工时环境温度和湿度的变化、相关部分的约束作用以及施工过程中的施工荷载等因素都有非常密切的关系。
根据混凝土的裂缝机理，结合闸墩的设计、施工材料使用和施工控制等情况分析，因裂缝具有一定的规律性，没有无规则的网状特征，可排除水泥安定性或碱骨料反应等材料原因所导致的裂缝；施工期间，闸底板也无异常变化，可排除地基变形和外荷载作用的原因。综合分析认为，引起闸墩出现裂缝的原因主要是混凝土内部的温度变化所引起的温度应力超过混凝土极限拉应力值所致。具体原因分析如下：
2.1混凝土配合比
配合比设计时在满足混凝土强度等技术条件的基础上，应尽量增加粗骨料含量，降低水泥浆量，減少混凝土的自收缩，提高抗裂能力。有关研究成果表明，混凝土早期自收缩随着水灰比的减小而增大，且水灰比越小越明显。先期闸墩浇筑的混凝土其水泥用量是260kg，水灰比是0.48，对于中低强度的混凝土，显然水泥用量偏大，水灰比偏小，有可能造成混凝土的强度值偏高，弹性模量大，松弛能力降低，从而加大了混凝土闸墩的开裂趋势。
工程实践表明，大体积混凝土中的粉煤灰掺加量不超过30%时，随着粉煤灰掺量的增加会减少混凝土的收缩量，这是因为加入粉煤灰后减少了水泥用量，粉煤灰早期较少参与水化反应，生成的水泥石硬化体结构相对疏松，小孔含量降低，早期自收缩明显减少；同时粉煤灰混凝土早期强度较低，弹性模量较小，从而在混凝土收缩受约束时引发的弹性应力较低且发展较慢，使混凝土有足够的时间发挥其徐变性能，松弛弹性应力。分析认为，先期闸墩混凝土浇筑粉煤灰的掺量选用15%，显然是偏少的，应对粉煤灰的掺量进行适当的增加。
2.2温度收缩
混凝土浇筑结束后，其内部的水泥成分持续水化，释放水化热，使混凝土内部温度上升，达到最高温度值后，混凝土温度持续降低，通过与外界的热交换，其温度逐渐回归到环境温度值。这时，热量变化引起温度变形，如结构受到约束限制则会产生拉应力，拉应力超过此时的混凝土允许拉应力强度，结构构件就会出现温度裂缝。混凝土的内部温度还与混凝土的材料温度、施工环境温度及结构的散热条件密切相关。材料温度、环境温度及散热条件差将导致混凝土内部温度高；环境温度变化大，将使混凝土的内外温差增大，一般规定大体积混凝土的内外温差不宜大于25℃，养护时的降温速度不大于1.5℃/d，否则，如果不采取相应的温度控制措施，混凝土将可能出现温度裂缝。
在混凝土的施工养护的初始阶段，其强度值较低，不具有相应的抗拉强度能力。在浇筑后的3～5d混凝土内部温升达到最大，此时段拆模后，如遇到不利的环境温度，养护期没有按制度养护，按计算所得的混凝土的拉应力值，混凝土出现温度裂缝是必然的。
如果闸墩混凝土的温度应力超过其允许拉应力，单纯的借助钢筋防止裂缝是很困难的。类似工程实测资料表明，混凝土未开裂前，钢筋应力很小，只有在开裂以后钢筋应力才显著增加，它只能发挥限制裂缝宽度的作用，温度钢筋在控制温度裂缝的作用中，只能被动防御，因此只有考虑合适的结构体形，施工时采取措施低温浇筑，加强养护，减少降温幅度，降低混凝土的温度应力，才能有效地减少或避免裂缝现象的产生。 2.3底板约束
混凝土产生温度应力，只有在其受到约束的情况下，才会诱发拉伸应力，当超过其抗拉强度时产生裂缝。闸墩混凝土在温度应力与收缩应力的共同作用下，闸墩混凝土发生变形，由于受到闸底板的约束，无法自由变形，导致在闸墩的最薄弱处的混凝土产生有规则的裂缝。在本工程中，底板对闸墩的约束作用是无法解除的，只有加强施工控制，尽量降低混凝土的温度应力，控制其产生的拉伸应力不超过混凝土的抗拉强度以避免裂缝的产生。
3.混凝土裂缝检测与分析
为了进一步掌握裂缝情况，为裂缝的处理提供可靠的依据，要求施工单位请了有关的质量检测机构对混凝土裂缝进行了检测。
3.1混凝土裂缝尺寸的检测
裂缝长度使用卷尺进行测量；宽度使用读数显微镜进行测量，其测量精度可达到0.1mm；而裂缝深度使用超声波探测方法进行测量，利用超声波绕过裂缝末端的传播時间来计算裂缝的深度。
3.2裂缝产生原因的最终结论
通过质量检测机构对裂缝的检测，得出以下结论：该工程挡墙及边墩产生的混凝土裂缝，是由混凝土配合比、混凝土拆模时间、外部环境条件以及结构尺寸等因素共同作用造成的，但主要原因还是因为混凝土拆模过早，极容易造成混凝土层表面温度骤降，引起混凝土内部与表面温度梯度增大，在混凝土表层产生较大的温度拉应力而产生了裂缝。从最终裂缝原因分析来看，挡墙基础与挡墙浇注时间间隔过长的问题对裂缝没有明显的影响。
4.闸墩裂缝的预防和控制
从闸墩裂缝的原因分析，预防和控制裂缝主要从混凝土的原材料、配合比、施工时的温度控制以及养护等诸方面采取措施。
4.1确定最优配合比
根据混凝土拌和物各组料的情况，通过试验确定最优配合比。调整粉煤灰掺量到20%，水胶比为0.50，控制水泥用量和用水量；通过对混凝土拌和物的强度和和易性等进行试验。
4.2施工过程控制
4.2.1原材料的质量控制
混凝土工程所用的水泥、粉煤灰、砂石骨料、水等必须选用符合质量要求的原材料，施工时按制度抽检，根据气候和材料情况的变化，及时调整配合比。
4.2.2混凝土施工控制
从控制混凝土拌和料的出机口温度和入仓温度入手，做好原材料的温控工作。在砂石料堆顶上搭设遮阳棚，设置喷雾装置，同时，砂石料堆高必须保持大于6m高度，取料时从料堆底部取料；控制散装水泥和粉煤灰的进罐温度，如超过允许温度或外界气温偏高时，要求在阴凉处静置1d后才能使用；拌和用水箱加装隔热岩棉保温隔热，夏季温度过高时，水箱中加冰屑降温再拌和混凝土。夏季施工时，混凝土运输汽车加装防晒棚，避免阳光直射，减少运输过程中温度的升高。
混凝土浇筑时根据具体气候条件，适时调整浇筑时间，把浇筑工序尽量安排到气温较低的时段或夜间进行，以降低混凝土的内部温度。混凝土浇筑时要求分层浇筑，分层厚度不超过40cm，保证振捣密实，同时减少混凝土浇筑面的间歇时间。
4.3做好温度观测，加强养护工作
不同的季节时段，在闸墩结构的相关部位埋设温度观测仪器，对浇筑后的混凝土内外的温度进行测量记录，为养护期间的控制提供理论依据。
浇筑完成拆模后，立即在外表面涂刷薄膜养护剂，然后在整个墩面将麻袋片串在一起覆盖，麻袋上始终洒水保持湿润。洒水养护时间可根据观测的温度进行调整。
4.4增加温度构造钢筋
在闸墩结构的温度和收缩应力较大区域以及施工缝等薄弱处增配构造钢筋。采取上述措施后，较好地解决了闸墩混凝土施工过程中不同阶段的温度控制问题，基本消除了闸墩的裂缝现象，闸墩混凝土的强度及其他性能均满足设计要求。
综上所述，闸墩混凝土裂缝产生的原因是复杂的，涉及到工程方方面面，包括原材料的选取、混凝土配合比、外部环境条件及人为等因素。因此，我们应当正确认识到混凝土裂缝产生的原因，采取相应的防治措施，及时消除安全隐患，避免混凝土裂缝的出现。这样才能确保水闸工程的正常运行。