水库除险加固中水闸设计探讨与分析

水闸在水利工程中应用很广，底板部位易出现问题，长期以来困扰着工程界。一直未能很好解决。该问题的出现，给水闸工程带来了多方面不同程度的危害，所以在进行水闸设计时，一定要根据闸址附近的地形、地质条件和水文、施工、管理等因素，认真研究，合理布置。
　　
　　一、底板混凝土配料的控制
　　
　　混凝土生产系统在使用前要进行保养、校核，确保计量准确性，材料配合比允许偏差必须控制在水泥、水、混合料为±2%；砂、石为±3%；外加剂为±l%。除粉煤灰、水、砂、石用自动计量系统控制外，对减水剂要先用天平称量每盘料的用量，然后装袋备用。根据现场工地试验室提供的混凝土施工配料单严格配料，机械搅拌时料斗投料顺序为：先加碎石，后加水泥、减水剂、粉煤灰，最后加砂和水，混凝土搅拌时间从投料完毕组成材料，在搅拌机内延续搅拌时间不得少于2分钟，掺入抗裂防渗纤维混凝土搅拌时间不得少于2.5分钟。
　　
混凝土出料时随时测定坍落度和拌和物温度、观察混凝土拌和质量，严禁生料输送，确保混凝土浇筑质量。由于底板混凝土仓面较大，混凝土用量多，可采用混凝土输送泵泵送混凝土。泵管安装时不得直接支撑在钢筋、模板及预埋件上，每隔一段距离要用钢管支架固定，管道卡箍处不得漏气漏浆，泵管尽量少用弯管和软管，预防堵管，确保混凝土顺利出料。混凝土泵送前要用清水湿润管壁，然后拌制1:2水泥砂浆润滑混凝土泵和输送管内壁，润滑用的水泥砂浆要分散布料。
　
　混凝土浇筑过程中，前场和后场均须布置管理人员随时指挥协调。现场可用对讲机联系来控制混凝土浇筑速度及拆布管时间，以确保混凝土整个浇筑过程紧张、连续、有序地进行。同时要安排专人测定混凝土入仓温度、坍落度，并留置规定制取的试压块组数。混凝土浇筑前，要保证仓内无杂物，模板、钢筋、预埋件符合规范要求，一切准备工作就序，并做好质量自检记录。经现场监理验收后方可进行浇筑。底板浇筑前要在仓面平均划分施工区域，混凝土浇筑自西向东、由远而近。混凝土按一定厚度、顺序、方向分层进行，上下层之间的混凝土浇筑间歇时间不得超过混凝土初凝时间。开始布料，两管同时进行，采取“斜面分层”法施工。
　
　振捣混凝土应从浇筑层的下端开始，逐渐上移，以保证混凝土施工质量，在底层混凝土初凝前安排一台泵进行面层防渗抗裂混凝土施工。混凝土灌筑后用插入式振动器振捣，振捣时与混凝土表面垂直，操作时做到快插慢拔，上下略为抽动，插点均匀排列，逐点移动，顺序进行，不得遗漏，使混凝土达到均匀振实。插入式振动器在每一插点上的振捣时间以混凝土表面呈水平而且水泥浆不再出现气泡为准。
　　
　　二、水闸底板混凝土的分析
　　
　　目前在对待混凝土底板结构问题上，一般是允许出现裂缝，而对其宽度进行一定的限制，不同国家和地区对不使用环境和要求下的混凝土建筑物的裂缝宽度有不同的控制标准。我国《混凝土结构设计规范》允许裂缝宽为0.2-0.3毫米，在对待裂缝问题上提出限制与允许的两种方法。变形变化引起的约束应力首先要求结构所处的环境能给结构以变形的机会，即变形得到满足，则不会产生约束应力。
　　
在全自由状态下，结构可以有任意长度、任意温差不产生约束应力，因此给结构创造自由变形的条件就是允许原则。在实际工程中，全自由的理想状态不易做到，但是可减少约束，释放大部分变形，使之出现较低的约束应力；当结构处于全约束状态，要让任意长度不设伸缩缝亦不开裂，则只须所选用的结构材料具有足够的抗拉强度和极限拉伸即可。该设计原则称为限制原则。一般说来，对于限制原则，必须有足够的强度储备；采取允许原则，必须有充分的变形余地。现在一般认为，混凝土建筑物不出现裂缝是不可能的，或是很困难的。防止裂缝出现，在材料、设计、施工、运行和维护等方面均有一定的研究，但还不够完善或效果不是十分明显。在水工结构工程中，以限制原则为主，力求工程各部位都不裂缝。

　　
三、水闸底板外部环境的控制
　　
　　水泥水化产生大量的水化热，在1～3d内可放出热量的50%，甚至更多，当混凝土达到最高温度后随着热量的散发又开始降温，直到与环境温度相同。底板为大体积混凝土，热量传递的同时更易在内部积存，导致了内部温度高于外部温度，内部出现峰值温度。升温阶段结束后，是散热阶段。内外混凝土散热条件不同，外部混凝土和外界环境接触，散热条件好，热量容易散发，内部混凝土散热条件差，于是在降温阶段又造成了外部混凝土温度低于内部混凝土温度。这样在升温和降温阶段都使底板内外混凝土形成了同一方向的温度梯度。导致了其变形的不一致。内部膨胀受到外部的限制，或相应地外部收缩受到内部约束，于是在外部混凝土中产生了拉应力。当外部混凝土拉应力达到其极限拉应力，裂缝就会产生。裂缝初期很细，随着时问发展继续扩大、变深，甚至贯穿。除了混凝土水化引起的温度作用外，运行期环境温度变化也会产生作用。特别是遇到寒潮袭击、表面温降特别大时，裂缝发展更为严重。从以上分析可以看出，影响内外温差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品种、浇筑入模温度及环境温度等。
　　
混凝土内的水分，少部分提供了水泥水化的需要，少部分泌出流失，大部分水分是在浇捣完毕后慢慢蒸发掉的。随着水泥的凝结、硬化，混凝土中的水分在未饱和空气中慢慢散失，引起混凝土体积缩小、变形，这种变形称为干缩。由于混凝土的水分蒸发及含湿量的不均匀分布，形成湿度变化梯度。其水分蒸发总是从外向内，由表及里。表层混凝土的水分蒸发程度和速度总是大于内部，表层混凝土收缩的程度亦大，其变形会受到内部混凝土的限制，在表层混凝土中也产生拉应力，使得表层混凝土总的拉应力加大，产生干缩裂缝，但干缩一般只发生在表层。混凝土的配合比和组成是影响干缩的主要因素，一般水泥用量多，水灰比大，则干缩也大。骨料密度大，级配好，弹性模量高，骨料粒径大，可以减小混凝土的干缩。其次，混凝土的养护和环境对干缩也有很大的影响。
　
　混凝土即使没有水分蒸发，其各组成部分的化学反应也会产生自生体积变形。在底板约束影响范围内，膨胀型自生体积变形会产生预压应力，有利于防裂，收缩型自生体积变形则不利于防裂。混凝土的自生收缩一般在拆模之前完成，虽然其量值不大，但如果同其他收缩叠加在一起，就会使表面拉应力增大。像水闸底板这样的断面尺寸很大，确属必须解决水化热问题的大体积混凝土结构，必须考虑自生收缩参与温度收缩等叠加的影响。
　
　影响混凝土自生体积收缩的因素主要是材料的化学成分和水灰比，水灰比的变化对自生收缩的影响和对干缩的影响正好相反，当水灰比大于0.5时，其自生收缩和干缩比忽略不计；而当水灰比小于0.35时。自生收缩和干缩的作用相当，必须加以考虑。
　　
水闸底板混凝土产生问题是各种因素共同作用的结果，但是各种因素并不是互相独立的。在本文的述评中，我们可以看到，有时要减小一种原因的不利影响，却会增加另一种因素的不利影响，所以我们对待水闸底板混凝土存在的问题一定要尤其注意。