混凝土壩滲透溶蝕劣化的數值模擬研究

姜 姍

(江西省水投工程咨詢集團有限公司，江西 南昌 330000)

隨著我國水利建設的發展，混凝土壩項目越來越多，然而，由于特殊的工作環境導致其極易發生溶蝕破壞，對結構安全性和耐久性造成影響。為此，許多研究人員進行了一系列研究。

費新峰[1]對目前混凝土壩表面防護涂料進行了總結，分析了嚴寒地區混凝土壩迎水面發生凍融破壞和裂縫破壞的主要原因。余正源等[2]依托實際工程案例，根據現場監測數據，擬定了混凝土壩橫縫三向變形的監控指標。張石和鄭東健[3]通過基于隨機森林算法，提出了一種預測精度高、穩定性強的混凝土壩變形預測模型。李燕麗[4]為提高壩體穩定性，對混凝土壩體防滲墻參數進行了設計，并對防滲墻布置設計要點進行了闡述。楊菁[5]考慮到了溫度的影響，通過有限元軟件建立了混凝土重力壩溫度分析模型，計算了不同溫度條件下混凝土壩體的熱應力狀態。劉越等[6]針對混凝土壩滲漏問題，對碾壓式混凝土壩加固階段的病險隱患進行了勘察分析，確定了不同類型的碾壓層面參數。

為研究混凝土壩長期服役過程中滲透溶蝕問題，本文依托實際混凝土壩案例，通過有限元軟件建立了混凝土壩滲流分析模型。基于此，對滲透溶蝕作用下壩體劣化時空分布規律進行了研究。本文的研究成果可為混凝土壩體耐久性評價和運營維護方面提供一定的指導、借鑒意義。

1 滲透溶蝕參數演化方程

在滲透水流和Ca2+濃度差的雙層作用下，長期觸水混凝土壩易發生溶蝕破壞。將溫度對溶蝕過程的影響忽略，則在飽水狀態中可通過Fick定律和Ca2+質量守恒定律對溶蝕過程中Ca2+遷移方程進行推導。

若滲透流量較小或者不考慮滲透流量前提下，與擴散時間相比情況下，固相鈣的溶解時間可忽略，因此能根據熱力學平衡狀態對混凝土內部固相鈣和孔隙液中的液相鈣進行假定。而當滲流量和滲流速度較大時，與擴散時間相比較，固相CH和C-S-H凝膠的溶解時間更為顯著，因此不能根據熱力學平衡狀態對混凝土內部固相鈣和孔隙液中的液相鈣進行假定，即通過固相平衡方程無法計算固相鈣濃度。針對此種情況，通常采用化學-孔隙-塑性理論通過化學勢對鈣溶蝕過程中的固相鈣溶解速率進行描述。

C-S-H凝膠和CH固相水化產物溶解會對微觀結構產生不利影響，使其孔隙率增加。為此，簡化了孔隙率增量的計算過程，通過固相CH溶蝕進行了等效，孔隙率增量Δθ通過下式進行計算：

(1)

通過Kozeny-Carman方程則可對滲透系數的演變方程進行推導：

k=k0(θ/θ0)3[(1-θ0)/(1-θ)]2

(2)

式中，k0—初始滲透系數，cm/s。

2 數值模型建立

2.1 工程簡介

在本篇文章中，依托某混凝土壩工程項目進行足尺寸數值建模。該項目最大壩高為85m，最大壩底寬度為65m，正常蓄水位情況下庫深為78m。為模擬最不利工況，在進行建模時將壩體排水孔按照堵塞狀態進行考慮。在劃分網格時，為在保證計算精度的前提下兼顧計算效率，對壩頂和壩底等位置處進行了局部的網格細化，劃分有42362個有限元網格。該混凝土壩的數值模型如圖1所示。

圖1 混凝土壩數值模型

設定邊界條件時，根據工程實際情況與前人研究結果，將模型底部設為固定約束條件，四周設為法相約束條件，壩頂設為自由約束條件。

2.2 初始參數

壩體混凝土等級為C30，通過彈塑性模型對混凝土材料進行模擬。水泥用量為458kg/m3，表1為其化學組分。表2展示了模型的初始計算參數。

表1 水泥化學組分

表2 初始計算參數

3 結果分析與討論

3.1 滲流速度

溶蝕100a后不同高程工況下的水平向滲流速度的變化情況如圖2所示。

圖2 溶蝕100a后水平向滲流速度變化曲線

從圖2可以看出，在壩體上游面的溶蝕區，各工況下滲流速度較大，且變化幅度較為顯著，差異也比較明顯。這是由于，在溶蝕區域，固相鈣溶蝕會導致孔隙率增大，進而導致滲流速度增加。而在下游的非溶蝕區，各工況下的滲流速度較低，各工況下的滲流速度差異不大。在溶蝕區域，同一位置處，平衡態滲流速度普遍大于不平衡態工況，且隨著高程的增加，滲流速度減小，滲流速度與高程呈現負相關關系。此外，在溶蝕區域，高程越大，平衡態與非平衡態的差異越明顯。

3.2 固相鈣濃度

壩體內部的固相鈣濃度隨溶蝕時間的變化情況如圖3所示。

圖3 固相鈣濃度隨時間變化曲線

觀察圖3可以發現，在固液平衡狀態下，隨著溶蝕時間的增加，固相鈣濃度基本無變化，表現得較為穩定。固液非平衡狀態下，隨著溶蝕時間的增加，固相鈣濃度呈現線性下降的趨勢，出現了隨著溶蝕時間增加固相鈣濃度減小的一般性規律，固相鈣濃度與溶蝕時間呈現負相關關系。出現這種現象，主要是由于在固液平衡狀態中，僅壩體表面出現溶蝕，而壩體內部未發生溶蝕，故而固相鈣濃度保持比較穩定。固液不平衡狀態下，壩體內部也存在著輕微的溶蝕現象，故而固相鈣濃度隨著溶蝕時間的增加而減小，符合混凝土壩的實際溶蝕規律[7-8]。

在壩高40m水平截線位置處，對不同溶蝕時間的固態鈣和液相Ca2+的溶蝕深度進行了統計，以期更直觀地探究平衡態與不平衡態溶蝕程度的差異，統計結果見表3。

表3 混凝土壩滲透溶蝕深度 單位：m

由表3可以看出，固液平衡態與固液不平衡態理論的固相鈣和液相Ca2+溶蝕深度結果差異較大。究其原因，是由于在平衡態下，液相Ca2+的擴散速度遠小于固相鈣的溶解速度，因此表現出了固相鈣溶蝕深度遠大于液相Ca2+溶蝕深度的情況。與之相反，在不平衡態下，溶蝕速度由固相鈣溶解速度所決定，因此液相Ca2+溶蝕深度要遠小于固相鈣的溶蝕深度。

在固液不平衡條件下，溶蝕100a后壩體的孔隙率分布情況如圖4所示。

圖4 溶蝕100a后固液不平衡條件下壩體孔隙率分布

從圖4可以看出，壩體服役100a后，正常蓄水位以下區域的壩體孔隙率變化較為明顯，壩體上游區域更為顯著，而壩體正常蓄水位以上深度孔隙率變化不明顯。

3.3 混凝土抗壓強度

水泥基材溶蝕程度的評價指標之一為鈣含量，通過測定鈣含量，可以反映水泥基材力學性能變化情況。在本文中，制作邊長為50mm的立方體混凝土試塊，混凝土強度標號分別為C40、C35、C30，通過稀釋的硝酸溶液進行浸泡，再進行無側限抗壓試驗，進而獲得Ca2+累計相對溶蝕量與混凝土抗壓強度的關系曲線，試驗結果如圖5所示。

圖5 Ca2+累計相對溶蝕量與混凝土抗壓強度的關系

從圖5可以看出，隨著Ca2+累計相對溶蝕量的增加，混凝土試塊抗壓強度隨之下降，混凝土抗壓強度與Ca2+累計相對溶蝕量呈負相關關系，且隨著Ca2+累計相對溶蝕量，混凝土抗壓強度下降速率降低。各混凝土強度試塊相比，C40受溶蝕劣化影響最為明顯，其次為C35，影響最低的為C30混凝土試塊，從圖中也可以發現，隨著Ca2+累計相對溶蝕量的增加，各標號混凝土試塊抗壓強度逐漸接近，可見溶蝕作用對混凝土強度的危害。綜上所述，在對混凝土服役性能演變進行分析時，不能對滲透溶蝕的影響進行忽略。

4 結論

文章基于滲透溶蝕參數演化方程，通過有限元法對壩體滲流速度、固相鈣濃度、溶蝕深度進行了分析，研究混凝土抗壓強度受滲透溶蝕劣化的影響。得出結論如下。

(1)平衡態在溶蝕區域的滲流速度普遍大于不平衡態工況，隨著高程的增加，滲流速度減小。

(2)固液平衡狀態下，固相鈣濃度隨著溶蝕時間增加，表現較為穩定。固液非平衡狀態下，固相鈣濃度呈線性下降的趨勢。

(3)隨著Ca2+累計相對溶蝕量的增加，混凝土試塊抗壓強度隨之下降。對混凝土服役性能演變進行分析時，需要考慮滲透溶蝕劣化的影響。

(4)不同壩型及服役時間可能對壩體滲透溶蝕劣化敏感度有一定影響，應用中需要進一步研究論證。