水工隧洞施工裂縫預(yù)防及加固措施

葛鴻飛

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

裂縫一直是水工隧洞混凝土結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量問(wèn)題的主要原因，裂縫一旦形成，不僅降低了結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，還會(huì)造成內(nèi)部受力鋼筋的銹蝕，加速結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損失，給結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的安全隱患。尤其對(duì)于水工隧洞，更需要控制裂縫，保證結(jié)構(gòu)的安全，防止內(nèi)部鋼筋銹蝕。水工隧洞由于長(zhǎng)期受到水壓力、水沖擊、土壓力以及溫度應(yīng)力綜合的作用，容易使水工隧洞混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，因此，裂縫的預(yù)防控制以及加固措施是工程界研究的主要課題，減少甚至避免水工隧洞的裂縫，可以大大提高水工隧洞結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性能，并且，有效控制結(jié)構(gòu)裂縫，可以減少經(jīng)濟(jì)投入，節(jié)約成本，提高效率。

引起混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的原因有兩種，由外力荷載引起的裂縫和由非外力荷載引起的裂縫，外力荷載主要通過(guò)增大鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所受的軸力、彎矩、剪力等內(nèi)力，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部的破壞；非外力荷載主要是由于設(shè)計(jì)不妥當(dāng)、施工質(zhì)量不高以及施工材料沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)等原因，都會(huì)形成結(jié)構(gòu)的裂縫。因此，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫的原因很多，最重要的就是有效的裂縫控制。針對(duì)存在裂縫的水工結(jié)構(gòu)，可以采取有效的加固措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，也可以提高結(jié)構(gòu)的安全性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1 施工階段裂縫控制措施

裂縫會(huì)對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響，避免裂縫產(chǎn)生就要從施工階段采取裂縫控制措施，以減少和避免裂縫的發(fā)生。

1.1 材料的選取和管理

混凝土原材料的性能和配比是保證水工隧洞質(zhì)量的前提，把控好原材料的選取和管理，是杜絕結(jié)構(gòu)裂縫的第一步?？刂苹炷恋牧芽p可以從混凝土原材料的質(zhì)量、運(yùn)輸質(zhì)量、配合比設(shè)計(jì)、外加劑和養(yǎng)護(hù)條件等入手。水泥盡量采用低熱水泥，砂石骨料的選取也需要滿足一定的強(qiáng)度，拌和水需要自來(lái)水。在混凝土攪拌后的運(yùn)輸過(guò)程中，也需要控制時(shí)間和攪拌車的轉(zhuǎn)速；在進(jìn)行攪拌過(guò)程中，嚴(yán)格按照配合比要求，攪拌完成后需要進(jìn)行塌落度實(shí)驗(yàn)和強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，保證混凝土的強(qiáng)度等級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求。外加劑的使用需要嚴(yán)格按照國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，不同的水泥有不同的外加劑，加入的量也有所不同。

1.2 施工質(zhì)量的控制

施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全，結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)安全的結(jié)構(gòu)，還需要施工員合理的施工，否則不僅浪費(fèi)巨大的物力、人力和財(cái)力，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性能。施工質(zhì)量主要從施工工序、混凝土運(yùn)輸、澆筑和振搗，都要按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，特別是在振搗過(guò)程中，振搗不充分很容易引起混凝土的不均勻沉降，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，注意濕度的控制以及溫度的變化，減少水化熱反應(yīng)，降低混凝土的變性速度，保證混凝土的強(qiáng)度等級(jí)滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 溫度控制

裂縫的形成大部分都由于溫度引起的，因此，控制溫度可以有效降低裂縫的發(fā)生概率。首先要降低混凝土的入倉(cāng)溫度，可以在混凝土攪拌過(guò)程中加入冰塊等，減少水化熱反應(yīng)，保持倉(cāng)面低溫也可以降低混凝土的溫度。另外，還可以降低混凝土的內(nèi)外溫度差，縮小混凝土的溫度梯度?；炷猎跀嚢柽^(guò)程中，由于水化熱反應(yīng)放出大量的熱，導(dǎo)致混凝土表面溫度不均勻，引起溫度應(yīng)力，形成裂縫。澆筑過(guò)程中，不同的季節(jié)采取不同的溫度控制方法，只要避免溫度不均，就可以減少溫度應(yīng)力的大小，降低形成裂縫的概率。

1.4 高新技術(shù)

微生物技術(shù)或者納米技術(shù)改善混凝土的性能，減少裂縫的發(fā)生。有些細(xì)菌可以將砂礫和環(huán)境中的有機(jī)物進(jìn)行反應(yīng)，析出碳酸鈣晶體，這種晶體可以提高骨料之間的凝結(jié)能力，減少裂縫的發(fā)生。納米技術(shù)就是采用納米材料提高混凝土材料的耐久性，還可以降低混凝土材料中的含水量，從而提高了骨料之間的密實(shí)度，增強(qiáng)了混凝土材料的抗?jié)B能力。這些高新技術(shù)都是從源頭出發(fā)，改善結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)力，提高混凝土的使用性能和耐久性。

2 加固措施

2.1 粘鋼加固混凝土

粘鋼加固混凝土，就是用鋼板貼在混凝土基材表面，使之共同承受外部荷載，實(shí)現(xiàn)加固混凝土的作用。這種加固及時(shí)、施工比較方便、加固成本低、加固效果比較好，而且增加的自重比較小，不會(huì)增加結(jié)構(gòu)本身的荷載，被廣泛運(yùn)用。但是粘鋼的粘結(jié)材料要求很高，鋼板和混凝土能否共同受力，取決于粘結(jié)材料的性能。學(xué)者候發(fā)亮對(duì)粘鋼混凝土的粘結(jié)性能做了抗拔試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖1所示，得出了錨固長(zhǎng)度的計(jì)算公式。

圖1 抗拔試驗(yàn)裝置

錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式如下：

式中：L——錨固長(zhǎng)度，m；

1 170/10.5——根據(jù)粘結(jié)面剪力分布推到出的系數(shù)；

K——安全系數(shù)，取值為1.1～1.3；

t——鋼板的厚度，m；

σ0——鋼板中的抗拔應(yīng)力，Pa；

［σ］——鋼板的極限拉應(yīng)力，Pa。

在實(shí)際粘鋼加固過(guò)程中，還需要根據(jù)具體的情況，包括原有結(jié)構(gòu)的損傷情況進(jìn)行錨固長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)。雖然粘鋼具有很大的優(yōu)勢(shì)，但是也存在一些問(wèn)題。比如鋼材是易腐蝕的，由于直接和空氣接觸，就需要對(duì)鋼板進(jìn)行防腐處理，這就增加了加固成本；傳統(tǒng)的凝結(jié)材料不能很好地使鋼板和混凝土共同承受外荷載，且容易受到溫度、濕度等自然環(huán)境的影響。

2.2 碳纖維加固混凝土

碳纖維加固混凝土就是把碳纖維布粘貼到混凝土表面，使之與混凝土構(gòu)件共同受力，如圖2所示。

圖2 碳纖維加固混凝土示意圖

碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)主要流程，先清除混凝土表面的缺陷，然后打底漆，找平后刷樹(shù)脂膠，粘貼碳纖維布。因此，加固混凝土的好壞直接取決于中間的樹(shù)脂性能，常因施工技術(shù)局限，不能完全將碳纖維布和混凝土完美地聯(lián)結(jié)在一起，不能共同受力，使碳纖維布強(qiáng)大的抗拉性能得不到充分發(fā)揮。

2.3 CFRP補(bǔ)強(qiáng)混凝土

傳統(tǒng)的底漆材料和找平材料施工難度很高，氣溫要在5℃以上，濕度要達(dá)到85%以上等等，這些施工條件在施工現(xiàn)場(chǎng)很難完成，大大降低了碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的性能，CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）的性能得不到利用。因此，有學(xué)者提出在找平層和樹(shù)脂層涂刷一層柔性聚脲彈性涂層，可以大大改善碳纖維布與混凝土的粘結(jié)性能，如圖3所示。

圖3 CFRP補(bǔ)強(qiáng)混凝土示意圖

這種新型的CFRP補(bǔ)強(qiáng)混凝土技術(shù)，提高了碳纖維布與混凝土的粘結(jié)性能，同時(shí)提高了混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能；另外，這種聚脲彈性涂層還可以防止有害離子的入侵，提高加固混凝土的耐久性。

3 結(jié)論

水工隧洞的裂縫形成的因素很多，只有從施工階段抓起，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，才會(huì)減少裂縫的發(fā)生。裂縫是水工隧洞混凝土結(jié)構(gòu)的主要控制指標(biāo)，由于水工隧洞本身工作環(huán)境的特殊性，裂縫會(huì)嚴(yán)重影響水工結(jié)構(gòu)的安全性能，造成安全隱患，降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

無(wú)論是粘鋼加固混凝土還是粘貼碳纖維布，之間的粘結(jié)材料才是保證二者共同工作的關(guān)鍵，未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在粘結(jié)材料上面，以及發(fā)現(xiàn)更好的固定方式，不管是機(jī)械固定還是化學(xué)劑固定，都是有發(fā)展空間的。