第1章 概述
1.1 水工隧洞衬砌混凝土裂缝的分类
裂缝是混凝土的主要病害之一，几乎所有的水工隧洞衬砌混凝土都存在不同程度的裂缝，著名的水电专家潘家铮院士断言“世界上没有无裂缝的水坝[1-2]”，当然也没有无裂缝的水工隧洞。混凝土是多相复合体脆性材料，当它的拉应力大于抗拉强度或拉伸变形大于极限拉伸变形时就会产生裂缝。裂缝产生的原因、性状、规模与程度等是十分复杂的。
1.1.1 按裂缝的成因分类
根据混凝土裂缝产生的原因，可分为结构性裂缝与非结构性裂缝两大类。
结构性裂缝。由各种外荷载引起的裂缝，也称荷载裂缝。它包括由外荷载的直接应力引起的裂缝和在外荷载作用下结构次应力引起的裂缝。
非结构性裂缝[3-4]。由各种变形变化引起的裂缝。它包括温度、干缩湿胀和围岩变形等因素引起的裂缝。这类裂缝是在结构的变形受到限制时引起的内应力造成的。从国内外的研究资料以及大量的工程实践看，水工隧洞的非结构性裂缝占了绝大多数，约为 80%以上，其中又以温度裂缝和收缩裂缝为主导。
温度裂缝是由于衬砌混凝土内表温差、水化热温升后的温降或季节气温变化气温降低导致混凝土温降等产生拉应力过大而形成的。衬砌混凝土浇筑完成后，水泥水化反应放出大量的热量，使混凝土内部温度升高并在一定龄期达到温度峰值，之后下降。由于混凝土内部散热慢而表面散热快，形成内表温差，表面温降收缩受到内部混凝土的约束，混凝土表面将产生拉应力（即温度应力），同时，衬砌混凝土温度由温度峰值不断降低至与洞内空气温度一致，而且随空气温度逐渐降低至冬季最低温度。衬砌混凝土受到围岩约束也将产生拉应力，当内表温差和温降产生的拉应力之和超过混凝土抗拉强度后将使之开裂。温度裂缝多为贯穿性的，严重降低结构的整体刚度，一般在结构段浇筑结束后几天至一个月和冬季两个阶段出现。此外，洞口混凝土在养护期间，若受到寒流的侵袭，也会在混凝土表面引起裂缝，但较浅，危害性也较小。
收缩裂缝是由湿度变化引起的。混凝土是以水泥为主要胶结材料，以天然砂、石为骨料加水拌合，经过浇筑成型、凝结硬化形成的人工石材。在施工中，为保证其和易性，往往加入比水泥水化作用所需水分多4～5倍的水。多出的这些水分以游离态形式存在，并在硬化过程中逐步蒸发，从而在混凝土内部形成大量毛细孔、空隙甚至孔洞，造成混凝土体积收缩。此外，混凝土硬化过程中因水化作用和碳化作用也会引起体积收缩。一般来说，水灰比越大、水泥强度越高、骨料越少、环境温度越高、表面失水越多，则其收缩值越大，也越易产生收缩裂缝。根据收缩裂缝的形成机理与时间，工程中常见的收缩裂缝主要有塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝和干燥收缩裂缝三类[5-6]。此外，还有自生收缩（化学减缩）裂缝、碳化收缩裂缝和其他裂缝。
（1）塑性收缩裂缝。塑性收缩裂缝发生在混凝土塑性阶段，终凝之前。其形成原因是混凝土浆体中水分流向表面并迅速蒸发，随着失水的增加，毛细负压产生的收缩力使混凝土表面产生急剧的体积收缩。而此时混凝土尚未形成强度，从而致使混凝土表面开裂。这种裂缝多出现在干热与刮风天气中，裂缝较浅，中间宽、两端细，长短不一，且互不连贯。
（2）沉降收缩裂缝。沉降收缩裂缝约在混凝土浇筑后半小时发生，并在硬化时停止。其形成原因是浆体在浇捣后发生不均匀沉落，粗骨料下沉，水泥净浆上浮，当沉降受抑制（如钢筋或预埋件的阻挡）时使混凝土因剪切而开裂。此外在表面形成的浮浆层也会因泌水而开裂。这种裂缝多出现在混凝土表面，且沿主筋或箍筋通长方向分布，中间宽两端窄，是一种常见的早期裂缝，尤其在泵送施工中更常见。
（3）干燥收缩裂缝。干燥收缩裂缝在混凝土养护完以后才出现。其形成原因主要是由于混凝土硬化后，水分蒸发引起混凝土表面干缩，当干缩变形受到混凝土内部约束时，表面产生较大的拉应力使混凝土拉裂。干缩裂缝一般产生在表面很浅的位置，多沿构件短方向分布，呈平行线状或网状，严重时可贯穿整个衬砌截面。
（4）自生收缩裂缝。自生收缩裂缝与外界载荷、温度、湿度变化无关，而是由于水泥胶凝材料的水化作用引起体积收缩（称为化学减缩） 所致。
（5）碳化收缩裂缝。碳化作用是指大气中的CO2在有水的条件下与水化产物Ca（OH）2作用生成CaCO3和游离态水，这部分水蒸发引起混凝土体积收缩（称为碳化收缩），其实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。一般水泥水化产物的碱度与空气中 CO2浓度越高且湿度适中（50%左右）时，越易发生碳化作用。因此，这种裂缝易出现在干湿交替的环境下，而在干燥或水饱和环境下不易出现，且由于裂缝处析出的碳化产物将形成凝胶，阻止 CO2进入，故一般仅发生在表面。
围岩变形裂缝是隧洞衬砌完成后围岩开挖卸荷继续变形引起的。这类裂缝多为贯穿性的，其位置多在变形突变或者变形大的部位，往往严重影响衬砌外观，如果是高流速泄洪洞还可能由于裂缝错台严重而导致空蚀破坏，危及结构安全和耐久性。
（6）其他裂缝。除上述裂缝外，在结构的施工过程还会出现各种形式的施工裂缝，在结构使用过程中也会出现不同类型的腐蚀裂缝。施工裂缝是由于施工中操作不当或衬砌的刚度不够等因素引起的，如模板工程中，若混凝土与模板黏结则拆模或提升模板时易将混凝土拉裂；围岩固结灌浆压力过大导致衬砌混凝土裂缝。腐蚀裂缝是由于结构长期处于腐蚀性气液环境下引起的，它包括混凝土自生的腐蚀以及钢筋的锈蚀。这类裂缝往往是由于混凝土不密实所导致的，它们通常与干缩裂缝、温度裂缝等共同作用，导致裂缝不断扩展，最终削弱结构的耐久性。此外，若混凝土骨料中存在碱活性成分与水泥中碱含量较高、水泥中 MgO 含量过高（＞5%）或UEA等膨胀剂掺量过多，则会因发生碱骨料反应或MgO的水化反应，生成膨胀性的凝胶，造成混凝土膨胀开裂，形成的多为网状或不规则裂缝。此类裂缝往往在结构竣工几年后才出现，因为上述化学反应极为缓慢。
1.1.2 按裂缝产生的时间分类
按裂缝产生的时间可以分为施工期裂缝和运行期裂缝。施工期间出现的裂缝包括塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝、干燥收缩裂缝、自生收缩裂缝、温度裂缝、围岩变形裂缝、施工裂缝、洞口段衬砌受早期冻胀作用引起的裂缝以及一些不规则裂缝。运行期出现的裂缝，包括钢筋锈蚀膨胀产生的裂缝、盐碱类介质及酸性侵蚀气液引起的裂缝、洞口段衬砌受冻融循环造成的裂缝、碱骨料反应引起的裂缝、循环动荷载作用下损伤累积引起的荷载裂缝和部分温度裂缝（如放空洞在低温季节放水，因为水温过低温降导致的裂缝）等。
1.1.3 按裂缝的形状分类
按裂缝的形状可分为：纵向裂缝（或称顺水流方向裂缝、发生在边墙有时也称为水平裂缝）、横向裂缝、斜向裂缝、龟裂缝和不规则裂缝。纵向裂缝平行于衬砌结构底面，顺水流方向，主要由温度、围岩变形、钢筋锈蚀等作用引起；横向裂缝，垂直于构件底面，横水流方向，主要由荷载作用、温度作用、围岩变形引起；斜向裂缝，主要因温度、围岩变形、荷载等作用引起；龟裂缝，主要是干缩裂缝。不规则裂缝，则主要由固结灌浆和围岩变形引起。
1.1.4 按裂缝的发展状态分类
按裂缝的发展状态可分为稳定裂缝和不稳定裂缝两类。
（1）稳定裂缝。稳定裂缝是指隧洞运行一段时间后不再继续发展的裂缝。主要有三类：第一类是施工期已经贯穿衬砌的裂缝，运行期荷载等作用不大，不会导致这些裂缝发展。第二类是在运动过程中可以自愈合的裂缝，常见于一些新建隧洞。由于裂缝处未水化水泥颗粒在渗漏过程中与水接触在此水化，生成水化产物C-S-H凝胶，并生成Ca（OH）2及钙矾石（AFt）晶体，其中部分Ca（OH）2又与溶解在水中的CO2发生碳化反应形成CaCO3结晶，两者形成的凝胶物质将胶合裂缝封闭（水中细砂的不断堆积），从而渗漏停止，裂缝达到自愈。第三类是处于稳定运动中的裂缝，如在周期性荷载或者温度作用下产生的周期性扩展和闭合的裂缝。
（2）不稳定裂缝。不稳定裂缝是指在运用过程中在荷载、温度等作用下仍在发展的裂缝。这种裂缝将产生不稳定性的扩展，影响衬砌结构的持久使用，应视其扩展部位采取相应的措施。
1.1.5 其他裂缝分类
按裂缝的深度不同，一般可分为贯穿裂缝、深层裂缝以及表面裂缝三种。按裂缝的危害性可以分为非危害性裂缝和危害性裂缝，按危害性的影响程度则可进一步分为轻微、一般、严重、特严重。目前对裂缝危害性的评估与等级划分尚无统一的判定标准和标度值，各工程根据自身的特殊性、重要性、地质条件，特别是裂缝对水工隧洞安全运用的影响程度的不同，对裂缝制定相应的检查项目和分类判定标准。