引江濟淮工程樅陽泵站混凝土裂縫成因及處置措施

顏其林 裴祖興 王 成

(安徽省引江濟淮集團有限公司,安徽 合肥 230000)

1 引 言

引江濟淮工程是一項溝通長江、淮河兩大水系,跨流域、跨區域重大戰略性水資源配置和綜合利用工程。工程建設任務是以城鄉供水和發展江淮航運為主,結合農業灌溉補水和改善巢湖及淮河水生態環境等綜合利用。工程自南向北劃分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送三段輸水及航運線路,長江和淮河之間的線路布置有八大樞紐工程,分別是西兆線的鳳凰頸引江樞紐、兆河節制樞紐,菜巢線的樅陽引江樞紐、廬江節制樞紐、白山節制樞紐,江淮溝通段的派河口泵站樞紐、蜀山泵站樞紐、東淝閘樞紐。

目前,引江濟淮工程各類樞紐等建筑物已近完工,但是由于施工、環境、材料等多方面因素影響,施工過程中發現混凝土結構局部均不同程度出現了裂縫。本文以引江濟淮工程樅陽泵站主機段混凝土施工為例,采用監測數據分析與現場混凝土實際澆筑過程仿真計算相結合的手段分析裂縫成因[1-3],并制定裂縫處理方案,評價裂縫處理實施效果,為引江濟淮工程二期工程混凝土工程防裂提供技術參考。

2 裂縫情況

2.1 工程概況

樅陽泵站布置于原樅陽船閘與新設船閘之間,站身位于廣濟江堤內側、梅林隔堤外側,其長江側擋水前緣距內坡坡腳約170m。泵站建筑物按長江引水方向(長江—菜子湖)各建筑物依次為上游引水渠、進水池、泵站廠房和出水池、排洪進水閘及下游出水渠等。樅陽泵站主要建筑物泵房為1級建筑物,其余次要建筑物均為2級建筑物。

樅陽泵站主機段包括底板、進水流道層、出水流道層、水泵層、變頻裝置層、安裝層、岸墻等建設內容。泵站主機段按左右聯分幅施工,依次按照底板→進水流道→出水流道→水泵層→電頻層→地面18.55m的施工順序左右穿插施工,安裝間隨右聯主泵室同步施工。樅陽泵站主機段采用C25泵送混凝土,于2020年10月26日開始澆筑第一倉底板混凝土,2021年2月4日完成出水流道層混凝土施工,2022年10月26日完成泵站主機段全部混凝土施工。整個施工周期內,發現裂縫主要分布于樅陽泵站主機段底板、進出水流道層混凝土等部位。

2.2 裂縫分布和統計

2021年3月上旬開始對裂縫發現部位進行系統排查和記錄,之后平均每15日對裂縫進行一次觀測和記錄,計劃待裂縫穩定后再進行處理;2021年12月初,委托相關檢測單位采用超聲波檢測儀、配合其他檢測儀器,對樅陽泵站主機段已完工程發現的裂縫進行裂縫分布、寬度、長度和深度檢測[4]。經系統排查,樅陽泵站主機段裂縫主要位于底板、高程-0.43～3.97m閘墩及高程4.97m頂板。具體裂縫情況統計見表1。

表1 樅陽泵站主機段裂縫情況統計

分析表1可知,樅陽泵站主機段裂縫主要集中于墩墻,裂縫數量為36條,多為沿水流向分布的豎向裂縫,其余裂縫位于頂板和底板,共計9條。

3 裂縫成因分析

3.1 仿真計算方式

根據樅陽泵站主機段裂縫分布,結合現場實際澆筑情況和現場所采取的溫控措施,通過建立泵站(澆筑到4.97m高程頂板)有限元模型,綜合混凝土施工現場氣溫環境、溫控措施、混凝土配合比、混凝土熱學和力學參數等進行仿真計算分析[5],探明裂縫成因。

3.2 泵站混凝土實測溫度、實際溫控措施與溫控標準對比

樅陽泵站自2020年10月底開始混凝土澆筑施工,澆筑溫度約為18℃?；诂F場溫度監測數據繪制底板內外、墩墻內部的溫度歷程曲線(見圖1～圖3),從中可見,底板內部溫度2天之內從開始澆筑的20℃左右上升至峰值溫度67℃,其中第一天的溫升幅度達到35℃,混凝土絕熱溫升過快。在底板表面由于采用了鋼模外嵌橡塑海綿的保溫措施,帶模養護保溫期間(2天),表面溫度在40℃左右,拆除模板后,由于未按照溫控方案要求及時覆蓋保溫材料,表面溫度立刻降低至20℃左右并隨氣溫變化,此時混凝土內外溫差在30℃左右。墩墻內部,由于其散熱能力強于底板,峰值溫度小于底板溫度,但也在1天之內達到了53℃左右,溫升幅度接近30℃,峰值溫度超出了溫控標準[5](見表2)。

圖1 底板內部溫度實測過程曲線

圖2 底板表面溫度實測過程曲線

圖3 墩墻內部溫度實測過程曲線

表2 現場溫控措施與溫控標準對比

分析以上溫度監測數據可知,樅陽泵站主機段泵站混凝土澆筑時盡管采取了一定的溫控措施,但由于混凝土絕熱溫升過快過高,導致混凝土內部峰值溫度超出溫控標準,從而導致混凝土內外溫差、后期降溫幅度過大等一系列的問題,加劇了混凝土的開裂風險[6]。

3.3 成因分析

基于溫度監測數據反演得到混凝土絕熱溫升,通過模擬泵站混凝土實際的澆筑狀況、所采取的實際溫控措施并真實模擬泵站的實際澆筑過程,計算分析內部和外部拉應力分布及最小抗裂安全度分布,以及結構物表面和內部應力歷程,并將數據和埋設儀器連續觀測所顯示的實際混凝土溫度數據對比[3],進一步確認泵站主機段混凝土裂縫成因。

a.根據底板內部及外部表面最大主拉應力分布以及最小抗裂安全度分布,結合底板表面及內部應力σ1歷程(見圖4),對于底板內部,大部分區域拉應力在1.8MPa以上,尤其是空箱下部對應區域接近2MPa,底板大部分區域拉應力已超過混凝土的抗拉強度,對應部位的最小抗裂安全度小于1.4甚至小于1,底板內部開裂風險較大;在當前的保溫措施下,底板表面大部分區域的拉應力超過2MPa,其抗裂安全度在1.2以下,小于1.65的最小抗裂安全度。

圖4 底板表面及內部特征點應力σ1歷程

由圖4可知,由于內外溫差過大(最大35℃左右),底板表面在澆筑21h后(齡期0.9d左右),超過了相應齡期混凝土強度,混凝土開裂風險極高;此后隨著底板整體降溫,內外溫差減小,底板表面應力逐漸減小。底板內部,早期水化熱溫升引起內部短暫受壓;經過峰值溫度進入降溫期后,內部應力逐漸由壓應力轉化為拉應力,待上部出水流道層混凝土澆筑后,其升溫膨脹變形將引起下部底板出現拉應力增大現象,應力增幅約1.0MPa,此時底板內部應力達到2.0MPa左右,抗裂安全度1.6,隨后受上部出水流道層降溫影響,下部底板應力有所減小。

以上分析表明,底板裂縫在早期產生,與現場實際出現裂縫的時間較為一致,主要是由于混凝土絕熱溫升過大(1天內升溫35℃)導致混凝土峰值溫度過高,在早期形成過大的內外溫差,導致底板混凝土開裂。

b.根據墩墻內部及外部表面最大主拉應力分布以及最小抗裂安全度分布,結合墩墻表面及內部應力σ1歷程(見圖5)進行分析。對于墩墻內部,尤其是墩墻中下部,拉應力大多超過3MPa,相應部位的抗裂安全度接近1.0,遠小于1.65的最小抗裂安全度要求,開裂風險很高;頂板內部拉應力為1.7～2.2MPa,其抗裂安全度為1.6～1.9,表明頂板內部開裂風險較小。

圖5 墩墻表面及內部特征點應力σ1歷程(短期)

對于墩墻以及各層頂板表面,拉應力大多超過1.6MPa,均出現在施工早期,對應部位的最小抗裂安全度小于1.3甚至小于1,混凝土表面開裂風險較大。

墩墻表面及內部應力歷程表明,由于內外溫差較大,墩墻表面在澆筑后2天即達到了應力峰值3.5MPa,超過此時的混凝土抗拉強度,開裂風險極高,此后應力逐漸下降。在墩墻內部,早期由于水化熱升溫及底板約束作用,內部產生了接近1.0MPa的壓應力,此后隨著降溫,內部應力逐漸增大,至2021年1月中旬,內部應力超過混凝土允許拉應力并持續增大,直至2021年4月下旬應力接近混凝土抗拉強度,開裂風險極高。

以上分析表明,墩墻在澆筑早期產生表面裂縫,后期由于整體溫降發展成深層裂縫,盡管現場采取了通水及木模保溫措施,但由于絕熱溫升過大產生了較高的峰值溫度,遠超溫控標準,在施工期形成較大的內外溫差及基礎溫差,從而導致混凝土開裂。同理,高程4.97m頂板裂縫由于在澆筑后沒有采取任何保溫覆蓋,遭遇氣溫驟降時,引起表面開裂。

c.除施工過程溫控措施不到位,流道層結構型式也不同,存在截面突變,裂縫主要分布在水泵孔附近(底板/頂板中間部位及1/4位置處)。樅陽泵站底板尺寸為:左聯37.65m(垂直水流)×36.70m(順水流)、右聯36.85m(垂直水流)×36.70m(順水流)。尺寸較大,且中間部位有孔洞,存在較大的應力集中。泵站裂縫大多形成在流道的截面突變處,是應力應變在結構的變化處釋放所致,這也是形成裂縫的另一個重要原因[7]。

4 裂縫處理方案、檢測及效果

4.1 裂縫處理方案

根據《水工混凝土結構設計規范》(SL 191—2008)第3.1.8條,結合相關混凝土裂縫處理方案:底板和出水流道長期處于水下,屬于二類環境,鋼筋混凝土結構構件正常使用極限狀態驗算時的最大裂縫寬度限值Wmax=0.30mm,經統計,該工程裂縫最大寬度為0.24mm,未超過規范限值。但為確保工程安全運行,在低溫季節對工程所有裂縫進行處理[8-12]。

a.根據資料統計,出水流道有11條裂縫深度大于鋼筋混凝土保護層厚度(保護層厚度為50mm),導致混凝土內鋼筋可以直接接觸外部環境(液體),給鋼筋留下銹蝕隱患,需及時封閉裂縫。因裂縫主要由澆筑時溫差造成,非結構受力或其他原因造成,且結構受力影響較小,可采用騎縫孔進行聚氨酯材料化學灌漿處理;對A類、B類裂縫深度大于300mm,共計16條裂縫,同樣做化學灌漿處理。

b.A類、B類深度不大于300mm,共計18條裂縫,縫口采用表面涂水泥基滲透結晶材料進行裂縫封閉。

c.樅陽泵站工程無C類、D類裂縫。

4.2 檢測方式及效果

a.依據《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》(GB 50550—2010)可采用三種方法進行檢測:超聲波法(僅用于混凝土構件)、取芯法(僅用于混凝土構件)、承水法。根據現場情況,最終選用取芯法。

b.注漿7天后,抽檢11條裂縫,采用鉆芯法取樣,依據規范《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)對每條裂縫兩個芯樣進行劈拉試驗和芯樣外觀描述。通過現場抽檢,各芯樣完整、芯樣裂縫被膠體填充密實、飽滿、黏結完整;芯樣內聚破壞、裂縫破壞面積均小于總面積的15%。

5 結 論

a.混凝土裂縫成因較多,機理復雜,包括基礎不均勻沉降、溫度和濕度的變化,混疑土的脆性和不均勻性,以及結構不合理、原材料不合格、模板變形等。為保證建筑物結構安全,一方面要從控制溫度、改變約束著手,另一方面應設法提高混凝土的抗裂性能。只有在施工中采取行之有效的措施,才能控制裂縫的出現或延伸,進而保證建筑物安全、穩定地工作。

b.本文通過監測數據,結合仿真計算,對樅陽泵站主機段混凝土裂縫成因進行了分析和確認,揭示了混凝土裂縫產生的原因,主要為混凝土內外溫差過大導致內部應力超過混凝土允許拉應力并持續增大,進而產生多條裂縫。

c.樅陽泵站主機段混凝土裂縫通過補強灌漿等施工工藝處理后,質量情況良好;2022年9月,樅陽泵站機組相繼試機成功,從下游側開始進水,流道層處于充水狀態,流道層均未發現滲水情況。