鞍子河水電站隧洞混凝土腐蝕原因及處理措施

楊 長 青， 肖 向 南

(1.成都金華能電力實業(yè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091；2.國網(wǎng)都江堰市供電公司，四川 都江堰 611830)

1 隧洞混凝土腐蝕特征

鞍子河水電站總裝機容量為2×6 000 kW，無壓引水，隧洞總長7 168 m，城門洞型，襯砌后凈斷面為2.6 m×3.0 m，混凝土襯砌厚度30 cm，強度等級為C20，于2002年投入運行。

在2007年枯水期隧洞年度檢查時發(fā)現(xiàn)：隧洞邊墻、頂拱混凝土多處出現(xiàn)腐蝕，強度下降為零。根據(jù)現(xiàn)場觀察，在混凝土腐蝕程度較高、特征較為明顯的部位，其表面形成0.1～2.4 m2面積的云朵狀或不規(guī)則狀的無膠凝強度的疏松稀散物質(zhì)。混凝土變質(zhì)部位大多出現(xiàn)在隧洞底板以上30 cm的邊墻和頂拱處，邊墻表面多平行墻面膨脹開裂。在腐蝕中心部位稍深一點的混凝土則粘結(jié)物強度完全消失，呈泥狀[1]。腐蝕變質(zhì)從表至里的深度大多在1.5～15.0 cm之間，個別深度超過30 cm，若將表面的腐蝕部分清除剝離后，內(nèi)部未遭腐蝕部分仍然堅硬如初，符合強度要求。

2 混凝土腐蝕原因分析

經(jīng)詢問基建期相關(guān)人員，在建設(shè)期1999年10月至2001年10月間，隧洞多處洞段在混凝土澆筑3～18個月內(nèi)，陸續(xù)發(fā)生混凝土腐蝕變質(zhì)，混凝土表面強度下降為零。在未進行全面化驗分析環(huán)境水影響等情況下，憑經(jīng)驗將腐蝕混凝土置換，于2002年投運。經(jīng)過幾年的運行，在2007年隧洞年度檢查時發(fā)現(xiàn)混凝土腐蝕加劇。

為了查明腐蝕原因，找到徹底根治辦法，公司委托有資質(zhì)單位針對隧洞襯砌混凝土開展鉆孔取芯的強度分析、礫石和砂漿硫化物分析、巖石化學(xué)成分分析，并在鉆孔處取滲透水水樣作水質(zhì)簡分析測試。盡可能查明襯砌混凝土發(fā)生腐爛變質(zhì)以及變形開裂的可能原因。

現(xiàn)場取樣及室內(nèi)試驗的工作量見表1。

2.1 混凝土芯樣抗壓強度試驗

鉆孔取芯采用Φ76鉆頭，實際芯樣平均直徑為67 mm，檢測得到的30組混凝土芯樣的抗壓強度部分較高，拱頂部位10組芯樣抗壓強度有9組的抗壓強度在20 MPa以上，在5+900這一組在拱頂部位的抗壓強度為14.8 MPa，未達到設(shè)計值；左、右邊墻20組芯樣的抗壓強度指標均大于設(shè)計值15 MPa，達到設(shè)計要求。

表1 ××電站現(xiàn)場取樣及室內(nèi)試驗工作量表

混凝土芯樣的抗壓強度部分較高，可能是因為混凝土芯樣的骨料顆粒礫卵石較大；且試件在加工取樣時，往往取試塊的完整部分進行試驗，從而導(dǎo)致芯樣的抗壓強度偏高。

2.2 水質(zhì)簡分析測試

取水樣21組，分別取自7個不同的斷面，每個斷面各取3組。對21組水樣分別進行了陰離子(CL-、SO42-、HCO3-、CO3-)、陽離子(Ca++、Mg++、K++Na+)、CO2、硬度、PH值等項目的測試。

地下水水質(zhì)分析共完成7個斷面21組，3+540、3+600、3+680、3+800 4個斷面的地下水中SO42-含量介于562.43～1931.90 mg/L，具有強腐蝕性；5+616斷面SO42-含量介于234.39～281.46 mg/L，具有弱腐蝕性；5+720及5+788兩個斷面的地下水無明顯的腐蝕性。

依據(jù)國標GB50287附錄K“環(huán)境水對混凝土腐蝕性評價”，判斷腐蝕性等級為強腐蝕性。由于環(huán)境水對混凝土的長期作用，SO42-離子形成結(jié)晶體，從而產(chǎn)生膨脹壓力導(dǎo)致混凝土破壞。如生成CaSO4·2H2O時體積就增大1倍；如生成MgSO4·7H2O時體積就增大4.3倍。因環(huán)境水強腐蝕性使腐蝕區(qū)混凝土的強度在一年內(nèi)降低≥20%，所以環(huán)境水的SO42-離子嚴重超標是導(dǎo)致混凝土破壞的直接原因。

2.3 圍巖巖石化學(xué)成分測試

在10個斷面圍巖取芯樣各1組，對10組巖石進行化學(xué)成分分析。據(jù)分析結(jié)果看出，大部分巖石的化學(xué)成分以CaO為主，且含有一定量的MgO。此化學(xué)成分中的Ca、Mg如與環(huán)境水的SO42-形成結(jié)晶體，會對混凝土產(chǎn)生膨脹壓力導(dǎo)致混凝土部分破壞。有兩組巖石芯樣中SO3含量超標，也會使混凝土的強度等受到影響。

2.4 混凝土礫石、砂漿SO3測試

在10個斷面的混凝土芯樣中任取其中一塊，分別對礫石、砂漿進行SO3測試。礫石的SO3有二組大于0.5%(混凝土質(zhì)量要求礫石的SO3應(yīng)<0.5%)。而砂漿的SO3全部大于0.5%，但砂漿中含有一定量的水泥成分，水泥的SO3含量本身就較大，不能說明問題。礫石、砂漿的SO3有些超標，會對混凝土強度產(chǎn)生一定的影響。

2.5 混凝土砂漿化學(xué)成分測試

選有代表性的斷面各取一組混凝土砂漿作化學(xué)成分測試。可以看出砂漿中的CaO化學(xué)成分含量較大，也有一定量的MgO。如Ca、Mg與環(huán)境水的SO42-生成結(jié)晶體，導(dǎo)致混凝土膨脹產(chǎn)生破壞。

3 處理措施

3.1 混凝土腐蝕原因

導(dǎo)致電站隧洞混凝土腐蝕變質(zhì)、脹裂的原因是：環(huán)境水的SO42-離子嚴重超標，其強腐蝕性使腐蝕區(qū)混凝土的強度在一年內(nèi)降低≥20%，最后呈泥狀，失去強度；環(huán)境水對混凝土的長期作用，SO42-離子形成結(jié)晶體，產(chǎn)生膨脹壓力導(dǎo)致混凝土破壞。所以環(huán)境水是導(dǎo)致混凝土破壞的直接原因。

3.2 處理措施

(1)對腐蝕混凝土洞段，選用高抗硫抗腐蝕水泥[2](P.HSR32.5)重新澆鋼筋混凝土，并進行回填和固結(jié)灌漿。

(2)對受損暫未發(fā)現(xiàn)明顯變形的區(qū)段或已產(chǎn)生縱向裂縫的洞段采用高抗硫水泥進行固結(jié)灌漿，并利用灌漿孔設(shè)置錨桿(一半采用普通錨桿，直徑Ф22，長度2.5 m；一半采用直進式中空注漿錨桿，直徑Ф25，長度2.5 m)。

(3)對混凝土的細小裂縫選用具有親水性的化學(xué)物質(zhì)進行化學(xué)灌漿處理。對1～5 mm的裂縫，由于裂縫寬度較小，采用化灌封堵，5～25 mm裂縫擬采用環(huán)氧水泥砂漿嵌縫的方式封堵裂縫。

(4)對底板、側(cè)墻、受損嚴重的部位采用高抗硫水泥拌制混凝土進行置換處理，拱圈部分在非過水斷面可采用加厚支護的辦法，置換時采用鋼筋混凝土。

對隧洞混凝土腐蝕變質(zhì)較明顯邊墻頂拱洞段，以及開裂變形較大邊墻頂拱段采用置換、固結(jié)灌漿、化學(xué)灌漿處理后，經(jīng)過10年的安全運行，未再出現(xiàn)混凝土腐蝕變質(zhì)等情況。實踐證明，采用高抗硫水泥能夠有效治理環(huán)境水等導(dǎo)致混凝土腐蝕。

4 結(jié) 語

通過混凝土芯樣強度分析、礫石和砂漿硫化物分析、巖石化學(xué)成分分析，并在鉆孔處取滲透水水樣作水質(zhì)簡分析測試，查明隧洞混凝土發(fā)生腐爛變質(zhì)原因為環(huán)境水中的SO42-離子嚴重超標，其強腐蝕性使腐蝕區(qū)混凝土的強度在一年內(nèi)降低超過20%，最后呈泥狀，失去強度；變形開裂的原因為SO42-離子形成結(jié)晶體，生成二水石膏等，產(chǎn)生膨脹壓力導(dǎo)致混凝土破壞。故環(huán)境水中SO42-離子是混凝土腐蝕的根本原因。經(jīng)實踐證明，通過科學(xué)的方法全面分析混凝土腐蝕變質(zhì)、變形開裂的可能原因，再對癥采用抗環(huán)境水侵蝕的高抗硫水泥，進行腐蝕混凝土置換，鼓脹開裂段固結(jié)灌漿及微小裂縫的化學(xué)灌漿等處理方法，能夠有效治理環(huán)境水硫酸根離子超標等導(dǎo)致混凝土腐蝕問題。

因電站處于運營階段，為盡量減少電量損失，僅對隧洞混凝土腐蝕變質(zhì)較明顯邊墻頂拱洞段，以及開裂變形較大邊墻頂拱段進行處理。處理后每年枯水期對整個隧洞進行年度檢查，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過處理的洞段未出現(xiàn)混凝土腐蝕變質(zhì)等情況，效果良好，可供同類工程參考。