水利水電工程合理使用年限及其耐久性設(shè)計問題

陸忠民，劉志明

（1.上海勘測設(shè)計研究院，200434，上海；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，100120，北京）

一、問題由來

我國現(xiàn)行《建設(shè)工程質(zhì)量管理條例》《建設(shè)工程勘察設(shè)計管理條例》對建設(shè)工程設(shè)計文件作出了要注明工程合理使用年限的規(guī)定。當(dāng)前，我國各行業(yè)對制定工程合理使用年限的標(biāo)準(zhǔn)不一。水利水電工程合理使用年限對于廣大設(shè)計人員來說是一個新問題，由于水利水電工程類型多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制定統(tǒng)一的合理使用年限標(biāo)準(zhǔn)有較大難度。

自2001年以來，水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院會同上海勘測設(shè)計研究院對水利水電、交通、鐵路、建筑等行業(yè)關(guān)于工程合理使用年限工作開展了深入調(diào)查研究，通過典型實例，分析工程功能構(gòu)成的關(guān)鍵部位或控制因素，研究提出了水利水電工程合理使用年限定義、不同等別工程和不同級別建筑物的合理使用年限值及其在各種環(huán)境條件下的耐久性設(shè)計要求，編制了水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計規(guī)范》（SL 654—2014），用以指導(dǎo)當(dāng)前及今后一個時期的設(shè)計工作，并在今后的實踐中不斷總結(jié)和完善。

二、合理使用年限的定義和年限的確定

1.合理使用年限的定義

建設(shè)工程由不同的建筑物組成，而各個建筑物又由不同的結(jié)構(gòu)組成。對于一個工程、一個建筑物、一個結(jié)構(gòu)，在規(guī)定的使用條件和正常的維修條件下，應(yīng)有一個能正常發(fā)揮設(shè)計功能、保證安全使用的時期，這個時期就是其合理使用年限。工程、建筑物和結(jié)構(gòu)三者之間的合理使用年限存在一定的關(guān)系，對于同一個工程，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足其所在建筑物的合理使用年限要求，而建筑物的合理使用年限又由其工程的合理使用年限決定。對于結(jié)構(gòu)的使用年限，各行業(yè)有各種各樣的定義，對水利水電工程及其建筑物的使用年限定義需要體現(xiàn)水利行業(yè)的特點。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)使用年限的定義表述見表1。

表1 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)使用年限的定義

對于水利水電工程，可根據(jù)其不同的功能劃分為防洪、治澇、灌溉、供水、發(fā)電等工程，建筑物有大壩、泄洪建筑物、調(diào)（輸）水建筑物、發(fā)電建筑物、過壩建筑物、水閘、泵站、堤防、渠道等，各類建筑物由混凝土、土、石、金屬等材料結(jié)構(gòu)組成，運行環(huán)境條件有“室內(nèi)正常、潮濕環(huán)境，露天環(huán)境，水位變化、水下和地下環(huán)境，氯化物環(huán)境，化學(xué)侵蝕環(huán)境，凍融環(huán)境，沖刷、氣蝕和磨蝕環(huán)境，淤積環(huán)境”等，工程建成后建筑物需要進(jìn)行正常的運行維修。工程和建筑物的使用年限與運行使用條件、維修條件密切相關(guān)，因此水利水電工程及建筑物的合理使用年限定義為“水利水電工程及其建筑物建成投入運行后，在正常運行使用和規(guī)定的維修條件下，能按設(shè)計功能安全使用的最低要求年限”。

表2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對建筑結(jié)構(gòu)使用年限的規(guī)定

2.國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對合理使用年限的規(guī)定

經(jīng)對國內(nèi)外建筑、市政、港口、鐵路等結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限的調(diào)查分析，對于房屋建筑設(shè)計使用年限，臨時性建筑結(jié)構(gòu)為5年，易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件為25年，普通房屋建筑為50年，標(biāo)志性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)為100年。對于港口工程，臨時性建筑物為5～10年，永久性建筑物為50年；對于鐵路橋涵，可更換的小型構(gòu)件為30年，路基防護(hù)結(jié)構(gòu)為50年，主體結(jié)構(gòu)為100年；對于公路橋涵，小橋、涵洞為30年，中橋、重要小橋為50年，特大橋、大橋、重要中橋一般為100年，有的達(dá)120～150年；對于大壩，使用年限一般為100年，荷蘭一些重要的擋潮閘、堤防設(shè)計使用壽命要求達(dá)到200年。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對建筑結(jié)構(gòu)使用年限的規(guī)定見表2。

3.合理使用年限的確定

從表2可以看出，工程建筑物的合理使用年限與其作用及重要程度密切相關(guān)，對于重要建筑物，一般不小于100年，有的甚至高達(dá)150～200年，而一般永久建筑物往往不低于30年，對于臨時和可更換的結(jié)構(gòu)其使用年限可以低些。

我國現(xiàn)有的水利水電工程大多數(shù)建于20世紀(jì)70年代之前，由于受當(dāng)時的技術(shù)和物質(zhì)條件限制等原因，對工程耐久性認(rèn)識不足，對工程建設(shè)基本沒有提出明確的耐久性要求。之后到近年所制定的設(shè)計、施工和運行管理標(biāo)準(zhǔn)，對材料、強度等級、抗?jié)B、抗凍、抗沖刷、抗侵蝕、抗裂等提出了要求，盡管還不夠詳細(xì)，但對提高工程的耐久性已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。據(jù)初步統(tǒng)計，20世紀(jì)50—60年代我國大規(guī)模興建的水庫和水電站，至今已運行50年以上，一些工程盡管存在病險，但經(jīng)過除險加固后仍能投入正常運行。

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的提高和對工程建筑物耐久性認(rèn)識的深入，對新建的水利水電工程耐久性使用年限要求更高，技術(shù)上也是可能的。我國水利建設(shè)有著悠久的歷史，舉世聞名的都江堰水利工程已運行了2 200多年，早期的水閘運行也有80多年。世界水電建設(shè)已有100多年的歷史，1878年在法國建成了第一座水電站。我國最早建設(shè)的水電站是1905年建成的臺灣龜山水電站（1943年拆除），1912年建成的石龍壩水電站至今還在運行。

水利水電工程等別和建筑物級別是衡量其重要程度的一個十分重要的指標(biāo)。我國根據(jù)工程規(guī)模、效益以及在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性，將水利水電工程劃分為5個等別，根據(jù)其所在工程的等別和建筑物的重要性，將對永久性建筑物分成5個級別。為了與我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，水利水電工程合理使用年限也按以上原則分級確定。因此水利水電工程合理使用年限，根據(jù)工程類別、等別按表3的年限確定。其中，Ⅰ等水庫工程的合理使用年限為150年，Ⅳ、Ⅴ等防洪、治澇、灌溉、供水、發(fā)電工程為30年，其余為50～100年。對綜合利用的水利水電工程，當(dāng)按各綜合利用項目確定的合理使用年限不同時，其合理使用年限應(yīng)按其中最高的年限來確定。

對于水利水電工程各類水工建筑物的合理使用年限，根據(jù)其所屬工程的建筑物類別和級別按表4確定。其中，考慮到水庫壅水建筑物的重要性，1級水庫壅水、泄洪建筑物的合理使用年限為150年；考慮到堤防和灌溉渠道線路長、條件復(fù)雜等因素，5級堤防、灌溉渠道的合理使用年限可比沿線水閘、泵站、灌排建筑物低，降到20年。當(dāng)泄洪、調(diào)（輸）水、發(fā)電、過壩等建筑物與壅水建筑物共同擋水時，其擋水部分建筑物的合理使用年限按同級別壅水建筑物的規(guī)定執(zhí)行。水工建筑物中各結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的合理使用年限可不同，次要結(jié)構(gòu)和構(gòu)件或需要大修、更換的構(gòu)件的合理使用年限可比主體結(jié)構(gòu)的合理使用年限短，缺乏維修條件的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的使用年限應(yīng)與工程的主體結(jié)構(gòu)的合理使用年限相同。

表3 水利水電工程合理使用年限 單位：年

表4 水利水電工程各類永久性水工建筑物的合理使用年限 單位：年

三、耐久性設(shè)計原則和主要設(shè)計內(nèi)容

1.耐久性設(shè)計原則

我國水利水電工程建筑物運行環(huán)境條件多種多樣，除了一般環(huán)境條件外，北方寒冷地區(qū)還受到冰凍作用，沿海、鹽堿地區(qū)受到氯化物影響，西部一些地區(qū)存在硫酸鹽、酸類物質(zhì)侵蝕，凝灰?guī)r、玄武巖等有可能與水泥發(fā)生堿—骨料反應(yīng)，溢洪道、輸水洞會受到高速水流沖刷、氣蝕，多沙河道存在泥沙淤積影響等。因此，水利水電工程及其建筑物的耐久性設(shè)計必須根據(jù)工程的重要程度確定其合理使用年限，調(diào)查分析實際工程的建設(shè)環(huán)境狀況，提出設(shè)計、施工、運行管理等方面的耐久性要求。

結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計可分為傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法和定量計算方法。目前，環(huán)境作用下耐久性設(shè)計的定量計算方法尚未成熟到能在工程中直接應(yīng)用的程度。在各種劣化機理的計算模型中，可供使用的還只局限于定量估算混凝土碳化、鋼筋開始發(fā)生銹蝕的年限。在國內(nèi)外現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，所采用的耐久性設(shè)計方法仍然是傳統(tǒng)方法或改進(jìn)的傳統(tǒng)方法。

水利水電工程建筑物所處環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)用的材料多種多樣，耐久性設(shè)計可采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法。對混凝土結(jié)構(gòu)，除了劃分侵蝕環(huán)境的類別和作用等級外，在耐久性設(shè)計要求中，既要規(guī)定不同環(huán)境類別與作用等級下的混凝土強度等級、最大水膠比和原材料組成，又要提出混凝土電量指標(biāo)、氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)等量值指標(biāo)；同時從耐久性要求出發(fā)，對結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工控制以及運行管理作出了規(guī)定。其耐久性設(shè)計主要原則如下：

（1）水利水電工程及其建筑物的耐久性，應(yīng)根據(jù)其合理使用年限和所處的環(huán)境侵蝕、泥沙淤積等條件進(jìn)行設(shè)計。對同一建筑物中的不同部位，如所處的局部環(huán)境條件不同，可分別設(shè)計其耐久性。

（2）水利水電工程及其建筑物耐久性設(shè)計應(yīng)有利于減輕環(huán)境作用的侵蝕破壞，高速水流、風(fēng)沙對建筑物表面的沖刷、氣蝕、磨損作用以及振動等因素對結(jié)構(gòu)的影響。

（3）水利水電工程建筑物設(shè)計應(yīng)控制泥沙淤積引起的對工程功能、安全、效益和環(huán)境的影響，根據(jù)其合理使用年限、河道來沙情況采取預(yù)留必要的沉沙容積、設(shè)置必要的排（沖）沙設(shè)施等措施，制定相應(yīng)的調(diào)度運行方式。

（4）工程地質(zhì)勘察的內(nèi)容和深度應(yīng)符合水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范規(guī)定，并滿足建筑物耐久性設(shè)計所需的地質(zhì)基本資料要求。建筑物基礎(chǔ)處理措施、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)合理使用年限、環(huán)境條件進(jìn)行耐久性設(shè)計，滿足主體結(jié)構(gòu)合理使用年限要求。

（5）對于膨脹性土、濕陷性土等不良地基條件，其建筑物基礎(chǔ)的耐久性設(shè)計應(yīng)作專門論證。

（6）混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計應(yīng)考慮混凝土可能發(fā)生的堿—骨料反應(yīng)、鈣礬石延遲反應(yīng)和軟水對混凝土的溶蝕，在設(shè)計中采取相應(yīng)的措施。

（7）水工金屬結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計除考慮環(huán)境作用條件下的腐蝕、磨蝕因素外，還應(yīng)考慮氣蝕、振動、冰凍、疲勞等因素對結(jié)構(gòu)的影響。

2.耐久性設(shè)計主要內(nèi)容

在水利水電工程及其建筑物耐久性設(shè)計中，不僅要強調(diào)其材料的耐久性能指標(biāo)與鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度，適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施也能夠非常有效地減輕環(huán)境作用。同時，建筑物的耐久性還需要規(guī)范的建設(shè)施工、運行管理來保證。對于水利水電工程各類建筑物開展耐久性設(shè)計的主要工作內(nèi)容有如下幾個方面：

（1）根據(jù)工程的功能、等別等因素分析確定工程的合理使用年限，按照工程中各類建筑物的類別和級別確定建筑物的合理使用年限。提出其合理使用年限內(nèi)需要維修或更換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、周期及其為維修或更換所需具備的條件。

（2）根據(jù)對氣象（包括氣溫、濕度、干燥度、鹽霧等）、水文和地質(zhì)（包括氯化物、硫酸鹽、酸濃度等）等的調(diào)查、勘察，分析確定建筑物所處的侵蝕環(huán)境類別。對于嚴(yán)重環(huán)境作用下的建筑物，除勘察資料外，宜有相同或類似的周邊工程的耐久性現(xiàn)狀調(diào)查和檢測資料。

（3）提出有利于減輕環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)措施和材料的耐久性要求，包括結(jié)構(gòu)布置、接縫處理、鋼筋保護(hù)層厚度、預(yù)應(yīng)力錨固、混凝土裂縫控制、防滲與排水、抗冰凍、抗沖磨措施，閘門門槽體型和通氣、閘門防振動、金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕厚度，土石質(zhì)量和填筑標(biāo)準(zhǔn)，混凝土強度等級、抗?jié)B等級、最大水膠比、含氣量、氯離子最大含量、抗氯離子侵入性指標(biāo)、原材料（包括水泥、摻合料、外加劑、骨料、水）要求等。

（4）對處于嚴(yán)重環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu)，必要時應(yīng)采取防腐蝕附加措施，如表面涂層、防腐蝕面層、環(huán)氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑、陰極保護(hù)等。

（5）對于多泥沙河流上建設(shè)的工程，應(yīng)根據(jù)其來沙量、使用年限，分析提出保持工程正常功能和效益的泥沙淤積控制要求，包括沉沙容積、排/沖沙設(shè)施、疏浚周期、調(diào)度方式等。

（6）對工程施工，需提出耐久性方面的施工技術(shù)要求和施工質(zhì)量驗收要求，包括施工工藝、原材料和施工質(zhì)量控制、溫控措施、材料和施工質(zhì)量驗收要求等。

（7）對工程運行管理，提出正常使用運行原則和管理過程中需要進(jìn)行正常維護(hù)、檢測、修理或更換的要求，包括日常安全監(jiān)測、耐久性檢測、安全鑒定要求等。

四、耐久性設(shè)計需注意的幾個方面

針對一般環(huán)境、凍融環(huán)境、氯化物環(huán)境、化學(xué)腐蝕環(huán)境、泥沙淤積環(huán)境等，各類水利水電工程及其建筑物的耐久性設(shè)計應(yīng)在以下幾個方面予以重視。

1.一般環(huán)境

正常大氣和溫度、濕度（水分）作用下表層混凝土碳化引發(fā)的內(nèi)部鋼筋銹蝕，是混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的劣化現(xiàn)象，也是耐久性設(shè)計中的首要問題。因此，其耐久性設(shè)計應(yīng)控制在正常大氣作用下混凝土碳化后的鋼筋銹蝕。在一般環(huán)境作用下，依靠混凝土本身的耐久性質(zhì)量、適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層厚度和有效的防/排水措施，就能達(dá)到所需的耐久性，一般不需考慮防腐蝕附加措施。

用于填筑堤（壩）的土、砂、石料等當(dāng)?shù)夭牧希诘蹋▔危w中所起作用不同、部位不同，則對材料的具體要求也不同。當(dāng)?shù)夭牧咸钪牡蹋▔危┙Y(jié)構(gòu)應(yīng)具有抗?jié)B、抗風(fēng)化和抗沖刷的長期性能。當(dāng)某種材料不能完全適應(yīng)使用目的時，需要進(jìn)行加工處理。

2.凍融環(huán)境

寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計，應(yīng)控制混凝土遭受長期凍融循環(huán)作用引起的損傷。發(fā)生反復(fù)凍融的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮凍融環(huán)境的作用。因此，需要提出混凝土強度和抗凍等級、混凝土中的含氣量、最大水膠比、鋼筋最小保護(hù)層厚度等要求，及水工建筑物、防滲結(jié)構(gòu)的抗凍要求（包括埋置、排水等）。

3.氯化物環(huán)境

環(huán)境中的氯化物以水溶氯離子的形式通過擴散、滲透和吸附等途徑從混凝土構(gòu)件表面向混凝土內(nèi)部遷移，引起混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕。氯離子引起的鋼筋銹蝕難以控制，后果嚴(yán)重，氯化物對于混凝土材料也有一定的腐蝕作用，因此是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性面臨的重要問題。

氯化物環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計，應(yīng)控制氯離子引起的鋼筋銹蝕，需要提出混凝土強度等級、最大水膠比、鋼筋最小保護(hù)層厚度等要求。

低水膠比的大摻量礦物摻合料混凝土，在長期使用過程中的抗氯離子侵入能力要比相同水膠比的硅酸鹽水泥混凝土高得多，所以在氯化物環(huán)境中，為了增強混凝土早期的強度和耐久性發(fā)展，通常在礦物摻合料中加入少量硅灰。

混凝土的密實性是其抵抗環(huán)境中水、氣以及溶解于水中的有害物質(zhì)侵入混凝土的第一道防線。一般來說，抗?jié)B等級比較適合于判定低強度等級混凝土的密實性，如大壩混凝土和低強度等級的結(jié)構(gòu)混凝土，而對強度等級超過C30的混凝土，單靠抗?jié)B等級已難以表征高性能混凝土的密實性能。國內(nèi)外研究表明，混凝土電量指標(biāo)和氯離子擴散系數(shù)可作為評價結(jié)構(gòu)混凝土抗氯離子侵入性的指標(biāo)。

4.化學(xué)腐蝕環(huán)境

常見腐蝕性化學(xué)物質(zhì)包括土中和地表水、地下水中的硫酸鹽及酸類等物質(zhì)，以及大氣中的鹽分、硫化物、氮氧化合物等污染物質(zhì)。這些物質(zhì)對混凝土等材料的腐蝕主要是化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計，應(yīng)控制混凝土遭受化學(xué)腐蝕性物質(zhì)長期侵蝕引起的損傷。

在混凝土中加入適量的礦物摻合料對于提高混凝土抵抗化學(xué)腐蝕的能力有良好的作用。研究表明，在合適的水膠比下，礦物摻合料及其形成的致密水化產(chǎn)物可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高混凝土抵抗水、酸和鹽類物質(zhì)腐蝕的能力，提高抵抗堿—骨料反應(yīng)的能力。

5.泥沙淤積環(huán)境

泥沙淤積環(huán)境下工程建筑物的耐久性設(shè)計，應(yīng)控制泥沙淤積引起的對工程建筑物功能、安全和效益的不利影響。水工建筑物的位置宜選擇在河道來沙量較小的區(qū)域，以減少泥沙的淤積。在多泥沙河流建設(shè)攔河壩（閘），應(yīng)進(jìn)行專門的論證。同時，應(yīng)提出淤積控制措施（包括庫容淤積控制、上游洪水位抬高控制、壩前泥沙與水流控制、下游河道沖刷控制等）。設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)實際情況采取一種或多種方法解決泥沙淤積問題。

五、結(jié) 語

工程及其建筑物合理使用年限的規(guī)定及其耐久性設(shè)計是我國水利水電工程建設(shè)的一項重要工作。在總結(jié)水利水電、建筑、市政、鐵路等行業(yè)的工程建設(shè)和耐久性設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過分析研究，形成了適合我國水利行業(yè)特點的工程合理使用年限確定和耐久性設(shè)計準(zhǔn)則。

（1）水利水電工程功能多樣，水工建筑物類別不一。借鑒相關(guān)行業(yè)經(jīng)驗和當(dāng)前科技發(fā)展的總體水平，提出了根據(jù)工程功能、等別確定工程合理使用年限，根據(jù)工程建筑物的類別和級別確定建筑物合理使用年限的方法，可與我國現(xiàn)行水利行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系相協(xié)調(diào)。

（2）水利水電工程運行環(huán)境復(fù)雜，建筑材料多種多樣。針對各類環(huán)境條件、各類建筑物，提出了耐久性設(shè)計原則、主要內(nèi)容及其重點。

（3）工程耐久性設(shè)計問題十分復(fù)雜，目前尚缺乏完善的定量分析評價方法，需要今后加強研究，不斷完善。

[1]地鐵設(shè)計規(guī)范(GB 50157—2013)[S].2013.

[2]鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范（TB 10005—2010）[S].2010.

[3]海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范（JTJ 275—2000）[S].2000.

[4]公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范（JTG/T B07—01—2006）[S].2006.

[5]山東省混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)程（DB J14-S6—2005）[S].2005.