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[摘要]水工涵闸属于水工薄壁结构混凝土工程，开裂的可能性很大，其开裂的主要部位在水工涵闸的墩墙上。而且水工涵闸的底板也有开裂的可能。分別阐述水工涵闸混凝土的墩墙和底板裂缝的形式及其产生的原因，以期为未来水工涵闸墩墙结构的裂缝防治提供借鉴。
[关键词]水工涵闸 墩墙 底板 裂缝
中图分类号：TU5 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2009）0110072-02
一、导言
水工涵闸的裂缝发生的主要部位在底板和墩墙上。水工涵闸混凝土裂缝形成的主要原因有：建筑物结构设计不周引起的裂缝；基础处理不善引起的裂缝；结构型式复杂，分缝分块过长引起的裂缝；混凝土的温度变化引起的裂缝；施工质量控制不严引起的裂缝；运行期间，由于超载等原因出现裂缝。当底板混凝土修建在软土地基或弹性模量较小的地基上时，底板所受到的外部约束比较小，其裂缝的产生是由于自身的体积变化引起的，主要是由于温度的变化引起的。
二、水工涵闸墩墙结构的典型裂缝及其成因
（一）现象
水工涵闸混凝土墩墙结构经常出现“上不着顶，下不着底”的“枣核形”裂缝现象，像湖北荆江分洪北闸的闸墩、石梁河新泄洪闸的闸墩的裂缝，都是这种形式的裂缝。笔者原所在单位曾施工的仙桃市展翅长河三合垸闸的闸墩也曾出现过类似的裂缝，裂缝通常发生在施工期间的混凝土的表面，随后裂缝继续向内部深进，由于水工涵闸的墩墙较窄（一般只有lm左右），裂缝很容易贯穿整个墩墙，形成贯穿性的危害性很大的裂缝，贯穿裂缝多发生在浇筑后2－3个月或更长时间。缝宽受外界环境温度的变化影响较明显，冬季较宽，夏季较细。由于底板和墩墙混凝土的自身约束，沿截面高度方向，裂缝大多呈中间宽两端窄的“枣核形”。从混凝土表面看，裂缝底部通常是竖直的，而顶部则向两边倾斜。图1是裂缝容易出现的部位的示意图。
（二）成因
混凝土具有热胀冷缩的性质，其线胀系数一般为1×l0－5/℃左右，当温度发生变化时，混凝土结构就会产生温度变形。而建筑物往往受到各种约束（包括外约束和内约束）在温度变形和约束的共同作用下，产生温度应力，当这种应力超过混凝土的抗裂强度时就产生裂缝。
在水工涵闸墩墙混凝土结构中，裂缝一方面是由底板或基础约束引起的。由于墩墙和底板之间存在施工间歇时间，墩墙混凝土的变形受到底板的约束作用，一开始产生压应力，此时由于早期混凝土弹模小，徐变度大，压应力不大且很快会因松弛变形而降低；当上部混凝土温度下降时，由于底板对降温收缩变形的强约束，墩墙就会出现较大的拉应力，当拉应力超过混凝土的即时抗拉强度时，它便会出现由里及表的裂缝，且常常是贯穿性的。墩墙的基础温差愈大愈有可能出现这样的裂缝。
另一方面，混凝土为不良导热体，墩墙内外形成温差，引起混凝土温度变形的自约束，表面产生拉应力，也会有可能直接导致墩墙由表及里发展的裂缝。当墩墙较薄时，裂缝是贯穿性的。导致内外温差的原因主要有三种，一是在混凝土刚浇筑后的不久，当早期混凝土温度上升时，在表面散热的作用下，内部温度上升得快，表面温度上升得慢，形成内外温差；二是当温度下降时，同样由于外部散热快，有可能会导致更大的内外温差；三是当遇寒潮冷击或混凝土遇到大的昼夜温差时，表面温度骤降，内外温差变大，也会时有表面乃至贯穿性裂缝的出现。内外温差应力大多是短期温度变化所至，混凝土徐变来不及发挥作用，与长期的温度缓慢变化所至的应力相比较，拉应力会大些，更易出现裂缝。再之，混凝土的内外不均匀干缩变形也会增加浅层混凝土中的拉应力，有时也是直接导致墩墙混凝土开裂的主要原因之一。值得注意的是，当墩墙表面裂缝出现后，若再叠加缓慢变化增长的基础温差应力，表面裂缝仍然会向结构内部纵深发展，甚至会成为贯穿性裂缝。由于内外温差拉应力在整个混凝土结构的“早、中、晚”期都存在，自墩墙混凝土结构施工后，无论是在“早、中、晚”期，墩墙都有可能产生裂缝。因早期混凝土的抗拉强度不高，当墩墙混凝土刚刚浇筑2－3d时，尽管整个墙体还处在温升过程中，但是已经出现裂缝乃至贯穿性裂缝的现象是司空见惯的事，这时裂缝产生的机理主要就在于早期墩墙内外温差过大，表面拉应力过大。
另外，混凝土在空气中结硬时，体积会逐渐缩小，称之为收缩，由此造成的裂缝称之为“收缩裂缝”。混凝土收缩由两部分组成，一是湿度收缩，即混凝土中多余水分蒸发，体积减少，而产生收缩，这部分占整个收缩量的80%－90%；二是混凝土的自收缩，即水泥水化作用，使形成的水泥骨架不断密实，造成体积减小。混凝土收缩值一般为（0.2－0.4）%，收缩的发生规律是早期快，后期慢。影响混凝土收缩的因素很多，砂石级配差、砂太细、砂率太高、粗骨料中石粉含量、配合比不良、用水量或水泥用量太多，都会增加混凝土的收缩率。混凝土养护差也是造成混凝土收缩裂缝的原因之一。混凝土浇筑后，表面没有及时覆盖，受风吹日晒，表面游离水分蒸发过快，而内部湿度变化小，表面收缩变形受到收缩慢的混凝土的约束，因此在结构表面产生较大的拉应力，拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，即产生收缩裂缝。混凝土的收缩现象有好几种，包括干燥收缩、自身收缩和塑性收缩。干燥收缩即干缩，是混凝土中多余水分蒸发，体积减少，而产生收缩，这部分占整个收缩量的80%－90%；自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起，但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响正好相反，即当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自身收缩增大。如当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计，但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自身收缩与干缩则接近各占一半。自身收缩在混凝土体内均匀发生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收缩集中发生于混凝土拌合后的初龄期，因为在这以后，由于体内的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。换句话说，在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分已经产生，甚至已经完成，而不像干燥收缩，除了未覆盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后，因此只要覆盖了表面，就认为混凝土不发生干缩。在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，就要使应力增大。现今许多断面尺寸虽不很大，且水灰比也不算小的混凝土，也需要考虑将温度收缩和自身收缩叠加的影响，况且在这些结构里，两者的发展速率均要比大坝混凝土中快得多，因此也激烈得多，需要给予更充分的考虑。塑性收缩，在水泥活性大、混凝土温度较高，或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。
三、水工涵闸底板结构的典型裂缝及其成因
（一）现象
底板的温度裂缝随外界环境的温度的周期性变化而呈现出周期性变化的规律，与墩墙裂缝现象十分类似。
底板的沉陷裂缝多属深进或贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，有的在上部，有的在下部，一般与地面垂直或呈30°－45°角方向发展；较大的贯穿性沉陷裂缝，往往上下或左右有这定的错距，裂缝宽度受温度变形的影响小，因荷载大小而异，且与不均匀沉降值成比例。地基变形稳定后，沉陷裂缝也趋稳定。水工涵闸的底板混凝土沉陷裂缝主要为顺水流方向的裂缝，笔者所在的湖北省仙桃市在70-80年代兴建的部分涵闸，如大垸子闸、石山港闸的底板等都发现了这类裂缝，都进行了处理，查阅文献资料，存在这类裂缝的涵闸有：四女寺枢纽北进洪闸底板及斜坡段过流面表层混凝土各有14条裂缝，主要为顺水流方向的纵向缝。献县枢纽节制闸两边孔底板共有5条裂缝，其中左边孔一裂缝己上下贯通，裂缝总长48.06m。湖北省江汉航线新城船闸工程下闸首底板显露出的裂缝共有13条，裂缝总长约236m，裂缝表面宽度约0.2～4mm，且大多数裂缝与底板、闸室及消力池两边的伸缩缝连通。而底板混凝土的表面温度裂缝走向则无一定规律性，常纵横交错。裂缝宽度大小不一，一般在0.5mm以下，宽度变化不大。
（二）成因
水工涵闸底板混凝土表面温度裂缝的成因同墩墙混凝土裂缝的成因相似，特别当底板修建在坚硬的基岩上时，受到的约束作用就更大，有可能产生贯穿性的裂缝。由于墩墙增加了底板的刚度，使得底板的抗裂能力显著增强，一般不会出现垂直于水流方向的裂缝。水工涵闸底板的顺水流方向的裂缝主要是由于不均匀沉降所造成的。①由于地基土体软硬不均，或局部存在松软土，未经夯实和必要的加固处理，即使在相同的外荷载作用下，也会产生的不同的沉降量，从而引起混凝土的开裂；②结构各部位荷载悬殊，在关闸蓄水的情况下，上下游方向便受到不同的静水压力的作用，会引起地基的不均匀沉降；③墩墙传给底板的力也是不均匀的，混凝土浇筑后因地基受力不均，产生不均匀下沉，造成结构应力集中，导致出现裂缝；④当边墩外填土接近设计高程时底板中部顶面顺水流方向的就会有裂缝产生，这完全是由于边荷载影响形成的；⑤冬季施工，模板支架支承在冻土层上，上部结构未达到规定强度时，冻土化冻下沉，使结构下垂产生裂缝；⑥水工涵闸如果发生渗漏，带走土体的颗粒，也会使结构产生不均匀沉降。
四、结论
本文分析了水工涵闸混凝土结构裂缝的成因，墩墙的裂缝主要是温度裂缝和塑性收缩裂缝，而底板则主要为温度裂缝和地基的不均匀沉陷所产生。不同的原因导致的裂缝的危害程度也不相同，其中贯穿性裂缝的危害最大。
参考文献：
[1]邓进标、邹志军、韩伯鲤等，水工混凝土建筑物裂缝分析及其处理[M]，武汉：武汉水利电力大学出版社，1998.
[2]沈兴华、林秋英、王新赋，观音寺闸裂缝处理及效果评价，人民长江，2002（5）.
[3]朱岳明、黎军、刘勇军，石梁河新建泄洪水闸闸墩裂缝成因分析，红水河，2002（2）.
[4]郭念春、马殿君、徐艳军，沙颖河郑埠口枢纽工程节制闸闸墩裂缝成因分析，水运工程，2000（8）.
[5]王敬莲、贵秋明，新河大闸铺盖裂缝成因及防渗处理措施，湖南水利，1998.5.PP.25－26.
[关键词]水工涵闸 墩墙 底板 裂缝
中图分类号：TU5 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2009）0110072-02
一、导言
水工涵闸的裂缝发生的主要部位在底板和墩墙上。水工涵闸混凝土裂缝形成的主要原因有：建筑物结构设计不周引起的裂缝；基础处理不善引起的裂缝；结构型式复杂，分缝分块过长引起的裂缝；混凝土的温度变化引起的裂缝；施工质量控制不严引起的裂缝；运行期间，由于超载等原因出现裂缝。当底板混凝土修建在软土地基或弹性模量较小的地基上时，底板所受到的外部约束比较小，其裂缝的产生是由于自身的体积变化引起的，主要是由于温度的变化引起的。
二、水工涵闸墩墙结构的典型裂缝及其成因
（一）现象
水工涵闸混凝土墩墙结构经常出现“上不着顶，下不着底”的“枣核形”裂缝现象，像湖北荆江分洪北闸的闸墩、石梁河新泄洪闸的闸墩的裂缝，都是这种形式的裂缝。笔者原所在单位曾施工的仙桃市展翅长河三合垸闸的闸墩也曾出现过类似的裂缝，裂缝通常发生在施工期间的混凝土的表面，随后裂缝继续向内部深进，由于水工涵闸的墩墙较窄（一般只有lm左右），裂缝很容易贯穿整个墩墙，形成贯穿性的危害性很大的裂缝，贯穿裂缝多发生在浇筑后2－3个月或更长时间。缝宽受外界环境温度的变化影响较明显，冬季较宽，夏季较细。由于底板和墩墙混凝土的自身约束，沿截面高度方向，裂缝大多呈中间宽两端窄的“枣核形”。从混凝土表面看，裂缝底部通常是竖直的，而顶部则向两边倾斜。图1是裂缝容易出现的部位的示意图。
（二）成因
混凝土具有热胀冷缩的性质，其线胀系数一般为1×l0－5/℃左右，当温度发生变化时，混凝土结构就会产生温度变形。而建筑物往往受到各种约束（包括外约束和内约束）在温度变形和约束的共同作用下，产生温度应力，当这种应力超过混凝土的抗裂强度时就产生裂缝。
在水工涵闸墩墙混凝土结构中，裂缝一方面是由底板或基础约束引起的。由于墩墙和底板之间存在施工间歇时间，墩墙混凝土的变形受到底板的约束作用，一开始产生压应力，此时由于早期混凝土弹模小，徐变度大，压应力不大且很快会因松弛变形而降低；当上部混凝土温度下降时，由于底板对降温收缩变形的强约束，墩墙就会出现较大的拉应力，当拉应力超过混凝土的即时抗拉强度时，它便会出现由里及表的裂缝，且常常是贯穿性的。墩墙的基础温差愈大愈有可能出现这样的裂缝。
另一方面，混凝土为不良导热体，墩墙内外形成温差，引起混凝土温度变形的自约束，表面产生拉应力，也会有可能直接导致墩墙由表及里发展的裂缝。当墩墙较薄时，裂缝是贯穿性的。导致内外温差的原因主要有三种，一是在混凝土刚浇筑后的不久，当早期混凝土温度上升时，在表面散热的作用下，内部温度上升得快，表面温度上升得慢，形成内外温差；二是当温度下降时，同样由于外部散热快，有可能会导致更大的内外温差；三是当遇寒潮冷击或混凝土遇到大的昼夜温差时，表面温度骤降，内外温差变大，也会时有表面乃至贯穿性裂缝的出现。内外温差应力大多是短期温度变化所至，混凝土徐变来不及发挥作用，与长期的温度缓慢变化所至的应力相比较，拉应力会大些，更易出现裂缝。再之，混凝土的内外不均匀干缩变形也会增加浅层混凝土中的拉应力，有时也是直接导致墩墙混凝土开裂的主要原因之一。值得注意的是，当墩墙表面裂缝出现后，若再叠加缓慢变化增长的基础温差应力，表面裂缝仍然会向结构内部纵深发展，甚至会成为贯穿性裂缝。由于内外温差拉应力在整个混凝土结构的“早、中、晚”期都存在，自墩墙混凝土结构施工后，无论是在“早、中、晚”期，墩墙都有可能产生裂缝。因早期混凝土的抗拉强度不高，当墩墙混凝土刚刚浇筑2－3d时，尽管整个墙体还处在温升过程中，但是已经出现裂缝乃至贯穿性裂缝的现象是司空见惯的事，这时裂缝产生的机理主要就在于早期墩墙内外温差过大，表面拉应力过大。
另外，混凝土在空气中结硬时，体积会逐渐缩小，称之为收缩，由此造成的裂缝称之为“收缩裂缝”。混凝土收缩由两部分组成，一是湿度收缩，即混凝土中多余水分蒸发，体积减少，而产生收缩，这部分占整个收缩量的80%－90%；二是混凝土的自收缩，即水泥水化作用，使形成的水泥骨架不断密实，造成体积减小。混凝土收缩值一般为（0.2－0.4）%，收缩的发生规律是早期快，后期慢。影响混凝土收缩的因素很多，砂石级配差、砂太细、砂率太高、粗骨料中石粉含量、配合比不良、用水量或水泥用量太多，都会增加混凝土的收缩率。混凝土养护差也是造成混凝土收缩裂缝的原因之一。混凝土浇筑后，表面没有及时覆盖，受风吹日晒，表面游离水分蒸发过快，而内部湿度变化小，表面收缩变形受到收缩慢的混凝土的约束，因此在结构表面产生较大的拉应力，拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，即产生收缩裂缝。混凝土的收缩现象有好几种，包括干燥收缩、自身收缩和塑性收缩。干燥收缩即干缩，是混凝土中多余水分蒸发，体积减少，而产生收缩，这部分占整个收缩量的80%－90%；自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起，但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响正好相反，即当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自身收缩增大。如当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计，但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自身收缩与干缩则接近各占一半。自身收缩在混凝土体内均匀发生，并且混凝土并未失重。此外，低水灰比混凝土的自身收缩集中发生于混凝土拌合后的初龄期，因为在这以后，由于体内的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。换句话说，在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分已经产生，甚至已经完成，而不像干燥收缩，除了未覆盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后，因此只要覆盖了表面，就认为混凝土不发生干缩。在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，就要使应力增大。现今许多断面尺寸虽不很大，且水灰比也不算小的混凝土，也需要考虑将温度收缩和自身收缩叠加的影响，况且在这些结构里，两者的发展速率均要比大坝混凝土中快得多，因此也激烈得多，需要给予更充分的考虑。塑性收缩，在水泥活性大、混凝土温度较高，或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。
三、水工涵闸底板结构的典型裂缝及其成因
（一）现象
底板的温度裂缝随外界环境的温度的周期性变化而呈现出周期性变化的规律，与墩墙裂缝现象十分类似。
底板的沉陷裂缝多属深进或贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，有的在上部，有的在下部，一般与地面垂直或呈30°－45°角方向发展；较大的贯穿性沉陷裂缝，往往上下或左右有这定的错距，裂缝宽度受温度变形的影响小，因荷载大小而异，且与不均匀沉降值成比例。地基变形稳定后，沉陷裂缝也趋稳定。水工涵闸的底板混凝土沉陷裂缝主要为顺水流方向的裂缝，笔者所在的湖北省仙桃市在70-80年代兴建的部分涵闸，如大垸子闸、石山港闸的底板等都发现了这类裂缝，都进行了处理，查阅文献资料，存在这类裂缝的涵闸有：四女寺枢纽北进洪闸底板及斜坡段过流面表层混凝土各有14条裂缝，主要为顺水流方向的纵向缝。献县枢纽节制闸两边孔底板共有5条裂缝，其中左边孔一裂缝己上下贯通，裂缝总长48.06m。湖北省江汉航线新城船闸工程下闸首底板显露出的裂缝共有13条，裂缝总长约236m，裂缝表面宽度约0.2～4mm，且大多数裂缝与底板、闸室及消力池两边的伸缩缝连通。而底板混凝土的表面温度裂缝走向则无一定规律性，常纵横交错。裂缝宽度大小不一，一般在0.5mm以下，宽度变化不大。
（二）成因
水工涵闸底板混凝土表面温度裂缝的成因同墩墙混凝土裂缝的成因相似，特别当底板修建在坚硬的基岩上时，受到的约束作用就更大，有可能产生贯穿性的裂缝。由于墩墙增加了底板的刚度，使得底板的抗裂能力显著增强，一般不会出现垂直于水流方向的裂缝。水工涵闸底板的顺水流方向的裂缝主要是由于不均匀沉降所造成的。①由于地基土体软硬不均，或局部存在松软土，未经夯实和必要的加固处理，即使在相同的外荷载作用下，也会产生的不同的沉降量，从而引起混凝土的开裂；②结构各部位荷载悬殊，在关闸蓄水的情况下，上下游方向便受到不同的静水压力的作用，会引起地基的不均匀沉降；③墩墙传给底板的力也是不均匀的，混凝土浇筑后因地基受力不均，产生不均匀下沉，造成结构应力集中，导致出现裂缝；④当边墩外填土接近设计高程时底板中部顶面顺水流方向的就会有裂缝产生，这完全是由于边荷载影响形成的；⑤冬季施工，模板支架支承在冻土层上，上部结构未达到规定强度时，冻土化冻下沉，使结构下垂产生裂缝；⑥水工涵闸如果发生渗漏，带走土体的颗粒，也会使结构产生不均匀沉降。
四、结论
本文分析了水工涵闸混凝土结构裂缝的成因，墩墙的裂缝主要是温度裂缝和塑性收缩裂缝，而底板则主要为温度裂缝和地基的不均匀沉陷所产生。不同的原因导致的裂缝的危害程度也不相同，其中贯穿性裂缝的危害最大。
参考文献：
[1]邓进标、邹志军、韩伯鲤等，水工混凝土建筑物裂缝分析及其处理[M]，武汉：武汉水利电力大学出版社，1998.
[2]沈兴华、林秋英、王新赋，观音寺闸裂缝处理及效果评价，人民长江，2002（5）.
[3]朱岳明、黎军、刘勇军，石梁河新建泄洪水闸闸墩裂缝成因分析，红水河，2002（2）.
[4]郭念春、马殿君、徐艳军，沙颖河郑埠口枢纽工程节制闸闸墩裂缝成因分析，水运工程，2000（8）.
[5]王敬莲、贵秋明，新河大闸铺盖裂缝成因及防渗处理措施，湖南水利，1998.5.PP.25－26.