水工建筑物的老化問題

□劉華鑫（武漢大學(xué)水利水電學(xué)院）

建國以來，為了解決人民生產(chǎn)生活用水問題，防御特大洪水，減輕水害對(duì)國民經(jīng)濟(jì)造成的巨大損失，廣大人民群眾投入到基礎(chǔ)水利設(shè)施建設(shè)中來，水利建設(shè)取得了長足的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新中國成立60多年來，國家先后投入上萬億元資金用于水利建設(shè)，水利工程規(guī)模和數(shù)量躍居世界前列。截至目前，全國已建成各類水庫8.6萬多座，堤防長度28.69萬km，我國大江大河主要河段已基本具備了防御新中國成立以來發(fā)生的最大洪水的能力。中小河流具備防御一般洪水的能力，重點(diǎn)海堤設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提高到50年一遇。隨著運(yùn)用時(shí)間的延長，水工建筑物逐步老化現(xiàn)象，出現(xiàn)裂縫、金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、碳化等病害。水工建筑物產(chǎn)生老化，嚴(yán)重地威脅著工程的安全，影響著工程效益的發(fā)揮。如何防治水工建筑物的老化，延長工程的使用壽命，已經(jīng)成為一項(xiàng)十分緊迫的課題。

1.水工建筑物的老化現(xiàn)象

水工建筑物的老化指的是，水工建筑物經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行使用，由于荷載、溫度、水的沖刷作用等而使建筑物的使用性能下降。傳統(tǒng)意義上，從建筑物老化病害表觀現(xiàn)象出發(fā)，對(duì)其進(jìn)行分類。水工混凝土建筑物老化病害主要有裂縫、滲漏、剝蝕3種，而每一種現(xiàn)象又是由多方面原因造成的。裂縫主要由荷載、溫度、干縮、地基變形、鋼筋銹蝕、堿骨料反應(yīng)、地基凍脹、混凝土質(zhì)量差、水泥水化溫升等原因引起，因此又可細(xì)分為溫度裂縫、干縮裂縫等；滲漏主要是由混凝土密實(shí)性差、裂縫、伸縮縫、止水失效等原因引起，根據(jù)滲漏的形式，可以細(xì)分為點(diǎn)滲漏、線滲漏、面滲漏；剝蝕主要是凍融、沖磨氣蝕、鋼筋銹蝕、化學(xué)侵蝕、堿骨料反應(yīng)及低強(qiáng)風(fēng)化等原因?qū)е碌摹?/p>

本文從不同老化部位出發(fā)對(duì)水工建筑物的老化現(xiàn)象進(jìn)行分類，主要有：基礎(chǔ)的老化、混凝土壩壩體的老化、土石壩壩體的老化。

1.1 基礎(chǔ)的老化

基礎(chǔ)的老化主要由3個(gè)原因引起：應(yīng)力狀態(tài)的改變，未預(yù)見的荷載、周期性變化的荷載或者基礎(chǔ)的徐變都可能引起作用在基礎(chǔ)上應(yīng)力狀態(tài)的改變；壩基的裂縫，由于應(yīng)力狀態(tài)的改變，可導(dǎo)致壩基出現(xiàn)拉應(yīng)力從而產(chǎn)生裂縫，裂縫導(dǎo)致基礎(chǔ)原有整體性的下降；滲流作用，在長期的水滲流的作用下，基礎(chǔ)的強(qiáng)度耐久性下降，使材料變劣。

1.2 混凝土壩體的老化

因?yàn)榛炷敛牧显谒ㄔO(shè)中應(yīng)用逐漸廣泛，隨著時(shí)間推移，混凝土壩體的老化成為現(xiàn)在最常見的水工建筑物的老化問題。第一，混凝土病態(tài)的體積變化。混凝土早期彈性模量較低，強(qiáng)度也較低，隨著混凝土齡期的增長，彈模和強(qiáng)度不斷增長。這些性質(zhì)參數(shù)的改變使得混凝土在使用中會(huì)發(fā)生體積變化。混凝土有些體積變化對(duì)壩體的強(qiáng)度穩(wěn)定性有著嚴(yán)重的降低作用，如水泥與骨料產(chǎn)生的堿骨料反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致體積膨脹。這些膨脹會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫而影響建筑物的運(yùn)行。第二，混凝土的徐變特性。在荷載的作用下，變形隨時(shí)間增長的現(xiàn)象稱為徐變。雖然徐變現(xiàn)象會(huì)使得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力降低，但是壩體混凝土的徐變、塑性和材料性質(zhì)的改變，會(huì)導(dǎo)致壩體的老化。

1.3 土石壩壩體的老化

土石壩的老化主要發(fā)生在兩個(gè)部位，心墻和上游防水面。由于心墻是為防止?jié)B漏而設(shè)置的，所以心墻的老化將產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題。心墻材料的干燥收縮裂縫或與土石結(jié)構(gòu)間未適當(dāng)壓實(shí)，會(huì)使心墻逐漸老化。對(duì)于上游防水面，由于上游防水面長期受到動(dòng)水壓力的作用，如若面下填土沒有壓實(shí)，極易變形，防水面將容易因變形過大而產(chǎn)生破裂，另外各面板之間的接縫處也是薄弱部位。

2.水工建筑物老化的檢測方法

要了解建筑物的老化病害情況，檢測工作是必不可少的。及時(shí)地檢測老化情況是安全控制的一個(gè)重要目標(biāo)，所以適時(shí)地對(duì)水工建筑物進(jìn)行老化監(jiān)測與檢測具有重要的意義。建筑物的老化檢測包括常規(guī)檢測方法和無損檢測方法。

2.1 常規(guī)檢測方法

常規(guī)檢測方法對(duì)檢測儀器和條件要求較低，便于實(shí)地或?qū)嶒?yàn)室對(duì)水工建筑物進(jìn)行檢測，因而得到了廣泛應(yīng)用。目前常規(guī)使用的檢測方法有觀測、實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場測試。第一，目測。目測方法是最簡單易行、便于進(jìn)行實(shí)地檢測的方法。事實(shí)上，對(duì)于裂縫、風(fēng)化情況和大面積滲漏等老化現(xiàn)象，這些是非常容易直接被觀測到的，所以現(xiàn)階段仍有眾多水工建筑物采取人工觀測的方法進(jìn)行檢測。第二，用實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試對(duì)建筑物性能進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)是對(duì)建筑物采樣進(jìn)行測試，這種方法可以檢測試樣的力學(xué)性能，如彈性模量、強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變。而現(xiàn)場測試被用于建筑物結(jié)構(gòu)性能的現(xiàn)場測試，而且現(xiàn)場試驗(yàn)來評(píng)估建筑物性能比實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)更為可靠。

2.2 無損檢測方法

由于水工建筑物有些老化現(xiàn)象無法用觀測方法進(jìn)行檢測，或者對(duì)于已建成投入使用混凝土無法取樣進(jìn)行測試。這通常需要利用無損檢測方法來解決。無損檢測法是最近興起的具有對(duì)建筑物無損害、檢測準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)的新型方法，具有廣闊的前景。無損檢測法是對(duì)建筑物表面進(jìn)行無損檢測，主要包括聲波法、電磁波法、自然電位法、電阻率法、激電法等。這里僅作簡單介紹。聲波法的原理是脈沖聲信號(hào)在物體內(nèi)傳播的特征與物體的彈性及完整性有關(guān)。應(yīng)用聲波層析成像法可以得到很好的分辨率，給出建筑物內(nèi)部的波速分布，并能正確確定破碎和惡化區(qū)。其他幾類方法均是應(yīng)用電磁波、電位、電阻率或激電的特性來檢測建筑物的完整性以及老化程度。

3.水工建筑物老化評(píng)估

對(duì)水工建筑物進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測后，便要對(duì)工程進(jìn)行老化評(píng)估。老化評(píng)估可以有許多分級(jí)方法，如根據(jù)工程的完好度、效益當(dāng)量等。按照老化對(duì)工程使用性能的影響程度來分級(jí)需引入老化度的概念。老化度是水利設(shè)施老化程度的數(shù)量指標(biāo)，取值范圍為0～1。值越大老化程度越嚴(yán)重，根據(jù)老化度值的大小，可將水工建筑物的老化程度分為4級(jí)。另外，還可以對(duì)建筑進(jìn)行模型分析，以便評(píng)定目前的狀況，預(yù)測將來的發(fā)展，并以此為依據(jù)采取維護(hù)措施。一般而言，有兩種類型的模型。第一是作用模型，它模擬作用性能與效應(yīng)之間的關(guān)系；第二是結(jié)構(gòu)模型，它模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、作用引起的力學(xué)效應(yīng)與結(jié)構(gòu)效應(yīng)之間的關(guān)系。只有對(duì)老化程度進(jìn)行了正確的評(píng)估，才能為修補(bǔ)維護(hù)確定正確的措施打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.水工建筑物老化的防治

水工建筑物的防治主要分為兩類，一“防”，二“治”。

4.1 水工建筑物老化的預(yù)防

合理的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行。水利工程的設(shè)計(jì)、施工和使用3個(gè)階段，都必須重視水工建筑物老化病害的預(yù)防措施。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮采用新材料；在施工中應(yīng)采用新工藝和新技術(shù)；在運(yùn)行階段應(yīng)堅(jiān)持科學(xué)管理；把不斷更新的專門技術(shù)應(yīng)用于新建筑。加強(qiáng)觀測和及時(shí)評(píng)估。由于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段未能預(yù)知環(huán)境條件和使用情況的變化，建筑物可能潛伏嚴(yán)重事故的情況，因此每隔一定時(shí)間，必須對(duì)建筑物的工作質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)或檢查。這種檢測在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候可以檢測出建筑物在嚴(yán)重事故即將發(fā)生前所起的變化。對(duì)于建筑物進(jìn)行認(rèn)真的現(xiàn)場觀察和檢測，發(fā)現(xiàn)處于萌芽狀態(tài)中的危險(xiǎn)，對(duì)建筑物安全是十分重要的。

4.2 水工建筑物老化的治理

對(duì)建筑物老化的治理是針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的老化病害，有針對(duì)性、有明確目的地進(jìn)行處理。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的，對(duì)建筑物的安全運(yùn)行有重大影響的老化現(xiàn)象必須及時(shí)處理。第一，建筑物表面損害的維修。與水接觸的表面經(jīng)常遭受水流沖刷，氣蝕作用，產(chǎn)生的蜂窩、麻面、空洞等現(xiàn)象都屬于表面損壞。可以采用砂漿修補(bǔ)、表面防碳化處理、表面噴護(hù)加固等措施。第二，建筑物裂縫的修補(bǔ)。裂縫是常見的老化現(xiàn)象，處理措施最普遍的做法是灌漿法，對(duì)于強(qiáng)度較差的裂隙，為防止裂隙的持續(xù)發(fā)展，還采用錨栓錨桿加固后再灌漿的做法進(jìn)行修補(bǔ)。還有噴涂、粘貼、充填等方法。第三，滲漏的處理。雖然滲漏的種類是多種多樣的，滲漏的范圍也有點(diǎn)滲漏、線滲漏、面滲漏之分，但最基本的處理措施都是灌漿處理，包括水泥灌漿、化學(xué)灌漿等。隨著施工工藝的發(fā)展，也出現(xiàn)了諸如分段灌漿、低壓封閉高壓灌漿等新工藝手段。此外，對(duì)于重要結(jié)構(gòu)還需在適當(dāng)部位設(shè)置止水等配套結(jié)構(gòu)。

5.結(jié)語

隨著時(shí)間的推移，各種水工建筑物在運(yùn)行過程中，由于受到荷載、溫度等的長時(shí)間反復(fù)作用，建筑物必然會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象而使得使用性能降低。對(duì)于老化現(xiàn)象，提出不同于以往的分類方式，并簡單介紹了建筑物老化的檢測手段，由此進(jìn)行建筑物老化評(píng)估。最后，針對(duì)老化病害，提出“防”與“治”綜合治理方法，盡量減少因老化而引起的災(zāi)害的發(fā)生。

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