临海大体积混凝土结构所处的外界环境以及地质条件相比来说较为复杂，带缝水闸运行在工程结构领域中是相当普遍的现象^[1]。天津市永定新河防潮闸位于华北沉降带的东北部，第四系松散堆积物厚度大，上部地层以软土为主，横向变化大、工程地质性状差，同时位于滨海地区等位置的原因，混凝土结构长期处于对混凝土有弱腐蚀性的Cl^-—Ca²⁺地下海水中，受到海水的冲刷与侵蚀，裂缝引起钢筋的锈蚀问题显得尤为突出。新出现的裂缝易对结构造成不利影响，例如降低结构的稳定性、增强渗漏能力以及削弱混凝土的强度和抗蚀能力等^[2]；并且在运行期，由于气温变化以及潮汐升降水位等因素的影响^[3]，使得裂缝为张开闭合状态，不利于对水闸的运行管理，甚至会影响结构的寿命；水闸开裂的原因很多，不仅与混凝土材料本身有关，也与外界环境有关^[4]，因此对水闸裂缝的安全监测分析十分必要，本文依托永定新河防潮闸工程建立健康监测系统对闸墩裂缝进行监测分析，根据监测资料分析裂缝的稳定性并对水闸的安全运行状况进行评估，通过研究环境温度、水位对水闸裂缝缝宽的影响，为以后水闸闸墩裂缝的安全维护和裂缝的预防提供思路。

1 工程概况

永定新河位于天津市区北侧，是天津市北部的防洪屏障，河道全长66 km，流域面积8.3万km²，永定新河防潮闸治理工程主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，闸室布置采用深浅孔20孔方案，每2孔一联(中间8孔为深孔)。闸址区濒临渤海，河道受潮汐水流控制，近岸地下水受潮水影响较大，地下水埋藏浅，地质环境复杂，地表水和地下水的化学类型属于Cl^-，K⁺，Na⁺型水，矿化度高。

永定新河防潮闸工程属于典型的平原地区软土地基水闸，工程环境复杂，永定新河流域气温变幅大，处于-15.4 ~40.9 ℃，多年平均气温为12.6 ℃。多年降雨量为299.9 ~941.5 mm，平均降雨量566.1 mm，多数集中在汛期，汛期降雨量占年总量的79.9%。历史最高潮位塘沽海洋站为3.43 m(黄海56高程系统，下同)，历史最低潮位为-3.72 m，汛期历年高高潮平均值为2.37 m，低低潮平均为-1.83 m，汛期历年平均潮位为0.35 m。

通过实地调研，永定新河防潮闸工程竣工5个月后闸门槽附近出现多条裂缝，并对裂缝采取了维护措施，清洗裂缝表面后采用防水材料(水泥结晶为主)进行封堵裂缝，水闸正式运行后，裂缝由表面细微裂缝变成很明显的贯穿裂缝，同时闸墩表面伴随一些新的浅表性裂纹，关于裂缝最初开裂位置和时间由于闸室的后期改造造成记录资料丢失而无法详细得到。为了探究裂缝的扩张状态，对裂缝区域进行钻孔试样分析，在钻取试样的过程中，裂缝内部有大量破碎混凝土和水，主要是因为该裂缝已经贯穿，混凝土与海水化学物质的相互作用即在海水的侵蚀下强度降低造成的。试件上的裂缝宽度经过现场量测宽约1.5 mm，并且开裂方向非水平向扩裂，通过对试样的观察与量测表明某些裂缝已经达到贯穿的程度，现场典型裂缝分布如图 1所示。

2 健康监测方法 2.1 监测软件的确定

本次水闸裂缝健康监测系统采用长沙金码高科技实业有限公司提供的DSC无线数据业务中心系统，该系统是与自动采集模块相配套的使用软件，可对采集模块进行设置与数据采集，同时可对多个模块或不同地方的多个项目进行无人全自动实时采集，自动将采集数据保存进入ACCESS数据库及TXT文档，并具有实时预警功能，软件对采集的数据可进行查询、作图、导出的处理。由于不能常驻于监测现场，此次健康监测采用GPRS网络进行通讯接收，选用振弦式表面测缝计和JMT-36型温度计。

2.2 裂缝观测点位的布设

由于现场出现裂缝的闸墩较多，为研究外界环境对裂缝变化的影响，特选取开裂较为严重的18#闸墩和19#闸墩进行分析(见图 2)。本次研究主要采用常规的监测方法(在闸墩裂缝表面设置测缝计和温度计)关注裂缝的开度变化，研究对象是裂缝的测值(扣除初始监测值)。测值计算如下：测值=测缝计某时刻读数-测缝计初始读数，精度为0.01 mm，是一个相对量，表征裂缝的扩张(数值大于零)与闭合(数值小于零)，裂缝若保持与起初监测时的裂缝宽度则计算值为零。测缝计、温度计以及水位均是每10 min读取1组数据。因为采用了规范的仪器安装方法以及高精度的监测设备，在监测过程中测值比较稳定，同时对比现场对裂缝宽度的人为量测，保证监测数据的可靠性。

现场监测仪器布置时，为了分析温度对裂缝的影响，特将温度计与19#闸墩右侧2号裂缝第1个测缝计绑定在一块，为便于识别，用编号19-R-2-1代表该测缝计，现场安装见图 2，通过钻取试样确定18#闸墩2号裂缝已经贯穿。随着潮位的涨落，温度计测得温度主要是空气中的环境温度和水的温度。测缝计18-R-1-1与18-L-1-1，18-R-2-1与18-L-2-1，19-R-2-1与19-L-2-1分别布置在18#和19#闸墩1号或2号裂缝左侧与右侧对称位置，均距离底板上方1 m处，分布位置见图 2。

3 裂缝监测分析 3.1 温度对裂缝变化的影响

取18#闸墩2号裂缝作为研究对象，以天作为分析周期，对起初监测时刻2014年9月14日、最冷时刻2015年1月31日以及最热时刻2015年8月16日的裂缝宽度变化进行分析，缝宽变化与温度的关系曲线见图 3。

根据全天各个时刻裂缝宽度随温度的变化曲线可知，裂缝宽度在潮汐水位淹没或浮出裂缝表面时，温差较大，缝宽急剧变化，裂缝位于水下或者空气中的时候温度变化小且稳定，缝宽波动幅度比较小；温度突变时刻一般就是水位淹没或浮出测缝计的时刻，例如2014年9月14日，3：10~10:20和13:50~22:10期间便是测缝计与温度计暴漏于空气中，所测温度为空气温度，其余时刻则为水温，由于每天的潮位变化不一样，所以每天测缝计与温度计暴漏在空气的时刻也不一样，图 3(b)、3(c)以此类推。以图 3(b)为例，2015年1月31日2：55到3:45期间，温度由0.9 ℃降至-6.9 ℃，右侧裂缝扩张了0.59 mm(2.0 mm增加至2.59 mm)，左侧裂缝扩张了0.09 mm(1.89 mm增至1.98 mm)，在此时间段温度虽降至0 ℃以下，但由于测缝计位于水面以下，现场监测测缝计所在位置并未结冰，不影响正常监测，监测数据有效；在14：15到16:00期间，温度由1.3 ℃升至11.5 ℃，右侧裂缝闭合了0.54 mm(1.58 mm降至1.04 mm)，左侧为0.13 mm(1.61 mm降至1.48 mm)，对于温度在03:00左右大幅度下降导致裂缝测值急剧增大这一突变现象，是因为温度降低混凝土收缩导致裂缝急剧扩张，14:00左右急剧升高导致裂缝测值急剧变小这一突变现象，是由于混凝土膨胀导致裂缝急剧收缩造成的，而右侧裂缝测值要比左侧测值较大，可能是由于闸墩的遮挡导致风压的不同、阳光的阴阳面照射导致温度不同以及裂缝内部遭受海水的侵蚀有差异的缘故^[5]。图 4(a)、4(c)每日缝宽变化量表现出与4(b)类似规律，均表明：裂缝位于水中或空气中，缝宽随着水温或者气温的升高缓慢闭合，随着水温或者气温的降低小幅度扩张，主要是因为温度升高裂缝混凝土膨胀导致裂缝收缩，温度降低裂缝混凝土收缩导致裂缝扩张，在淹没或露出水面期间由于温差较大，缝宽急剧扩张或收缩，海水易对裂缝中的钢筋造成腐蚀，降低闸墩的耐久性^[6-7]。

3.2 水位对裂缝变化的影响

为研究水位与裂缝变化的关系，主要从短时间序列(每天)和长时间序列(每月)缝宽的变化进行阐述，短时间序列取2014年9月14日和长时间序列取2014年9月、10月，长序列以19#闸墩2号缝为研究对象，正常挡潮水位为3.44 m(水面距闸墩底板下部的距离，其中闸墩底板厚2 m)，图中纵坐标显示的水位为水面线距底板的距离，对应时间段的缝宽变化曲线见图 5。

从短时间序列来看(见图 5)，典型裂缝每天缝宽的变化规律一致，主要表现在两个方面：①不论裂缝在水面以上或以下，缝宽均在某一个值上下波动，并且幅度不大，以19#闸墩2号裂缝为例，10:50—14:30水位低于裂缝位置，较低水位作用在裂缝表面的压力较小，右侧裂缝测值在0.15 mm上下波动，变化并不大；②裂缝在与海水接触的前后段时间(主要是淹没或露出水面时刻)扩张或收缩的程度较大，以19#闸墩2号裂缝为例，06：00—10:50水位下降，右侧裂缝扩张了0.41 mm(由-0.24 mm增加至0.17 mm)，14：30—16:00水位上升，右侧裂缝闭合了0.39 mm(由0.21 mm降低至-0.18 mm)，其他裂缝日变化规律一致。③对于测值的突变情况，在高高潮时刻，闸墩裂缝由于水位的瞬间升高，产生较大的水压作用在裂缝表面混凝土，同时较高的潮位在风荷载的作用下，使得裂缝急剧收缩；而相反，在低低潮时刻，由于水位较低，作用在裂缝表面上的水压较小，裂缝的测值较大，裂缝进一步扩张^[8-9]。

从长时间序列来看，测值与水位的关系随时间的变化如同是日变化量的重复循环，也验证了缝宽变化随水位的变化规律，缝宽在潮汐水位的作用下随时间的变化使得活动裂缝进一步扩张甚至贯穿，水位的变化对缝宽影响较严重，并在温度、湿度的叠加作用下，裂缝扩张收缩得厉害，并处于活跃期，不利于水闸闸墩的正常运行。

综合以上温度因素、潮汐水位对缝宽变化的作用分析，各典型裂缝缝宽的变化规律基本一致，现有开展裂缝仍处于活动期，并出现进一步扩张现象^[10]，结合现场监测，闸墩表面出现很多新的裂缝，较多裂缝的宽度大于0.4 mm，依据混凝土裂缝分类标准，见表 1，此类裂缝属于D类裂缝^[11-13]，按特征表现又称为贯穿性裂缝，应当采取维护加固措施，建议对裂缝表面进行灌浆处理并外包碳纤维进行加固。

4 结语

本文基于健康监测系统，依托典型软土地基永定新河防潮闸工程，通过对外界环境因素对大体积混凝土裂缝的影响进行监测分析，得到影响运行期裂缝变化的敏感性因素，并以此对水闸的安全运行进行评估：

(1) 根据现场监测分析，已有裂缝仍在活动，并伴随着浅表性新裂缝的生成，较多裂缝属于贯穿性裂缝，严重影响水闸的正常运行，应及时采取加固措施对裂缝进行修补维护，建议对裂缝表面进行灌浆处理并外包碳纤维进行加固。

(2) 潮汐水位淹没裂缝的瞬间造成裂缝宽度的大幅度收缩或扩张，并伴随外界其他因素(海水水质、风压等)的影响，缝宽相应波动，降低了闸墩的安全稳定性。

(3) 运行期带缝水闸在温度影响下裂缝出现急剧扩张和收缩，对水闸的运行造成安全隐患。裂缝宽度随着温度的升高而逐渐闭合，随温度的降低而扩张，是因为当温度较低时，裂缝两侧混凝土收缩，导致裂缝表现出扩张状态；随着温度升高，裂缝整体上趋于闭合。由于闸墩的遮挡导致风压的不同、阳光的阴阳面照射导致温度不同以及裂缝内部遭受海水的侵蚀有差异，对裂缝的影响程度不一样，从而闸墩两侧裂缝的扩张程度也是有差异的。