（水工结构工程专业论文）宿迁刘老涧三线船闸闸室墙裂缝分析与研究.pdf

摘要 近年来，我国水运事业蓬勃发展，但在工程结构领域中存在一个相当普遍的问题就是 结构物的裂缝，并且日趋增多，它已极大地影响到混凝土的耐久性，并困扰着大批工程技 术人员和管理人员，是迫切需要解决的技术难题。对于正在大量建设的各种水工建筑物的 结构混凝土开裂现象，急需深入研究混凝土开裂问题、混凝土结构加固及混凝土裂缝的预 防措施。 本文在广泛了解国内外混凝土裂缝开裂问题的的基础上，以江苏省宿迁刘老涧三线船 闸工程为背景，对船闸闸窒墙的开裂问题进行了比较全面的研究，阐述了船闸混凝土裂缝 的危害，对刘老涧船闸闸墙的裂缝分布与裂缝性状进行了调查，由裂缝实测资料及施工原 始资料定性地分析了裂缝的成因。 对a n s y s 软件进行了二次开发并以此为计算工具，利用a n s y s 强大的计算处理功能对 闸室墙身的设计配筋进行了各种工况的复核；通过a n s y s a p d l 实现了闸墙混凝土温度场 及应力场的仿真模拟计算，得出了a n s y s 在求解非线性问题时的一些结论；针对船闸裂缝 出现的原因，综合性地提出了行之有效的预防和处理措施，为今后船闸在设计和施工中避 免裂缝的产牛提供了借鉴和参考价值。 关键词：船闸闸室墙；裂缝；有限元；内力分析；温度场；应力场 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c h i n a sw a t e rt r a n s p o r t a t i o n c a u s eh a sb e e n d e v e l o p i n gf l o u r i s h i n 2 ly n o w e v e r ，c r a c k so fs t r u c t u r ea r ev e 呵c o m m o ni nt h ee n g j n e e r i n gs t r u c t u r ed o m a i n t h ec r a c k p r o b l e m ，w h i c hi a 唱e i yi n f l u e n c e st h ed u r a b i i i t yo fc o n c r e t ea n do b s e s s e sal a r g en u m b e ro f e n g m e e n n gt e c h n l c i a n sa n dm a n a g e r s ，i so nt h ei n c r e a s e ，a n dt h e r e f o r e ，i ts h o u i db es o l v e da s e a i ya sp o s s m l e c r a c kp r o b l e m ，s t r u c t u r er e i n f o r c e m e n t ，a n dc r a c kp r e v e n t i o no ft h ec o n c r e t e s h o u l db ed e e p l yr e s e a r c h e df o rt h ec o n c r e t ec r a c k p r o b i e m si nt h eh y d r a u i i cs t r u c t u r e sw h i c ha r e b e i n gc o n s t r u c t e d b a s e do nt h eb r o a du n d e r s t a n d i n go fd o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lc o n c r e t ec r a c k p r o b l e m s ， m a k l n gt h et h i r dl i n eo fl i u i a o j i a ns h i p - i o c ke n g i n e e r i n gi ns u q i a n ，j i a n g s up r o v i n c ea st h e b a c k g r o u n d ，t h ec r a c k si nt h ec h a m b e rw a j l so ft h es h i p i o c ka r ec o m p r e h e n s i v e i y r e s e a r c h e d a n dt h eh a r n lo ft h ec o n c r e t ec r a c k si nt h es h i p i o c ki s d e s c r i b e d t h ed i s t r i b u t i o n sa n dt r a i t so f t n ec r a c k smt h ec h a m b e ro ft h el i u l a o j i a ns h i p - i o c ka r e i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ec a u s e so fc r a c k s a r eq u a l l t a t l v ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t ao f c r a c k sa n dr a wd a t ao f c o n s t r u c t i o n jh es e c o n d a 叮d e v e l o p m e n t0 fa n s y ss o f h a r ei s u s e da sac a l c u l a t i n gt o o i b vt h e p o w e r t u jc o m p u t i n gf u n c t i o no fa n s y s ，a l lt h ec o n d i t i o n so f t h er e i n f o r c e m e n td e s i 2 no ft h e c n a m b e rw a l i sa r er e c h e c k e d b ya n s y s - a p d l ，s i m u i a t i o nc a l c u l a t i o n so ft h et e m p e r a t u r ea n d s t r e s sf l e l d so f 。t h ec h a m b e rw a l l sa r e d o n e ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sf o ra n s y st os oj v en o n j i n e a r p r o b i e m sa r e0 b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ec a u s e so fc r a c k si nt h es h i p 1 0 c k ，e f r e c t i v ep r e v e n t i o n a n ( 1t r e a t m e n tm e a s u r e s ，w h i c ha r er e f b r e n c e sf o r t h em t u r ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f s h i p l o c k s ， a r eg i v e n k e yw o r d s ：c h a m b e rw a so fs h i p 。i o c i s ；c r a c i s ；f j n i t ee l e m e n tm e t h o d ；i n t e m a l f o r c e a n a j y s l s ，t e mp e r a t ur ef i e i d ；s t r e s sf i e l d 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签孙孕硒他一2 0 0 8 年p 胂 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 8 叮月，忙 河海犬学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 目前，在工程结构领域中一个相当普遍的问题就是结构物的裂缝，并且近年来日趋 增多，它已极大地影响到混凝土的耐久性，并困扰着大批工程技术人员和管理人员，是 迫切需要解决的技术难题。 根据报导，世界各经济发达国家也逐渐把建设的重点转移到水工建筑物、桥梁、隧 道等混凝土结构的维修、改造、加固。据美国劳工部统计，旧房屋维修改造是最受欢迎 的九类行业之一，混凝土基建工程总价值达6 万亿美元，由于耐久性不好，重建与维修 费用高达数千亿美元，价值l 万亿美元的公路系中，有2 5 万座桥梁遭受破坏，重建与维 修的费用需要4 5 0 0 亿美元。英国在1 9 7 5 年一1 9 8 0 年新建工程数量和费用减少，建筑维 修、改造的项目却逐年增加，1 9 7 8 年用于投资改造的费用是1 9 6 5 年的3 7 6 倍，1 9 8 0 年建 筑物维修、改造工程占英国建筑工程总量的三分之二，英国的路桥维修和重建费用也高 达6 亿英镑年。根据美国国家公路合作研究计划1 9 9 5 年检查的结果表明：有1 0 万座混凝 土桥面板是在混凝土浇筑后一个月内，就出现了间隔1 3 米的贯穿性裂缝【l l 。 在我国，许多重大混凝土工程在不到十年内破坏所造成的损失也十分的惊人。从桥 梁、路面等交通设施到沿海的海港工程结构，从民用建筑、商业建筑到一些化工、冶金 工业建筑，开裂问题的影响极其广泛。据了解，“一五”期间，更新改造资金只相当于同 期基本建设投资的4 2 ，“三五”期问己达2 7 ，“四五”期问为3 1 7 ，“七五”期间己达 5 4 。所以，对于正在大量建设各种基础设施而结构混凝土开裂现象普遍的我国，迫切 需要深入开展对混凝土开裂问题、混凝土结构加固、混凝土裂缝预防的研究。 船闸是一种以闸门挡水为主的低水头水工建筑物，既能挡水，又能泄水，我国修建 船闸的历史可追溯到公元前6 世纪的春秋时代，据水经注记载，在位于今安徽寿县 城南的芍坡灌区中即设有进水和供水用的5 个水闸。船闸是平原地区常见的水工建筑物。 船闸开裂也是一个普遍现象，裂缝的形成原因也错综复杂，裂缝的产生主要是由于混凝 土在约束条件下的体积变形引起，如温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降变形等。此 类裂缝几乎占全部裂缝的8 0 以上。根据调查和研究分析知，混凝土的温度及收缩应力 是大量船闸产生裂缝的主要原因：比如在观音寺闸的底板上发现了多达1 2 7 条裂缝，其 中2 4 条为贯穿性裂缝【3 】；还有黄沙港闸是苏北里下河地区四大港排水挡潮的主要控制工 程之一，建于1 9 7 2 年，共1 6 孔，1 9 8 l 1 9 9 8 年，共发现7 孔底板有裂缝，其中7 号孔出现 1 第一章绪论 冒水现象，危及闸身安全；新丌沱河节制闸中闸墩在混凝土浇筑后4 1 0 天内出现裂缝； 边墩在混凝土浇筑2 0 天后出现裂缝，最大缝长为4 4 8 m ，最大缝宽为0 4 m m ；在沙颖河 郑埠口枢纽工程节制闸闸墩上曾发现4 5 条裂缝【4 】；在江苏宿迁市境内，于2 0 0 5 年同年开 工的皂河船闸、泗阳船闸、刘老涧三线船闸以及2 0 0 5 年已竣工的宿迁船闸，尽管施工中 采取了一系列的防裂措施，但船闸闸首及闸室墙身在砼浇筑拆除模板后，均陆续出现不 同程度的裂缝。另外闸基地质结构面的不均匀而导致的不均匀沉降也使许多船闸出现裂 缝：1 9 6 7 年8 月建成的献县枢纽节制闸，在施工过程中发现左孔底板有裂缝渗水，经检 查，两边孔底板共有5 条裂缝，其中左边孔一裂缝已上下贯通，裂缝总长4 8 0 6 m ；1 9 7 3 年投入运行的樊口大闸排水闸胸墙除4 号、7 号、9 号孔外，其余各孔均存在裂缝，裂缝一般 位于胸墙及闸墩连接处，沿铅直方向自顶部向下发展；在法汹闸也发现了裂缝【5 】；在石 梁河水库新泄洪闸上除边墙外几乎每个闸墩都发现了1 3 裂缝1 6 】。还有由于设计不慎、 施工不到位以及管理不善造成的船闸开裂；比如新河大闸在铺盖上发现了3 条横向贯穿 性裂缝就是由于设计方面原因横向未设伸缩缝，施工方面工艺简陋，运行管理不善，首 先产生温度与干缩裂缝，随着水流的渗透，时间的推移，地基产生渗流变化，最后导致 裂缝并扩展；1 9 7 5 年1 1 月竣工的大西头枢纽节制闸于2 0 0 4 年底板清淤后发现，左边孔、中 孔底板上各有一条裂缝，经调查由于施工质量差和地基沉陷不均匀所致；1 9 9 9 年3 5 月， 在对四女寺枢纽工程北进洪闸底板及上游铺盖检查时，发现底板及斜坡段过流表层混凝 土共有4 2 条裂缝，2 0 0 0 年再次清淤检查时发现底板水平段裂缝增至1 4 条，总长8 1 m ；斜 坡段裂缝也增至1 4 条，总长7 1 1 3 m 1 7 l ；湖北省江汉航线新城船闸工程于1 9 9 7 年1 2 月2 6 同开工，上下闸首采用钢板桩支护垂直开挖，底板均分两层浇注，底板浇注完成后，上 下闸首均灌水反压，汛后清理时发现闸首底板有裂缝产生【9 j ；在淮河入海水道滨海立交 地涵在多个涵洞侧墩墙上也曾发现1 3 条垂直向裂缝。另外由于荷载及其他非荷载原因 引起的船闸开裂的工程也相当多，就不作列举。综上所述，船闸的裂缝问题是船闸工程 的一个普遍问题，有必要对其进行研究和有效的预防处理。 1 1 1 船闸裂缝的危害 船闸裂缝一旦形成，混凝土内的氧化钙就会随裂缝中的渗水析出，使混凝土强度明 显降低，并加快表面风化；如果是钢筋混凝土，裂缝的存在会使钢筋很快锈蚀，断面减 小直致断裂，从而破坏了结构的整体性，改变了设计安排的应力分布图形，改变了混凝 土建筑物的受力条件，使结构发生破坏，将会产生一系列严重的后果： 2 河海人学硕t 学位论文 ( 1 ) 加速渗漏破坏。混凝土裂缝将使水工建筑物产生渗漏，渗漏的结果，一方面在 压力水作用下使裂缝逐步扩宽和发展，另一方面当水渗入混凝土内部后将一部分水泥的 某些水化物中最容易被溶解的是c a ( o h ) 2 ，它被溶蚀后会促使水泥水化物的水解。首先 引起水解破坏的是水化硅酸三钙和水化硅酸二钙的多碱性化合物，然后是低碱性的水化 产物( 如c a o s i 0 2 ) 的破坏，由此可能导致混凝土结构物的破坏。根据调查，由裂缝引起 的各种不利结果中，渗漏水占6 0 ( 2 ) 加速混凝土碳化。混凝土裂缝的存在，使空气中的二氧化碳极易渗透到混凝 土内部与水泥的某些水化产物相互作用形成碳酸钙，这就是常说的混凝土碳化。在潮湿 的环境下二氧化碳能与水泥中的氢氧化钙、硅酸三钙、硅酸二钙相互作用并转化成碳酸 盐，中和水泥的基本碱性，使混凝土的碱度降低，使钢筋纯化膜遭受破坏，当水和空气 同时期渗入时，钢筋就产生锈蚀。同时由于混凝土碳化会加剧混凝土收缩开裂，导致混 凝土结构物破坏。 ( 3 ) 降低混凝土抵抗各种侵蚀介质的耐腐蚀性能力。混凝土腐蚀有三种类型： ( a ) 溶蚀型混凝土腐蚀。即当水通过裂缝渗入混凝土内部或是软水与水泥石作用时， 将一部分水泥的水化产物( 如c a ( o h ) 2 ) 溶解并流失，引起混凝土破坏。 ( b ) 酸盐( 酸性液体) 腐蚀和镁盐腐蚀。这类腐蚀的主要生成物是不具有胶凝性，且易 被水溶解的松软物质。这类物质能被通过裂缝或孔隙渗透入混凝土内部的水所溶蚀，使 混凝土中的水泥石遭到破坏。 ( c ) 结晶膨胀型腐蚀。它是混凝土受硫酸盐的作用，在裂缝和混凝土孔隙中形成低溶 解度的新生物，逐步累积后将产生巨大的应力使混凝土遭受破坏。 ( 4 ) 影响船闸的结构强度和稳定性。混凝土裂缝直接影响船闸的结构强度和整体稳 定性。轻则会影响船闸的外观、正常使用和耐久性，严重的贯穿性裂缝则可能导致船闸 的完全破坏。 ( 5 ) 加快钢筋的腐蚀。混凝土的裂缝使混凝土对钢筋的保护作用削弱，在裂缝部位， 水和空气等物质和钢筋直接接触，钢筋很容易受到腐蚀，钢筋腐蚀后，抗拉性能减弱， 裂缝进一步扩大，形成更大的危害。 综上所述，船闸等大体积混凝土结构开裂的危害极大，对船闸裂缝的研究具有重 大的理论意义；同时，恰当的加固措施，可以大量地节约工程投资，具有良好的经济效 益。 1 2 国内外裂缝研究现状 1 第一章绪论 目前，国内外关于大体积混凝r 十丌裂问题的研究，主要集中在以下三个方面：混凝 土早期，f ：裂与微裂缝问题、胶凝材料对混凝土丌裂的影响问题以及温度对丌裂的影响问 题。 1 2 1 早期开裂与微裂缝问题 裂缝的产生主要是由于混凝土在约束条件下的体积变形引起，如温度变形、收缩变 形、基础小均匀沉降变形等。此类裂缝几乎占全部裂缝的8 0 以上。变形引起的裂缝， 目i j 仃的研究还很不成熟，缺乏有关规范及规程。涉及到结构设计、地基情况、施工技术、 材料质量、环境条件等等各方面因素。此类丌裂问题经常发生在混凝土的早期，这一阶 段对于混凝土的开裂过程来说是非常关键的。在早期混凝上的体积变化最剧烈，杨氏模 量从零增长到数十g p a ，水化热大多集中在早期释放，混凝土硬化后的应力松弛能力也 持续变化。由于混凝土的抗拉强度和极限拉应变相对都较低，早期约束变形引起的应力 可能会使得混凝土产生裂缝，而这种早期裂缝对混凝土的耐久性影响极大。混凝土中普 遍存在可见和不可见裂缝，钢筋混凝土结构构建大都是带裂缝工作的，根据m e h t a 的混 凝土耐久性整体模型【l0 1 ，混凝土早期产生的这些裂缝，必将为以后侵蚀性物质的进入提 供通道而危及钢筋产生锈蚀，降低混凝土的整体性，加剧混凝土的破坏，同时这也成为 荷载作用下的裂纹源。把着眼点放在早期的混凝土，对深入研究混凝土的开裂有重要作 用。收缩应变大小仅是引起混凝土开裂的一方面因素，另一方面因素还与混凝土的弹性 模量、徐变和抗拉强度有关。弹性模量越小，一定量收缩引起的弹性拉应力越小，徐变 越大，应力松弛越显著，残余拉应力就越小，抗拉强度越高，拉应力使材料开裂的危险 越小。要综合考虑以上因素，才能准确判定混凝土早期的开裂趋势，从而跳出原有研究 的局限。 混凝土早期开裂问题逐渐受到重视，迄今为止国际材料与结构试验和研究实验室联 合会已经开过三次国际会议： ( 1 ) “早期混凝土”国际会议，法国巴黎，1 9 8 2 ；其主要内容包括混凝土轻骨料、新型 混凝土减水剂、纤维混凝土和喷射混凝土四个方面。会议宣读了十八篇报告，其中设计 混凝土裂缝机理的三篇，关于规程、质量方面三篇，应用方面七篇，其他方面四篇。 ( 2 ) “混凝土早期热裂缝”国际会议，德国慕尼黑，1 9 9 4 ；会议主题指出大体积的混凝 土结构由于水泥水化放热而引起结构的开裂现象非常普遍，针对混凝土大坝及其他大体 积水工结构建设的需要，开发出一系列避免其开裂的办法；例如，在混凝土里掺用火山 4 - 河海大学硕士学何论文 灰、采用低热水泥，利用大粒径的粗骨料、非常低的水泥用量，以及采用预冷拌合物原 材料、限制浇注层高和预埋管道冷却等措施，进一步获得降低水化温峰的效果。 ( 3 ) “胶凝系统的早期歼裂”国际会议，以色列海法，2 0 0 l 。 1 2 2 胶凝材料体系对开裂的影响 影响混凝土抗裂性的主要因素无疑是胶凝材料体系( 包括水泥本身和各种掺和料以 及外加剂和水胶比) ，且不论骨料等因素对于混凝土抗裂性的影响。对于我国，混凝土 开裂的质量问题突出表现在水泥标准修订以来的近两年，因而更具有研究的针对性【4 l 。 胶凝材料体系对混凝土开裂的影响可以从一些历史上的研究活动中得到体现l 1 9 4 3 年波特兰水泥协会( p c a ) 用2 7 种水泥配制了混凝土在i l l i n o i s 的s c o k i e 进行了 长达2 5 年的暴露试验研究。他们发现( 1 9 6 8 年) 水灰比高达0 7 9 的混凝土，饱水并暴露在 严酷的冻融条件下2 5 年未受影响，他们还报道了水泥细度和化学成分没有影响。然而， 同样的水泥用于气候干燥的科罗拉多州的g r e e nm o u n t a i n 坝中，则由于高细度和高碱造 成严重的收缩裂缝。同样由于早期水泥碱度和细度的原因也造成大量桥梁混凝土出现劣 化和收缩裂缝；1 9 4 6 年美国的f h j a c k s o n 调查了1 3 7 座桥，发现其中建造于1 9 3 0 年以前 的桥有3 3 正在劣化，而1 9 3 0 年以后建造的桥，则有7 3 在劣化。他认为这可能是由于 1 9 3 0 年以前使用的是粗磨水泥。美国垦务局【1 2 1 对此予以了确认。1 9 5 3 年美国国家标准局 的r l b l a i n e 开展了一个测试1 9 9 种水泥的项目，其发表于1 9 6 5 到1 9 7 1 年间的数据表明： 在环收缩实验中，水泥的碱和细度对于干缩开裂影响很大。1 9 8 9 年法国的p a i l l e r e 用改 良的慕尼黑装置进行试验，首次报道了使用硅灰的低水灰比混凝土因自生收缩和干缩叠 加作用的易裂性。在此期间，w i e 鲥n k ，b l o o m 【1 3 1 和b e m 一14 1 ，t a z a w a 和m i y a z a w a ， s c l l r a g 和s u m m e r ，j e n s e n 和h a i l s e n ，k o m p e 以及s p r i n g e n c h m i d 【15 】等都研究了硅灰的这 种副作用。1 9 9 4 年德国的s p r i n g e n c h m i d 【1 6 l 认为：水泥的碱和水泥细度增加温度收缩的 开裂。在他试验的1 7 种水泥中，只有7 种通过了测试，其中6 种是低碱水泥。他们为德国 一高速公路上的一座无施工缝的，2 9 2 6m 长的桥设计了一种低开裂的混凝土，使用的是 一种贫拌和物( 水泥2 8 0k m 3 ，粉煤灰5 9k m 3 ) ，采用砌l e mt c1 1 9 【1 7 】的开裂试验架 来选择水泥。 从他们的一个研究结果1 16 j 来看胶凝材料体系尤其是水泥的性能本身直接决定了混 凝土材料的抗裂性能，当处于约束条件下，两种水泥制得的混凝土的反应正相反，一个 是收缩受到约束而受拉，而另外一个约束膨胀而受压。1 9 9 5 年在2 9 座堪萨斯桥的研究中， 5 第一章绪论 s c h m i t t 和d 删i n 发现：抗压强度约4 5 m p a 的混凝土比抗压强度约3 1 m p a 的混凝土的裂 缝多3 倍，b l o o m 和b e n t u r 发现：低w c 混凝士更易裂，心o n l o f 发现：低w c 的混凝 土更易产生塑性收缩丌裂，t a z a w a 量测到掺用1 0 硅灰、水灰比为o 2 的混凝土自身收 缩可达7 0 0 l o 一。1 9 9 6 年k m u s s 和r o g a l l a 在n c h r p1 2 3 7 桥匝板的研究中建议使用 尽可能低的水泥用量和水化慢、延伸性较好的水泥以减少横向开裂。 1 2 3 温度变化对开裂的影响 大体积水工混凝土结构，如大坝、船闸、水电站厂房等，体积大，结构型式复杂。 在施工初期，由于水泥水化热的产生，内部温度比外部温度升高得快，混凝土体积膨胀 大，从而在结构表面产生拉应力；在后期降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束 以及混凝土内部温差的约束，在混凝土结构中会产生拉应力；或者突遇寒潮时，混凝土 表面温度骤降而产生很大收缩变形，受到内部的约束而产生很大拉应力。而混凝土是多 相复杂的组合脆性材料，抗拉强度低，极限拉伸变形小，当拉应力超过混凝土的抗拉强 度或拉应变超过混凝土的极限拉应变时，混凝土结构就会出现裂缝。混凝土裂缝按其深 度分有贯穿性裂缝、深层裂缝及表面裂缝，按其发展状态可分为死缝、活缝、增长缝 f 1 8 】【1 9 1 【2 0 1 。 在上世纪3 0 年代以前，美国建造的瓦希德等混凝土坝都出现了裂缝。到了3 0 年代， 因要建当时世界上最高的h o o v e r 混凝土重力拱坝，美国垦务局进行了大规模的研究， 就水管冷却、宽槽低温空气冷却及装配式预制块等方式进行了大量混凝土温度问题的研 究和比较，取得较满意的成果，1 9 3 8 年对该拱坝采取温控措施，4 0 年代至5 0 年代美国发 展了混凝土预冷技术，1 9 5 3 年基本上完成了温度控制的基本框架。6 0 年代初期形成了一 种比较定型的设计与施工模式。前苏联5 0 年代开始在恶劣的气候条件下建造混凝土坝， 其温控防裂问题的解决更加困难，先后采用过错缝、直缝柱状块、薄层长条浇筑、水管 冷却、混凝土预冷及表面保温等措施，但都没有很好地解决问题。6 0 年代中对大坝混凝 土温控问题采取了比较严格的措施，但还是出现了不小的裂缝，直到7 0 年代采用了所谓 的“托古尔施工法”，才算基本上解决了问题，前后经历了2 0 来年。我国在5 0 年代初期， 在淮河中游建造了佛子岭、梅山两座连拱坝，当时对裂缝的机理、计算方法、温控标准 等不太清楚。佛子岭坝在支墩内设置纵向宽缝，然后回填混凝土，支墩内基本上没有裂 缝，但拱内裂缝较多。在梅山连拱坝设计中在拱内设置了收缩缝，建成后裂缝不多。在 6 0 年代到7 0 年代修建的丹江口工程中，早期浇筑过程中出现了大量的裂缝，长江科学院、 6 河海大学硕+ 学位论文 丹江口工程局、北京水利水电科学研究院、武汉水利电力大学等单位在此工程现场展开 了混凝土开裂分析的调研工作，采取了提高施工质量、控制浇筑温度、使用低热水泥及 进行混凝土表面保温等措施，经过总结研究采取了相应的补救措施，后期很少出现裂缝， 但裂缝总是难免的【2 l j 【1 9 】。大量的工程实践表明，由于大体积混凝土结构复杂、施工过 程烦琐、附加影响因素多( 如混凝土的徐变、干缩变形、自生体积变形、材料的不均匀 性等) ，故对各个工程开裂的具体成因机理非常难以确定。在许多己建和在建的大体积 水工混凝土结构工程中，尽管采取了许多防裂措施，即使是以低热著称的碾压混凝土坝 仍往往会出现裂缝1 22 。由温度引起的裂缝与温度变化及结构自身的几何形状有关，温 差越大、温变速度越快越易开裂，结构越薄越易开裂，地基对结构的约束作用越大越易 开裂，一般结构受地基的约束作用范围在高度上为长度的o 4 倍左右f 2 3 】。混凝土结构 开裂具有有序性：宏观上总是以对称轴为中心向相反的方向发展，只是由于混凝土的抗 拉强度不均匀和应力函数分布比较平缓，而使裂缝部位不完全位于正中部。根据结构的 长度不同，裂缝可能发生在结构的中心处、三分之一处、四分之一处等，如图1 1 所示， 当混凝土块中间的仃m 积 r ，时第一次在中间开裂，应力重分布以后，第二次在四分之 一处开裂。 y x a ) 主妥应力分布情况t b ) 一次开裂 x y x ( c ) = 次开裂 图1 1 混凝土开裂的有序性 裂缝一旦形成以后，对水工建筑物有着不同程度的影响，它改变了设计安排的应力 的分布，改变了建筑物的受力条件，降低了挡水建筑物的抗渗性，加速混凝土的碳化， 使混凝土的碱度降低，使钢筋纯化膜破坏，水和空气同时侵入时加速了内部的配筋腐蚀 作用，还会降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀性能，导致混凝土结构物破坏，降 低了结构的抗力强度、稳定性和耐久性。给水利结构的经济效益会带来较大的负面效应。 例如我国6 0 年代兴建的丹江口工程初浇的混凝土出现大量裂缝，经过停工整顿，集中设 计、施工、科研和大专院校的科技力量，在现场进行了历时数年的调查研究工作。而且 温度裂缝至今仍是坝工界一直悬而未解决的相对最为琢磨不透的技术问题。随着计算机 7 第一章绪论 技术的高速发展和计算方法的不断改进，目前是彻底解决这一问题的时候，这一重要课 题也就成为当今坝工科研界和j i ：程界的研究热点之一。 1 2 4 裂缝的研究现状 近年来，困内外学者对温度问题作了大量的实验、理论和数值分析研究，但研究主 要停留在丌裂后埘裂缝的处理上，对大体积混凝土结构的开裂机理的研究还不够深入。 1 9 8 5 年举行的第十五届国际大坝会议将混凝土的裂缝i u j 题列为会议的四大议题之一； 1 9 8 5 年美囤陆军工程师s b t a t r a 和e k s c h r a d e r 对w i l l o w 坝采用一维温度场分析，开 创了数值仿真分析的先例；1 9 9 2 年在美国加利福尼亚州圣地亚哥市第三次碾压混凝土会 议上，p k b a n n 等创造性地把b a z a n t 的s m e a r e dc r a c k 开裂模型引入大坝温度应力的 分析中；r 本学者首先用有限元和差分法计算坝体温度场，利用a d i n a 程序计算三维 应力场，并预测了宫獭坝在施工期和运行期开裂的可能性。我国在大体积混凝土结构的 温度应力数值分析和理论研究方面直处于世界的前列，曾多次召开温控防裂会议。 八十年代以来，中国水利水电科学研究院、清华大学、天津大学、河海大学、西安 理工大学、武汉水利电力大学、大连理工大学等，都进行了混凝土坝温度应力的攻关研 究，分别对沙溪口溢流坝、盐滩工程围堰、观音阁、铜街子、二滩、三峡、溪落渡、小 湾、普定、龙滩等已建、在建和待建的混凝土坝，进行了温度应力的计算分析，取得了 一批有价值的成果；河海大学【2 6 j 在1 9 9 0 年至1 9 9 2 年间结合小浪底工程完成了大体积混 凝土结构的二维、三维有限元仿真程序系统( t c s a p ) ，且提供了丰富的前后处理和图形 输出技术；丁宝瑛教授【27 】等在温度应力计算中考虑材料参数变化的影响，比如温度对 混凝土力学性能的影响、混凝土拉压徐变不相等时的影响等；清华大学刘光廷、麦家煊 【2 8 】f 2 9 【3 0 】【3 1 1 【3 2 1 等人提出将断裂力学应用到混凝土表面温度裂缝问题的研究中，并利用断 裂力学原理和判据来分析在温度变化条件下混凝土表面裂缝性能和断裂稳定问题；曾昭 扬【3 3 】等系统地研究了碾压混凝土拱坝中的诱导缝等效强度、设置位置、开裂可靠度， 其成果直接被应用到正在施工的沙牌碾压混凝土拱坝中；四川联合大学李国润1 3 4 】研究 了不同浇筑速度对温度应力的影响以及用现场测定的基岩各向异性热学参数分析混凝 土基础温度徐变应力；河海大学朱岳明【3 5 】f 3 6 1 【3 7 1 【3 8 1 等在温度应力仿真方面也取得了大量 成果，完成了许多温控防裂研究方面的科研项目。 以上对混凝土坝的研究比较多，而对船闸的研究就相对少得多。朱伯芳在文献中提 出了一套针对船闸闸墩的应力的计算方法，引进了些假定，使问题简化，将船闸的温 度应力分为自生应力和约束应力两部分来分别计算；刘勇军【3 9 l 在博士论文中对倒丁字 8 河海人学硕十学位论文 型结构的温控防裂作了部分研究；在应力开裂仿真计算方面，武汉水利电力大学的肖明 提出了考虑外部温度变化效应的三维损伤开裂非线性有限元分析方法；陈敏林4 u 提 出了估算应力方法；朱伯芳提出了并层算法和分区异步长法；刘光廷建立了大体积混凝 土结构温度场随机有限元算法；河海大学的陈罩红【4 2 】等首次在温度应力仿真分析中考 虑了混凝土的软化特性，并在龙滩碾压混凝土坝的温控设计中建立了一、二、三维有限 元综合分析的数值模型。上述的温度场、应力场仿真分析方法一般是结合具体的工程进 行研究的，尽量将温度应力、开裂与仿真相结合，各种方法计算出的温度场相近，但应 力场有一些差别。 1 3 本文研究的主要内容 船闸作为一种特殊的水工建筑物，由于其所处环境和受力条件的特殊性，船闸裂缝 的发生部位及原因，也有其特殊性。对1 1 节中所述船闸开裂工程进行总结，表明船闸裂 缝发生的主要部位在底板、闸墩和墙身等大体积部位上。得出船闸混凝土裂缝形成的主 要原因有：混凝土的温度及收缩应力引起的裂缝；闸基地质结构面的不均匀而导致的不 均匀沉降引起的裂缝；施工质量控制不严引起的裂缝；运行期间，由于超载等运营管理 不善引起的裂缝；建筑物结构设计不周，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等。 本文以江苏省宿迁三线船闸项目为背景，对船闸闸室墙的开裂问题进行了比较全面 的研究，完成的主要工作有： ( 1 ) 总结了船闸混凝土裂缝的危害，对国内外裂缝开裂问题的研究现状进行了较 全面的阐述； ( 2 ) 对刘老涧船闸闸墙的裂缝分布与裂缝性状进行了调查，由裂缝实测资料及施 工原始资料定性地分析了裂缝的成因； ( 3 ) 利用a n s y s 强大的计算处理功能对闸室墙身的设计配筋进行了各种工况的计 算；将数值计算结果与结构力学法得到的结果进行比较，看是否与其相符合，并从混凝 土的配筋率角度分析裂缝的成因。 ( 4 ) 通过a n s y s a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g i ll a n g u a g e ) 实现了闸墙混凝土温 度场及应力场的仿真模拟计算，进一步找出闸墙裂缝成因，并得出预防闸墙裂缝方面的 一些措施和对策。 ( 5 ) 针对船闸裂缝出现的原因，综合性地提出了行之有效的预防和处理措施，为今 后船闸在设计和施工中避免裂缝的产生提供了借鉴。 o 第二章裂缝调杏与实测资料分析 2 1 工程概况 2 1 1 工程位置 第二章裂缝调查与实测资料分析 刘老涧三线船闸地处宿迁市宿城区洋北镇，位于京航运河苏北段最繁忙的大王庙至 淮安航段，是苏北运河自蔺家坝船闸而下的第六个阶梯通航枢纽。该阶梯现有两座船闸， 一线船闸建于1 9 7 8 年，规模为2 0 宰2 3 0 木4 m ；二线船闸建于1 9 8 7 年，规模为2 3 母2 3 0 宰5 m ； 刘老涧一、二船闸中心线距离1 3 3 m 。 刘老涧三线船闸位于刘老涧二线船闸南侧，中心线与二船闸中心线平行，距二线船 闸中心线8 0 m 。刘老涧船闸上游梯级为宿迁船闸，下游梯级为泗阳船闸。本船闸为l i 级 通航建筑物，设计最大船舶等级为2 0 0 0 吨级，船闸尺度为2 3 2 6 0 5 m ，船闸承受单向水 头，设计水头3 5 m ，校核水头4 5 m 。船闸主体包括上、下闸首和闸室。 上闸首采用水平环绕、格栅消能型式的短廊道集中输水系统，水流经分隔墩导流进 入帷墙消能室对冲消能后，从正面和顶面格栅流出。上闸首口门宽度2 3 o m ，边墩宽 9 8 m ，总宽4 2 6 m ，纵向长度2 9 3 m 。下闸首采用水平环绕、消力池消能型式的短廊道 集中输水系统，水流经分隔墩导流流入消力池对冲消能后流出船闸，进入下游导航设施。 下闸首口门宽度2 3 o m ，边墩宽9 8 m ，总宽4 2 6 m ，下闸首纵向长度2 9 0 m 。上、下闸 首都为现浇混凝土空箱结构，其组成主要有底板、边墩、输水廊道、空箱等。上闸首 c 1 0 封底砼用量为1 2 8 一，c 2 5 砼用量6 6 3 4 m 3 ，c 3 0 砼用量5 1 2m 3 ；下闸首封底砼c 1 0 用量为1 3 1 m 3 ，c 2 5 砼用量5 9 4 6 m 3 ， c 3 0 砼用量4 0 9 m 3 。闸室为整体坞式结构，净宽 2 3 0 m ，长2 6 0 m ，共分为1 4 段，两端两段长为l o m ，中间标准段长为2 0 m ，即 1 0 + 2 0 1 2 + 1 0 = 2 6 0 m 。平面布置图( 见图2 1 ) ，l o 河海大学硕士学位论文 图2 1刘老涧三线船闸总平面布置图 2 1 2 施工方法 匝咖梏恒 蹈 第一二章 裂缝调布与实测资料分析 闸室施工总体计划为跳跃式施工，即先施工1 、3 、5 群、7 拌、，然后浇制2 、 4 # 、6 、结合土方丌挖进度，计划分两个阶段施工，第一阶段施工靠上闸首的第1 7 段；第二阶段施工靠下闸首8 1 4 段。在第1 7 段施工时候，先施工1 、3 拌、5 撑、7 拌四 段然后施工2 撑、4 撑、6 拌，具体施工次序要结合现场的实际情况。闸室墙浇筑以段为单元 对称浇筑，为确保砼墙身的外观质量，闸室墙墙身采用有成功经验的大模板施工，分三 次浇筑：第一次浇筑闸室墙底板，第二次浇筑墙身八字倒角，第三次浇墙身。闸室墙混 凝土浇注顺序见图2 2 。 第三次砼浇筑 第二次砼浇筑 2 1 2 1 钢筋施工 第一次砼浇筑 图2 2闸室墙混凝土混凝土浇筑顺序图 钢筋的加工根据施工图要求的规格、尺寸在钢筋加工房加工成半成品，然后人工配 以机械运到现场绑扎，必要时利用吊机吊运到位，钢筋绑扎时在墙身两边搭设小型施工 脚手架。钢筋在绑扎前将表面的锈污、油渍、漆污等清除干净。闸室底板和墙身钢筋均 为i i 级钢筋h r b 3 3 5 。i i 级钢筋的焊接采用闪光对焊连接，骨架绑扎成形后，应保证保 护层厚度满足设计要求，骨架具有足够的稳定性，如稳定性不够，加设架立钢筋或支撑。 绑扎的允许偏差j t j 2 8 8 9 3 的规定。 2 1 2 2 模板施工 底板模板：底板底模利用原c 1 0 素砼垫层作底模，砼浇筑前，先将垫层砼上的泥土和杂 1 2 河海人学硕十学位论文 物清除干净。侧模用散拼钢模，宽缝处模板采用钢模和木板条相结合，制作成定型模板， 模板结构支立加固采用4 8 脚手管作横带，布设间距为3 0 4 0 c m ，用1 4 槽钢作竖带， 问距为1 0 m ，采用1 8 螺杆加固固定。墙身迎水侧模板：迎水侧模板采用大面积定型 钢模，整块模板运输到现场，用吊车组装成大模板，此后的支拆、吊运都是以大模板为 单位。拼装完成后，用吊车将模板吊拼到龙门架上，对称布置。模板支立严格控制其垂 直度和平整度，且允许偏差符合j t j 2 8 8 9 3 的规定，模板支立之前清洗干净模板内表面， 并且刷脱模剂，另外为防止人为及其他机械设备对模板垂直度和稳定性的影响，施工用 的脚手架及工作平台不与模板相连，并且在砼浇筑过程中随时检查模板的垂直度，若有 偏离及时纠正。钢筋模板的加固采用水平支撑，中间设法兰螺栓调节。闸室墙身大模板 支立示意图如图2 3 ，图2 4 ： j ! 吖叶= ；一 甜 【 序 ； l 模颧j | 7 l 一： h 盯 f 1 j f 7 p 产一 f i ：l j 龙门架 二无缝俐管 广_ 7 i11 一。 j 叫l l 一。 g 一枕木 ，王- 一 图2 3闸室墙身模板支立立面图 1 3 模板支l 撑点 qv l _ |， ，。型： 第二章裂缝调查与实测资料分析 一死j 架 ，一闸 | j j 。 一一模板支撑点。 。【| | 一矩形钢梁 l 一。，一模板真撑一点。 。l _ 目”w 。i l 1 1 r - ，9c 。轨道 缩缝 图2 4闸室墙身模板支立侧面图 2 1 2 3 砼施工 底板砼浇筑：采用泵送砼为主，溜槽为辅。采用两台6 0 m 3 1 1 拖泵自两边向中间对 称浇筑。在砼浇筑时，采用分层入模浇筑法，分层厚度满足规范要求，每层厚度按6 0 c m 分层。在砼浇筑时应从浇筑仓面一端向另一端推进，当仓面不是平面时，应从低处开始， 浇筑面要保持水平。并根据浇筑进度分顺序浇筑。砼振捣采用插入式振捣棒以梅花型吊 点振捣。振捣上层砼时棒头要插入下层砼5 啪左右，保证砼的整体性和不出现施工冷缝。 振捣时间以砼不再显著下沉，不出现气泡并开始泛浆为准，避免振捣过度。振捣器距模 板的距离，不应小于振捣器有效半径的1 2 ，并不触动钢筋及予埋件。对于无法使用振 捣器的部位，如止水片附近应进行人工捣实。振捣器插入间距，应不超过振捣器有效半 径的1 5 倍，振捣中不得漏振。 墙身砼浇筑：墙身砼浇筑采用对称浇筑，两边墙身砼面同时均匀上升，相对高差不 大于1 m ，浇筑采用三台6 0 m 3 l l 拖泵泵送，两台浇筑，一台备用，一边墙身布设一台， 浇筑过程中如若其中一台输送泵出现故障，立即接用备用拖泵，如若发生堵管。为保证 砼的连续性，用砼罐车运料，吊车吊斗吊至施工平台，人工手推车直接入模辅助浇筑。 浇筑时同底板采用均匀上升分层法，每层厚度均为6 0 c m 。浇筑过程中，为保证砼不分 层不离析，不漏浆，砼运至浇灌地点后，由实验室现场取样做坍落度实验，必须符合砼 的坍落度要求。浇筑时砼自由下落高度不超过2 o m ，超过部分采用2 5 c m 串筒或m 1 5 0 m m 1 4 - 河海大学硕十学伉论文 软管套装浇筑，确保砼浇筑后的均质性。 砼的养护：为保证砼浇筑后在规定工期内达到设计要求的强度，并防止产生收缩裂 缝：砼终凝后，立即进行养护，养护采用洒水养护。在砼浇筑后1 2 小时( 炎夏时2 3 小时) 即用土工布覆盖，并及时浇水养护，保持砼具有足够湿润状态，养护用水符合砼 用水要求，养护时| 日j 不少于七昼夜。 2 2 裂缝发现经过 2 2 1 裂缝检查 本工程裂缝的检查主要有以下二方面： 表面检查：对混凝土表面进行全面检查，详细测绘裂缝的位置、长度、宽度并对渗水 等情况进行描述。 钻孔检查：在裂缝部位，进行钻孑l 取芯检查，芯样直径不小于5 0 m m ，钻孔部位选在 渗水及冒白浆比较明显的部位，骑缝开孔；通过钻孔芯样和孔内电视探测判断裂缝延伸 方向、倾向和裂