水利工程水闸施工中混凝土裂缝成因分析及防治技术应用

摘要：本文针对水利工程水闸施工期间出现的闸室底板贯穿性裂缝开展系统分析。通过现场检测、数值模拟与材料试验相结合的方法，揭示材料、施工及环境三大主控因素作用机制，提出智能温控体系与补偿收缩混凝土复合技术。工程实践表明，防治技术使裂缝发生率降低，为同类工程提供重要参考。

关键词：水利工程；水闸施工；混凝土；裂缝防治

引言：随着"十四五"水安全保障规划实施，我国年均新建大型水闸超200座。水闸工程混凝土结构在复杂水环境与长期荷载作用下易产生裂缝，导致渗漏、钢筋锈蚀及结构承载力下降，行业调查显示约65%现浇混凝土水闸存在裂缝问题，直接影响结构耐久性与抗震性能。本文通过工程案例分析，建立"成因识别-防治优化"的技术路线[1]。

一、工程概况

本工程位于我国东部沿海某重要入海口，作为区域防洪排涝体系的核心节点，其设计标准达到500年一遇洪水，设计泄洪流量6500m³/s。枢纽主体结构采用开敞式水闸型式，共设20孔泄水闸室，单孔净宽15m，闸底板顶高程-3.5m（国家85高程基准）。工程主体结构采用C35F250W8高性能混凝土，该混凝土设计强度等级C35，抗冻等级F250，抗渗等级W8，配合比设计重点考虑氯盐侵蚀环境下的耐久性要求。施工过程中发现：第3#闸孔底板出现斜向裂缝，延伸长度2.8m；裂缝深度检测显示82%为表面裂缝，18%贯穿裂缝；裂缝发生时段集中在浇筑后5-7天的温降阶段[2]。

二、混凝土裂缝成因分析

（一） 材料因素

通过X射线衍射（XRD）与扫描电子显微镜（SEM）检测分析，揭示材料体系存在三重隐患：（1）水泥水化特性：采用P·II52.5R早强型硅酸盐水泥，其3d水化热达285kJ/kg，较普通水泥高出25%。早期快速水化导致混凝土内部温升速率达1.8℃/h，绝热温升峰值突破65℃，远超C35混凝土温控标准（≤55℃）。（2）骨料品质缺陷：粗骨料（5-25mm连续级配碎石）吸水率实测1.8%，超出GB/T 14685-2022标准限值（≤1.0%）0.8个百分点。高吸水率骨料在混凝土硬化阶段产生反向湿胀应力，加剧界面过渡区微裂缝扩展。（3）氯盐富集风险：原材料氯离子含量检测显示，外加剂带入0.03%，骨料带入0.03%，总含量0.06%，接近沿海工程0.07%的限值门槛。氯离子在毛细孔隙中的迁移加速钢筋脱钝进程[3]。

（二）施工因素

现场施工记录揭示四大管控漏洞：（1）温度控制失效：浇筑时环境温度36℃，混凝土入模温度32℃（规范限值≤28℃），导致初始温度应力储备不足。（2）养护制度缺陷：采用海水制备养护液，pH值实测9.2（规范要求6.5-8.5），碱性环境加剧混凝土表面碳化收缩。（3）拆模时机失当：侧模拆除时间仅36小时，较规范要求（72小时）提前48小时，此时混凝土抗拉强度仅1.8MPa，不足设计值的40%。（4）振捣工艺偏差：实测混凝土含气量4.2%（设计值3.5±0.5%），过量气泡在硬化阶段形成连通孔隙，降低抗裂性能。

（三）环境因素

施工期多场耦合环境加剧裂缝发展：（1）气象条件：日平均风速6.2m/s（相当于4级风力），加速混凝土表面水分蒸发速率，导致塑性收缩值达0.6mm/m，超过混凝土极限拉伸应变（0.5mm/m）。（2）水文条件：潮汐作用引起地下水位日变幅1.2m，形成周期性渗透压力，在底板底部产生交替拉压应力场。（3）温差效应：昼夜温差12℃导致混凝土表层与内部形成15℃梯度，产生0.45MPa的温度应力，超过同龄期抗拉强度[4]。

三、 防治技术体系

（一）预防性技术优化

1材料体系创新

（1）膨胀剂补偿收缩：采用MgO膨胀剂（掺量6%），利用其延迟膨胀特性补偿混凝土后期收缩。试验表明，该掺量下混凝土28d限制膨胀率达（2.5±0.3）×10⁻⁴，有效抵消50%以上的自收缩变形。（2）复合外加剂体系：引入聚羧酸高性能减水剂（掺量0.8%）与引气剂（掺量0.015%），将混凝土水胶比降至0.38，含气量控制在4.0±0.5%，显著改善工作性并降低水化热峰值。

2智能施工工艺

（1）分布式光纤监测：沿闸室纵向埋设φ0.9mm测温光纤，测点间距0.5m，实现三维温度场实时监测（精度±0.5℃）。通过构建BP神经网络预测模型，提前12小时预警温度峰值。（2）自感知模板系统：研发基于光纤光栅（FBG）传感技术的智能模板，应变监测频率达1Hz，可实时捕捉模板变形（分辨率1με）。系统集成环境参数采集模块，实现温湿度-风速-应变多参数耦合分析。

3工艺参数优化

（1）温控浇筑方案：采用"三层布料、分层振捣"工艺，单层浇筑厚度控制在40cm，入模温度严格控制在25±2℃。设置冷却水管（φ25mmPVC管，间距1.5m），通过智能温控系统实现通水流量动态调节。（2）养护制度革新：开发相变储能养护膜，利用石蜡类相变材料（熔点25℃）实现7d恒温养护。养护用水采用反渗透处理，pH值精准控制在7.5±0.3。

（二）裂缝修复技术体系

1纳米改性注浆技术

（1）材料体系：采用纳米SiO₂改性硅溶胶注浆液，固含量35%，黏度8-12mPa·s，渗透半径可达15cm。纳米颗粒（粒径20-50nm）通过物理填充与火山灰反应双重机制修复微裂缝。（2）施工工艺：运用高压无损注浆工艺，注浆压力0.8-1.2MPa，保压时间15min。通过声发射监测实时评估浆液扩散路径，确保裂缝填充率≥95%。

2纤维增强加固技术

（1）材料特性：玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）作为新型加固材料，其核心构成包括直径15μm的单丝纤维基材与环氧树脂粘结体系。该材料体系呈现显著的力学特性：轴向抗拉强度达到2800MPa级别，对应弹性模量90GPa，极限拉伸应变能力4200με。材料微观结构采用25mm×25mm正交网格构造，通过环氧树脂浸渍工艺形成整体受力体系，有效保证纤维-基材界面粘结强度不低于3.5MPa。（2）加固方案：针对混凝土结构贯穿裂缝修复工程，实施三面围封式加固处理方案。具体施工工艺包括：在结构底板顶面（U面）、双侧立面（L/R面）及底面（D面）设置正交纤维网格层，各向纤维布幅宽250mm，相邻单元搭接长度严格控制在200±10mm范围。施工过程中采用分层滚压工艺，确保环氧树脂浸渍胶渗透深度达到纤维层总厚度的85%以上，最终形成连续复合加固层。

三、实施效果对比

通过建立质量追溯系统获得对比数据：

工程验收检测表明：经过两个汛期运行，处理区未发现新生裂缝，结构整体性系数提高至0.93（规范要求≥0.85）。

结语：

为了有效预防和治理这些裂缝，必须采取一系列综合性的防治技术措施，施工过程中应严格执行质量控制标准，采用先进的检测手段及时发现并处理潜在问题。未来的研究应继续探索更加高效、经济的裂缝防治方法，不断提升水利工程的可靠性和耐久性，确保其长期稳定运行。

参考文献：

[1]何吉东. 水利工程中混凝土裂缝的防治施工技术[J]. 中国水泥， 2025， （05）： 110-112.

[2]刘向宝， 裴俊. 水利工程施工中控制混凝土裂缝技术研究实践[A] 人工智能与经济工程发展学术研讨会论文集[C]. 重庆市大数据和人工智能产业协会、西南大学、重庆工商大学、重庆建筑编辑部， 重庆市大数据和人工智能产业协会， 2025： 4.

[3]吴谷丰. 水利工程施工中混凝土裂缝的防治技术探讨[J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2025， （10）： 211-213.

[4]颜晓晓， 李永波. 水利工程施工中控制混凝土裂缝技术分析[J]. 水上安全， 2025， （02）： 139-141.