水電站混凝土建筑物耐久性分析

摘 要：劉家峽水電站混凝土主、副壩和溢洪道、泄水道、泄洪洞、排沙洞已運(yùn)行40余年，對混凝土裂縫、表層碳化、滲漏溶蝕、凍融凍脹、水質(zhì)侵蝕、混凝土強(qiáng)度和沖磨空蝕等方面的全面檢測分析表明，這些混凝土建筑物耐久性較好。指出封閉滲漏入口以提高壩體防滲能力，是防止或減緩滲漏溶蝕、凍融凍脹破壞的有效措施，并應(yīng)密切關(guān)注壩前水沙動態(tài)變化趨勢，對沖磨空蝕破壞及時進(jìn)行修補(bǔ)處理，以增強(qiáng)耐久性。

關(guān)鍵詞：混凝土建筑物；耐久性；劉家峽水電站

劉家峽水電站位于甘肅省境內(nèi)黃河干流上，是我國第一座裝機(jī)容量超過百萬千瓦的大型水電站，代表著我國20世紀(jì)六七十年代水電站的建設(shè)水平。劉家峽大壩自左至右依次為左岸混凝土副壩（共5個壩段）、混凝土主壩（共10個壩段）、右岸混凝土副壩（共21個壩段）、混凝土連接副壩（共5個壩段）以及黃土副壩，最大壩高147m，壩頂高程1739m。泄水排沙建筑物包括溢洪道、泄水道、泄洪洞和排沙洞。工程于1958年9月開工建設(shè)，1968年下閘蓄水，至今已度過40多個春秋。

本文從混凝土裂縫、表層碳化、滲漏溶蝕、凍融凍脹、水質(zhì)侵蝕、混凝土強(qiáng)度和沖磨空蝕等方面，對該工程混凝土主、副壩和泄水排沙建筑物的耐久性進(jìn)行概略分析研究。盾構(gòu)法因其具有施工時不阻斷交通、施工安全快速、對周圍環(huán)境影響小、有利于提高工程質(zhì)量和保護(hù)地面環(huán)境等優(yōu)勢，近年來越來越多被應(yīng)用于城市隧道的修建，已成為地鐵建設(shè)的主流施工方法。而施工引起的地層變形問題也成為隧道設(shè)計(jì)和施工中的熱點(diǎn)問題。

因此，準(zhǔn)確分析和計(jì)算盾構(gòu)施工引起的地層變形及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力具有非常大的理論和實(shí)際意義。目前，對城市隧道盾構(gòu)法施工引起的地層沉降的研究方法主要有：Peck公式、理論計(jì)算、相似材料模擬試驗(yàn)、有限元模擬等。地鐵盾構(gòu)雙線隧道先后施工引起的地面沉降有：Ito&Histake用邊界元法對彈性和粘彈性地層中淺埋隧道引起的三維地面沉陷進(jìn)行了分析，李桂花采用彈性有限元法模擬了不同埋深、不同直徑、不同間隙條件下的隧道開挖，深入研究了施工間隙參數(shù)并總結(jié)出相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式，張海波分析了隧道施工模擬中存在的問題，提出了用開挖卸荷單元來模擬開挖面土體的變形，李鵬利用數(shù)值模擬研究了不同施工方案的地表沉降等。

本文根據(jù)石家莊地鐵1號線07標(biāo)段北宋—談固站區(qū)間左右線盾構(gòu)隧道先后施工的特點(diǎn)，考慮隧道施工過程中的土層開挖、管片安裝及盾尾注漿等工藝，采用有限差分軟件FLAC 3D對地鐵盾構(gòu)隧道左右線的開挖支護(hù)過程進(jìn)行了仿真，并選取合理的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對土體材料特性、結(jié)構(gòu)幾何特征、載荷、邊界等的確定，得出了談固區(qū)間盾構(gòu)雙線隧道施工引起的管片受力及地層沉降特點(diǎn)，并與現(xiàn)場地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，以便對實(shí)際施工及地下管線的保護(hù)給予更好的指導(dǎo)。盾構(gòu)施工數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析圖5～8給出了左右線隧道不同推進(jìn)距離時地層的豎向位移。

（1）盾構(gòu)隧道開挖造成的地層沉降大致沿隧道軸線與水平線夾角45°向地表擴(kuò)散。隨著盾構(gòu)機(jī)的不斷向前推進(jìn)，地層豎向位移和影響范圍逐漸增大，左右線隧道貫通后地表的最大沉降約為10mm，橫向地表沉降的影響距離距隧道中心約為30m。距離隧道起始開挖位置越近，橫向地表沉降的影響距離越大。

（2）左線隧道掘進(jìn)時，深部地層的豎向位移呈偏向右側(cè)隧道的“W”型，距離隧道軸線越近，豎向位移越大，距離隧道軸線越遠(yuǎn)，豎向位移越小，靠近地表時豎向位移呈偏向右側(cè)隧道的拋物線型。

（3）地層的最大沉降值發(fā)生在隧道拱頂，拱頂?shù)呢Q向位移大于拱底的豎向隆起。

劉家峽水電站混凝土主、副壩和四大泄水排沙建筑物已運(yùn)行40年，目前壩面和廊道內(nèi)裂縫較多但多為表面淺層裂縫，不影響壩體的整體性和穩(wěn)定性；下游面、廊道內(nèi)壁和溢洪道閘墩混凝土表層碳化深度普遍較淺，碳化速率較低；下游面和廊道內(nèi)滲水析鈣現(xiàn)象顯著，但混凝土尚未遭受嚴(yán)重?fù)p害；下游面遭受到的凍融凍脹破壞比較普遍，但破壞程度比較輕微；地下水和庫水對基礎(chǔ)混凝土無硫酸鹽等水質(zhì)侵蝕現(xiàn)象；下游面約一半部位表層混凝土強(qiáng)度有所下降，而接近表面的內(nèi)部混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；四大泄水排沙建筑物運(yùn)行前期沖磨空蝕破壞比較嚴(yán)重，后期破壞程度逐漸減緩。全面檢測分析表明，該工程混凝土建筑物耐久性較好，反饋說明原設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行中采取的一系列措施基本達(dá)到預(yù)期目的。

為了防止或減少滲水引起的滲漏溶蝕和凍融凍脹破壞，應(yīng)研究和采取措施從上游面封堵滲水入口以增強(qiáng)壩體防滲能力，對下游面損壞部位應(yīng)盡早進(jìn)行修補(bǔ)保護(hù)。鑒于高速挾沙水流沖磨空蝕的復(fù)雜性和重要性，今后仍需密切關(guān)注壩前水沙動態(tài)變化趨勢，發(fā)現(xiàn)沖磨空蝕破壞及時作針對性處理。

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作者簡介：

朱寶（1984—），男，安徽滁州人，講師，碩士，一級建造師，全國招標(biāo)師，咨詢工程師（投資），研究方向：土木建筑工程施工。

基金項(xiàng)目：滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目資助，2016年度安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目：“盾構(gòu)隧道地層變形數(shù)值仿真分析及基于GNSS的監(jiān)測系統(tǒng)研究”（項(xiàng)目編號：KJ2016A546）