蔣海英

(新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什 844000)

1 工程概況

克孜河渡槽工程建筑物全長747m，為3級建筑物，主要由進(jìn)口漸變段、進(jìn)出口連接段、槽身段、槽身下部排架柱結(jié)構(gòu)、渡槽灌注樁基礎(chǔ)、出口漸變段及消力池等建筑物組成。其中渡槽槽身段總長660m，分為22跨，跨度為30m的后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土設(shè)計強度等級為C50；渡槽結(jié)構(gòu)為雙廂互聯(lián)式矩形渡槽，采用全封閉結(jié)構(gòu)，單孔凈寬5.5m，凈高3.5m，縱坡1/550，設(shè)計流量87m3/s，設(shè)計流量水深2.47m，加大流量100m3/s，加大流量水深2.63m。結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

克孜河渡槽工程地處位于喀什地區(qū)疏附縣木什鄉(xiāng)境內(nèi)，主要氣候特征為：氣溫日變化大，日照時間長；降水稀少，蒸發(fā)強烈，氣候干燥；冬季低溫期長，夏季炎熱，酷熱期短，春季升溫快，常有倒春寒，秋季短促，降溫迅速，屬于溫帶大陸性氣候類型。年平均氣溫11.7℃左右，歷年極端最高氣溫達(dá)42.3℃；歷年極端最低氣溫-25.3℃。多年平均年降水量為61.5mm，多年平均年蒸發(fā)量約為2487.1mm。多年平均風(fēng)速1.9m/s，風(fēng)向多為NW、NNW。

預(yù)應(yīng)力混凝土渡槽槽身分兩次澆筑，施工澆筑順序為先澆筑渡槽底板和八字墻，八字墻以上腹板和頂板二次澆筑，在2017年6月上旬澆筑完成4#渡槽底板和八字墻后，在澆筑了槽身腹板及頂板混凝土，拆模后第二天發(fā)現(xiàn)腹板部位出現(xiàn)豎向裂縫，裂縫總條數(shù)為43條；經(jīng)調(diào)整混凝土配合比后，澆筑了3#槽身腹板及頂板，拆模后腹板部位仍出現(xiàn)裂縫共計36條。后期其他跨渡槽經(jīng)優(yōu)化混凝土配合比、控制入倉溫度等措施，仍在拆模后不斷出現(xiàn)豎向裂縫，典型跨段的裂縫分布如圖2所示。渡槽混凝土裂縫問題未得到根本解決，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和質(zhì)量。

2 渡槽結(jié)構(gòu)溫控設(shè)計要求

渡槽作為一種常用輸水建筑物，對混凝土抗?jié)B、防裂相對一般混凝土結(jié)構(gòu)來說要求相對更高，而且渡槽槽身中墻、邊墻底座及頂部截面尺寸達(dá)到1.2m，在澆筑初期容易出現(xiàn)較大的內(nèi)表溫差，在養(yǎng)護(hù)期容易受環(huán)境溫度影響而出現(xiàn)劇烈溫度變化，從而引發(fā)溫度裂縫；再加上渡槽混凝土結(jié)構(gòu)處于戈壁干旱區(qū)，環(huán)境阻擋小，風(fēng)力較大，更容易造成渡槽早齡期降溫過快；三是高強混凝土水膠比偏低，高強混凝土自收縮偏大，三種條件疊加對混凝土防裂帶來了極大難度。因此有必要對渡槽溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，進(jìn)而采取有針對性的溫控措施。

在設(shè)計階段針對渡槽施工期的溫度應(yīng)力分布規(guī)律、防裂保護(hù)應(yīng)對措施，設(shè)計單位委托開展了專項研究，采用Midas Civil有限元軟件，建立克孜河渡槽溫度應(yīng)力分析的有限元模型，展開施工期溫度應(yīng)力仿真分析，研究渡槽混凝土隨著齡期的增長溫度及溫度應(yīng)力的分布特點及規(guī)律，并根據(jù)分析結(jié)果提

圖1 渡槽截面示意圖(單位：mm)

圖2 典型跨段的裂縫分布圖

(1)施工期溫控標(biāo)準(zhǔn)

參照SL 677—2014《水工混凝土施工規(guī)范》，結(jié)合克孜河渡槽工程結(jié)構(gòu)尺寸相對偏小，根據(jù)施工期溫控計算成果，提出渡槽結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)有害溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)為：內(nèi)表溫差控制在25℃、最高內(nèi)部溫度控制在70℃，施工期混凝土降溫速率不超過2.5℃/d。

(2)施工期溫控措施

合理選擇混凝土原材料，選擇級配良好的砂、石料、外加劑，以降低水泥用量，控制砼水化熱溫升，是大體積混凝土溫控的重要環(huán)節(jié)；優(yōu)化混凝土配合比，降低水化熱溫升，配合比應(yīng)在規(guī)范允許范圍內(nèi)盡量摻加粉煤灰等礦物摻合料，以減少水泥用量，降低混凝土的水化熱溫升。

(3)施工期溫度監(jiān)測建議

根據(jù)設(shè)計階段仿真分析結(jié)果，施工期的中腹板、邊腹板底座及頂部受大體積混凝土水化熱、環(huán)境溫度等影響，會出現(xiàn)拉應(yīng)力超限；經(jīng)外表面遮蓋保溫、兩端擋風(fēng)保溫等措施，能夠解決拉應(yīng)力超限問題。但實際生產(chǎn)過程中，由于環(huán)境溫度變化、混凝土入倉溫度、保溫措施與理論分析的情況不完全相同，選擇若干跨渡槽，通過溫度監(jiān)測可以有助于混凝土防裂，并為其他跨渡槽提供參考。

3 槽身混凝土施工過程

按照渡槽槽身專項施工方案及設(shè)計混凝土配合比(見表1)，實施完成4#槽身混凝土澆筑，拆模后發(fā)現(xiàn)槽身腹板部位存在豎向裂縫，總計43條，裂縫寬度約為0.1～0.39mm，裂縫深度為25～443mm，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)中腹板裂縫具有左右對稱的特點，并經(jīng)超聲波檢測為貫穿裂縫；當(dāng)3#槽身澆筑養(yǎng)護(hù)拆模后，槽身腹板部位仍出現(xiàn)豎向裂縫，總計出相應(yīng)的措施，以達(dá)到在渡槽施工期間有效防裂的目的。

表1 混凝土施工配合比

36條，裂縫寬度約為0.08～0.37mm，裂縫深度為50～491mm，中腹板裂縫仍為貫穿裂縫。為減少裂縫，經(jīng)專家論證提出進(jìn)一步細(xì)化溫控和養(yǎng)護(hù)措施，同時對混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化，膨脹劑由6%調(diào)至8%，粉煤灰由20%調(diào)至30%，經(jīng)調(diào)整后的混凝土配合比見表1，其中膨脹劑為UEA，減水劑為萘系；當(dāng)2#槽身澆筑養(yǎng)護(hù)拆模后，槽身腹板部位再次出現(xiàn)36條豎向裂縫，裂縫寬度約為0.04～0.32mm，裂縫深度為52～402mm。經(jīng)專家咨詢論證，提出增加中腹板鋼筋，再次優(yōu)化混凝土配合比，并將減水劑更換為聚羧酸高效減水劑。

由于缺乏在干旱沙漠環(huán)境下施工的經(jīng)驗，施工單位在混凝土配合比不斷調(diào)整，并采取其他溫控措施，以期減少施工期渡槽混凝土裂縫，當(dāng)實施第十五跨渡槽施工時，在槽身內(nèi)模粘貼保溫板等溫控措施，槽身模板拆除后，槽身頂板和底板兩端封堵蓄水養(yǎng)護(hù)，并對河砂進(jìn)行清洗，含泥量由2.5%降至1.5%，粉煤灰細(xì)度模數(shù)降低至15%，水泥細(xì)度模數(shù)提高至400，養(yǎng)護(hù)水與混凝土表面溫度控制在15℃以下，但裂縫問題仍未解決，且裂縫數(shù)量達(dá)到了64條，接近裂縫最大值。繼續(xù)施工第十六跨，各項措施與十五跨一致，裂縫數(shù)為48條。

經(jīng)統(tǒng)計分析，已完工的21跨槽身全部出現(xiàn)裂縫，主要分布于槽身腹板內(nèi)緣，且基本呈規(guī)律分布，總計裂縫881條，其中最少為12條、最多達(dá)71條，平均每跨約40條；其中553條裂縫寬度小于0.2mm，328條裂縫寬度大于0.2mm，最大裂縫寬度為0.4mm。經(jīng)抽查檢測表明，上述中腹板均為貫穿性裂縫。

4 裂縫成因分析

該工程槽身混凝土開裂原因復(fù)雜，主要影響因素包括施工區(qū)環(huán)境惡劣、混凝土原材料品質(zhì)、溫差荷載和應(yīng)力效應(yīng)、晝夜溫差效應(yīng)、施工間隔等諸多原因。根據(jù)目前裂縫分布特性、規(guī)律及相關(guān)材料分析，由于工程區(qū)施工氣候環(huán)境條件惡劣，加之混凝土性能、溫控措施、施工工藝等綜合因素影響，致使渡槽槽身產(chǎn)生豎向裂縫。

(1)施工區(qū)環(huán)境條件。從工程所在地的施工條件角度，工程區(qū)施工環(huán)境氣候干燥，喀什噶爾河流域50年平均相對濕度為48.06%，使得混凝土水分散失快，保溫、保水養(yǎng)護(hù)非常困難，研究表明低濕度的環(huán)境條件造成與混凝土內(nèi)部較大的濕度梯度差，使得水分?jǐn)U散現(xiàn)象顯著，從而造成低濕度條件下高強混凝土早齡期干燥收縮變形增加，且環(huán)境濕度越小，早齡期收縮變形越大；其次工程區(qū)風(fēng)力較大，50年流域平均風(fēng)速為1.9m/s，試驗研究表明，風(fēng)吹條件下暴露于空氣中的高強混凝土都出現(xiàn)了早期裂縫，摻粉煤灰混凝土開始出現(xiàn)裂縫的時間隨粉煤灰摻量的增加而延遲，而最終的開裂程度并不一定隨粉煤灰摻量的增加而減輕；日夜溫差大，圖3分別為工程區(qū)6月份和11月份歷史均值高溫和歷史均值低溫，6月份日平均溫差達(dá)到13.6℃，11月份日平均溫差達(dá)到12.4℃，且同時溫度起伏變化飄忽不定，日夜高溫差給混凝土保溫養(yǎng)護(hù)帶來了極大困難。

圖3 工程區(qū)典型月份溫度過程表

(2)原材料品質(zhì)和混凝土配合比。由于工程區(qū)施工條件限制，砂石料采用克孜河中的天然骨料，存在級配差、含泥量控制難度大等問題，經(jīng)檢測砂的含泥量在2.5%～14.5%不等，造成了混凝土和易性差，施工穩(wěn)定性差、且易塌落度損失快，而且對混凝土的耐久性有很大的影響；同時由于渡槽混凝土設(shè)計強度等級為C50，粗骨料采用5～20mm粒徑的天然骨料，骨料級配差，骨料和砂漿之間的粘結(jié)性能偏弱，早齡期抗拉強度提高慢；第三，高強混凝土早期收縮較大，當(dāng)早期收縮受到抑制，高強混凝土易于早期開裂，尤其本工程采用的水膠比為0.3高強混凝土，由于內(nèi)部水分不足，持續(xù)的自干燥作用導(dǎo)致較大的自收縮，且占收縮總值的比例越大，前三天的自收縮達(dá)到總收縮50%左右。吳勝興等研究表明，隨著水灰比的減小，混凝土早期自收縮、干燥條件下的總收縮及自收縮在總收縮中所占比例均顯著增大；1d齡期內(nèi)，混凝土的自收縮發(fā)展非常迅速，且低水灰比的混凝土中總收縮主要是由自收縮引起的。因此，為防止早齡期開裂，低水膠比早期混凝土養(yǎng)護(hù)要求高，進(jìn)一步增加了產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險。

(3)溫控措施及養(yǎng)護(hù)不當(dāng)。溫差荷載是導(dǎo)致混凝土開裂的重要原因，合理控制水化熱溫差、環(huán)境溫差和養(yǎng)護(hù)溫差尤為重要。根據(jù)JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中6.13.2規(guī)定，大體積混凝土施工應(yīng)提前制定專項施工技術(shù)方案，并應(yīng)對混凝土采取嚴(yán)格溫度控制措施。大體積混凝土的澆筑、養(yǎng)護(hù)和溫度控制“應(yīng)使其內(nèi)部最高溫度不大于75℃、內(nèi)表溫差不大于25℃”“熱期施工時，宜采取措施降低混凝土的入模溫度，且其入模溫度不高于28℃”“降溫速率宜不大于2℃/d，……，養(yǎng)護(hù)水溫度和混凝土表面溫度的差值應(yīng)不大于15℃”。

根據(jù)內(nèi)部溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，混凝土內(nèi)部溫度在16～18h達(dá)到最高溫度57℃，隨后溫度開始下降，到澆筑后第三天拆模時混凝土內(nèi)部溫度一般為48℃，拆模后第二天溫度一般在37℃。因此根據(jù)施工記錄，可反推混凝土內(nèi)部溫降速率，混凝土內(nèi)部溫度從最高溫度57℃到拆模，平均日降溫速率超過了5℃；而拆模后一天的降溫速率更是達(dá)到了11℃，溫降速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計單位提出的施工期混凝土降溫速率不超過2.5℃/d的要求。過快的降溫速率導(dǎo)致了混凝土快速冷卻收縮，從而造成混凝土在拆模時就發(fā)現(xiàn)開裂，在拆模后幾天混凝土裂縫數(shù)量仍然不斷增加，裂縫長度和寬度均在擴展。同時由于施工現(xiàn)場條件限制，在拆模后采用渠道中殘留的水進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)，常溫冷水對內(nèi)部仍處于高溫的混凝土造成溫度沖擊，進(jìn)一步加劇了混凝土裂縫的擴展。

(4)施工間隔過長。由于渡槽在施工組織設(shè)計上未考慮采用整體澆筑施工工藝，腹板和頂板鋼筋的綁扎和立模時間需要在底板混凝土達(dá)到一定強度后進(jìn)行，造成底板和腹板施工間隔時間偏長，根據(jù)施工記錄統(tǒng)計，兩個時間間隔普遍在15d以上，此時底板強度提高達(dá)到或接近設(shè)計強度，從而會對腹板結(jié)構(gòu)形成較強約束，從而引發(fā)混凝土開裂。

5 結(jié)論與建議

(1)對于干旱區(qū)大跨度預(yù)應(yīng)力渡槽，由于施工區(qū)環(huán)境惡劣、混凝土原材料品質(zhì)、溫差荷載和應(yīng)力效應(yīng)、晝夜溫差效應(yīng)等不利于渡槽防裂的施工因素，采取優(yōu)化混凝土配合比、強化溫度監(jiān)控、加強保濕保溫養(yǎng)護(hù)等有針對性的溫控措施。

(2)原材料品質(zhì)控制不嚴(yán)、高強混凝土配合比自收縮大、溫控措施及養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、施工間隔過長是造成克孜河渡槽工程混凝土開裂嚴(yán)重的主要因素，今后類似工程應(yīng)吸取教訓(xùn)，加強施工組織設(shè)計，尤其是制定混凝土防裂專項施工方案。

(3)根據(jù)現(xiàn)場勘查及現(xiàn)有檢測資料，裂縫多位于槽身腹板受壓區(qū)，初步分析裂縫對渡槽結(jié)構(gòu)抗拉、抗壓安全影響有限，但考慮裂縫深度和長度具有一定規(guī)模，部分裂縫呈貫穿趨勢，裂縫削弱了箱梁混凝土抗剪截面，對渡槽結(jié)構(gòu)抗剪安全有一定影響。因此，建議對裂縫進(jìn)行全面檢測，探測每跨槽身逐條裂縫的寬度、長度、深度及分布情況，開展裂縫對渡槽槽身結(jié)構(gòu)安全分析評價。

(4)在裂縫對渡槽槽身結(jié)構(gòu)安全分析評價基礎(chǔ)上，對混凝土裂縫進(jìn)行處理，以確保渡槽結(jié)構(gòu)整體性，防止鋼絞線發(fā)生腐蝕，從而影響渡槽結(jié)構(gòu)安全性。