水工隧洞混凝土的常見(jiàn)病害及預(yù)防

翟 耀 武， 羅 鵬

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)水電第九支隊(duì)，四川成都 611130;2.四川華電雜谷腦水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川成都 610091)

1 引言

獅子坪水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣境內(nèi)的岷江右岸一級(jí)支流雜谷腦河上，為雜谷腦河梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)的龍頭水庫(kù)電站。設(shè)計(jì)水頭390.00 m，引用流量 57.00 m3/s，總裝機(jī)容量 195 MW(3×65 MW)，多年平均發(fā)電量8.76億kW·h。

工程區(qū)位于青藏高原向四川盆地的過(guò)渡地帶，區(qū)內(nèi)山嶺海拔高度一般為3 500～4 000 m，相對(duì)高差1 000～2 000 m，屬深切高山峽谷區(qū)。

引水隧洞位于雜谷腦河右岸，全長(zhǎng)18.713 km，洞室斷面形式為馬蹄形和圓形。其中圓形斷面內(nèi)徑5.5 m，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，該處為千枚狀板巖夾薄層粉細(xì)砂巖，巖石質(zhì)密，中等堅(jiān)硬;巖體為弱風(fēng)化～新鮮，完整性較差，呈薄層狀結(jié)構(gòu)，成洞條件差。在隧洞施工期和過(guò)水期間，由于混凝土澆筑溫度、超挖、分段長(zhǎng)及配筋相對(duì)較少等綜合作用，同時(shí)受凍脹、沖磨、空蝕、堿骨料反應(yīng)、碳化、溶蝕和侵蝕等病害的威脅，影響或限制了混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用功能并縮短了結(jié)構(gòu)的使用年限。經(jīng)對(duì)水工隧洞混凝土的常見(jiàn)病害進(jìn)行分析和研究，提出了相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策，在工程建設(shè)管理的整個(gè)過(guò)程中，全方位、多渠道地提高水工混凝土的質(zhì)量和耐久性，延長(zhǎng)工程使用壽命非常有必要。

2 常見(jiàn)隧洞混凝土病害分析

隧洞混凝土是水利工程建設(shè)中很重要的材料，使用種類繁多，也需要在各種各樣復(fù)雜的環(huán)境條件下發(fā)揮作用確保工程正常運(yùn)行。根據(jù)水工混凝土建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所處工作環(huán)境的不同，其常見(jiàn)病害主要有裂縫、凍脹、沖磨、空蝕、堿骨料反應(yīng)、碳化、溶蝕和侵蝕七大類，其中前三類屬于物理性病害，后四類屬于化學(xué)性病害。由于工程自身因素和工作條件的差異，這幾類病害對(duì)混凝土的危害程度也互不相同。

(1)裂 縫。裂縫是混凝土建筑物最常見(jiàn)的病害之一。裂縫產(chǎn)生的原因主要是混凝土澆筑溫度、超挖、分段長(zhǎng)及配筋相對(duì)較少等綜合作用形成材料的不連續(xù)現(xiàn)象，屬于物理性病害，是水工混凝土耐久性的首要影響因素。裂縫的出現(xiàn)，多數(shù)在施工期而存在，有的雖然在施工期以后，也多在運(yùn)行初期5～10 a內(nèi)，不是由于運(yùn)行期長(zhǎng)工程老化問(wèn)題，而是早期的問(wèn)題。裂縫的存在直接導(dǎo)致混凝土抗拉性能降低，裂縫也會(huì)引導(dǎo)有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，從而造成鋼筋銹蝕，甚至混凝土結(jié)構(gòu)破壞。

(2)凍 脹。一般認(rèn)為，在溫度正負(fù)交替過(guò)程中，混凝土微孔中的水成為結(jié)冰或過(guò)冷的水，體積膨脹產(chǎn)生凍脹壓力。過(guò)冷的水遷移產(chǎn)生滲透壓力，當(dāng)兩者的附加作用力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土而遭受破壞，形成冷縫。所以說(shuō)，凍脹破壞是一種物理性破壞，在我國(guó)的北方，水工混凝土受這種破壞的情況較嚴(yán)重。受凍融作用的影響，混凝土?xí)兊盟炙伞⒐陌㈤_(kāi)裂甚至層狀剝落，使建筑物失去作用，進(jìn)而對(duì)建筑物整體穩(wěn)定造成影響。

(3)沖磨和空蝕。沖磨主要是水流中的泥沙作用。我國(guó)河流多泥沙，其與高速水流一起運(yùn)動(dòng)時(shí)磨蝕直接接觸或臨近混凝土。空蝕是水工泄水建筑物工作中的水流的一種特有現(xiàn)象，混凝土局部受到不規(guī)則的擠壓變形而產(chǎn)生破壞。所以，沖磨和空蝕都屬于物理性病害。一般講，沖磨和空蝕是交替而又相互促進(jìn)的，將造成混凝土表面粗骨料裸露，混凝土表面凸凹不平，產(chǎn)生坑洞，進(jìn)而造成鋼筋外露和銹蝕。

(4)堿骨料反應(yīng)。骨料中含有的氧化硅等物質(zhì)容易和水泥或混凝土中的堿(Na2O、K2O)起反應(yīng)，即堿骨料反應(yīng)，它是一種化學(xué)病害。該反應(yīng)生成吸水膨脹的凝膠，使混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂。

(5)碳 化。混凝土的碳化(中性化)是空氣中的二氧化碳?xì)怏w不斷地透過(guò)混凝土中未完全充水的粗毛細(xì)孔，并與其中的空隙液所溶解的氫氧化鈣進(jìn)行中和反應(yīng)，生成碳酸鹽或其他物質(zhì)，使混凝土孔溶液的PH值小于10，從而造成鋼筋的鈍化膜被破壞，鋼筋發(fā)生銹蝕。鋼筋生銹后體積膨脹，引起混凝土開(kāi)裂，與鋼筋的粘結(jié)力降低，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脫落，鋼筋斷面面積發(fā)生損缺，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。

(6)溶 蝕。混凝土溶蝕是一種化學(xué)性病害。混凝土中的CaO被水溶解變成Ca(OH)2，遇到空氣中的CO2反應(yīng)生成CaCO3沉淀物，標(biāo)志著混凝土已經(jīng)病變，將因此損失掉膠凝性而逐漸失去強(qiáng)度，抗?jié)B能力也不斷降低。

(7)侵 蝕。侵蝕主要是環(huán)境水質(zhì)對(duì)水工混凝土的危害，這也是一種化學(xué)病害，雖然不是特別普遍，但有些工程卻受害很深。

在上述所列病害類型中，以混凝土裂縫為首要病害，同時(shí)各類病害對(duì)混凝土的影響程度不同，同種病害在不同的混凝土建筑物上造成的破壞也各種各樣;另外，還存在地域差異，并且各種病害還會(huì)交叉感染，比如說(shuō)，裂縫的存在會(huì)引起滲漏溶蝕、環(huán)境水侵蝕、凍脹破壞的擴(kuò)展、混凝土碳化和鋼筋銹蝕等。

3 預(yù)防對(duì)策

經(jīng)過(guò)上述分析，筆者認(rèn)為要減少或預(yù)防隧洞混凝土病害要從幾個(gè)方面采取預(yù)防措施。

(1)首先應(yīng)減小施工分塊長(zhǎng)度。建議施工長(zhǎng)度取8～10 m。其次，對(duì)超挖大于設(shè)計(jì)值10 cm以上的底板，應(yīng)采取先澆筑基礎(chǔ)墊層，再澆筑結(jié)構(gòu)混凝土的施工方法;對(duì)于邊頂拱超挖較大部位，則建議設(shè)計(jì)采用增加鋼筋用量或其它方法予以解決。施工中要加強(qiáng)骨料的降溫工作，根據(jù)骨料含水率調(diào)整配合比，并盡可能降低混凝土的出機(jī)和入倉(cāng)溫度。減少混凝土的水平和垂直運(yùn)輸中灰漿的流失，以防出機(jī)口和倉(cāng)內(nèi)混凝土的坍落度和配比的變化。高溫季節(jié)應(yīng)調(diào)整混凝土的配合比，摻入粉煤灰。對(duì)混凝土表面進(jìn)行粉刷或涂膜以延緩碳化或減少水質(zhì)侵蝕，在有效范圍內(nèi)增大混凝土鋼筋保護(hù)層，對(duì)混凝土裂縫最大寬度的允許值進(jìn)行認(rèn)真論證和嚴(yán)格限定，設(shè)置合理的伸縮縫、沉降縫和施工縫，讓結(jié)構(gòu)可以自由變形，避免裂縫和不均勻沉降等。另外，還可以設(shè)置有效的防滲、排水、抗沖刷和抗磨蝕措施等。

(2)工程原材料。①合理選擇水泥品種和標(biāo)號(hào)，盡可能選用水化熱小的水泥，適量摻加粉煤灰或礦渣等摻和料。②嚴(yán)格對(duì)混凝土拌和用水進(jìn)行檢驗(yàn)，避免氯離子含量超標(biāo)。③盡可能采用較小的水灰比，減少混凝土的孔隙率。④采用雜質(zhì)少、粒徑適中、級(jí)配好、堅(jiān)固性好的砂石骨料。⑤合理使用和摻加減水劑和引氣劑等外加劑。

(3)施工工藝。①對(duì)于大體積混凝土要事先制定完備的溫控措施計(jì)劃，并在施工中嚴(yán)格執(zhí)行。②改進(jìn)施工機(jī)械，改善施工操作方法，確保混凝土均勻密實(shí)。③混凝土澆筑過(guò)程中，控制鋼筋保護(hù)層不受影響和破壞。④混凝土臨空面要從模板和澆筑過(guò)程中的振搗等方面進(jìn)行控制，避免蜂窩、麻面的出現(xiàn)，對(duì)于已經(jīng)造成的混凝土缺陷，要及時(shí)科學(xué)地進(jìn)行修補(bǔ)和處理。

4 結(jié)語(yǔ)

由于病害的影響，很多隧洞混凝土建筑物的耐久性受到威脅和挑戰(zhàn)，很多以前建成的混凝土建筑物也不同程度地遭受了破壞，因此，有必要對(duì)這些病害進(jìn)行分析和研究論證，探討可行、有效的處理措施和預(yù)控方案。混凝土的耐久性問(wèn)題不是設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理單位中任何一家的問(wèn)題，而是大家面臨的共同問(wèn)題。我們一定要高度重視，認(rèn)真對(duì)待，各參建及運(yùn)行管理單位要齊心協(xié)力，全方位、多渠道地聯(lián)合控制，確保混凝土質(zhì)量，減少病害隱患及威脅，提高隧洞混凝土的使用期限。