壩基混凝土腐蝕檢測分析及腐蝕程度分級

李樹武，劉 昌，付建偉

(1.國家能源水電工程技術研發中心高邊坡與地質災害研究治理分中心，陜西 西安 710065；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

混凝土是一種經濟、節能的人工耐久性材料，是大壩主要的建筑材料之一。我國絕大多數混凝土壩是新中國成立之后修建的，據對109座大中型水電站混凝土壩的統計，截至2020年，壩齡超過40年的有67座，最長的將近80年[1]。隨著混凝土本身的老化和地下水及空氣等介質的長期侵蝕作用，混凝土結構出現了各種不同程度的腐蝕缺陷或腐蝕損傷，致使其耐久性、安全性降低，甚至引起結構失效，造成巨大損失。當前大壩混凝土耐久性問題已成為行業關注的熱點。

目前，國內外對混凝土腐蝕方面的研究多集中在對混凝土腐蝕類型[2-3]、水對混凝土的腐蝕機理及腐蝕能力[4-5]、混凝土析出物的成分及來源[6- 8]等方面，而對混凝土遭受腐蝕造成耐久性損失程度研究較少，且針對該類問題的檢測分析國內目前尚無明確的規程規范指導說明。為此，本文利用勘察手段，從庫壩區具體的工程地質、水文地質條件以及實際的運行工況出發，通過現場調查及測試、鉆探取芯結合孔內數字攝像及孔內超聲波檢測，并綜合壩基混凝土滲水水化學分析、混凝土物理力學的試驗成果，以系統分析的理論和方法，將由多手段測試方法獲得的多源信息加以融合，對壩基混凝土的腐蝕狀態、腐蝕程度進行科學的識別和評估，總結并提出了壩基混凝土遭受腐蝕程度的評價、分級標準，對于評價及預防大壩病變、災變，以及延長大壩服役壽命具有指導意義。

1 現場調查與測試

1.1 工程環境調查

由于壩基混凝土位置特殊，其工作環境較一般大氣中的混凝土結構更為復雜，開展其腐蝕狀況調查前，必須首先對工程所處的環境進行詳細調查，初步分析可能造成混凝土腐蝕的各種不利因素。調查內容主要包括：

(1) 地質環境與氣候條件。搜集已有資料，對工程區的地層巖性、地質構造、物理與化學風化等地質環境條件，以及工程所在地區的主要氣候特征、凍融條件等作初步了解。

(2) 大壩基本情況。包括壩型、壩高、建基面條件、材料設計強度、荷載、沉降、傾斜、裂縫情況等。搜集有關設計資料及竣工資料，如平面圖、剖面圖、立面圖、設計報告、竣工報告等，并對工程的歷史沿革及現狀等作基本了解。

(3) 地下水環境特點。包括地下水水位、水的物理化學特征、污染情況，以及環境水的補給、排泄、循環和滯留條件等。

1.2 表觀腐蝕調查

混凝土腐蝕破壞現象一般表現為局部的剝落、隆起、凹陷、甚至垮塌或掉塊，混凝土呈現出酥松、軟化等特征，結構表部出現色染或析出物富集等現象。因此，表觀腐蝕情況檢查是調查混凝土質量或評估其損傷程度的最直觀、有效的方法。

表觀腐蝕情況調查主要是對混凝土的腐蝕狀態、特征、部位以及浸水狀態、干燥程度等進行詳細描述，從而獲得混凝土結構表面損傷的整體分布情況，并對損傷的嚴重程度進行初步的分區。

圖1 強度推定值的計算基本流程

1.3 現場測試

2 鉆孔勘探及孔內測試

鉆孔勘探是壩基混凝土腐蝕程度檢測的一項重要技術手段，具有直觀、準確、破壞性小等優點，通過鉆探取芯可以直接觀察混凝土的內部性狀，并對不同深度混凝土的物理、力學性能和指標進行分析研究。在鉆孔內可直接取得壩基地下水水樣，使地下水化學分析更具針對性。同時，也可為混凝土內部測試(孔內攝像、孔內波速測試)提供條件。

2.1 鉆孔勘探

鉆孔布置應統籌考慮，兼顧一般，對重點研究部位及腐蝕嚴重部位加大勘探密度，必要時可布設斜孔或少量槽探，勘探布置原則及技術要求如下：

(1) 確定鉆孔位置。根據混凝土腐蝕程度初步分區成果，結合原設計資料，確定鉆孔位置，結合實際需要可布設鉛垂孔或斜孔，孔深至基巖接觸面以下3～5 m。

(2) 鉆進工藝及技術參數。勘探孔采用金剛石雙管單孔回轉取芯鉆進，孔徑不小于90 mm，孔斜每10 m不大于0.1°；按采取率≥95%要求取得完整芯樣，對芯樣要準確量測、順序排列、編號、清理、拍照、編錄，最后裝箱并妥善保管。

(3) 技術要求。對混凝土顏色、骨料級配、膠結狀態、芯樣表部粗糙程度、氣泡孔洞及微裂隙發育情況，以及內部配筋的銹蝕情況等進行詳細描述；對鉆進過程中遇到的特殊情況、巖芯的腐蝕狀態、巖芯的完整性、混凝土與基巖的接觸狀態等進行統計分析，并繪制鉆孔柱狀圖；施工過程中必須對鉆孔返水等施工廢水進行沉淀過濾后方可排出。

(4) 終孔測試及封孔。終孔前應將鉆孔孔壁清洗干凈，以便進行孔內數字攝像和孔內超聲波檢測；鉆孔取樣、測試及終孔驗收檢查結束后進行全孔水泥砂漿封孔，封孔應從下而上，適當加壓或振搗，封孔水泥應與原設計混凝土型號相同。

2.2 孔內數字攝像

孔內數字攝像使用智能鉆孔電視成像儀，該儀器主要由主機(包括顯示器、控制器、嵌入式電腦)、絞車系統、攝像頭和輔助光源等組成。工作時，通過絞車系統將攝像頭送入孔內，由步進電機控制攝像頭連續拍攝360°的孔壁照片；最后，把步進電機的旋轉角度轉化為攝像頭的位移，拼接出完整、連貫的孔壁展開圖。孔內攝像工作展開前，孔壁要經高壓沖洗干凈，保證孔壁無巖屑覆蓋、孔內水質清澈，否則會影響攝像的清晰度。

采用孔內數字攝像可直接觀測到孔壁混凝土的近原始狀態剖切圖信息，包括孔壁的完整性、孔壁裂縫或微裂隙、剝蝕或缺陷的位置及發育情況，滲水或較大的水運移通道，混凝土與基巖接觸部位的膠結情況等。通過進一步直觀查看鉆孔孔壁的腐蝕現狀，分析判斷不同部位混凝土的腐蝕程度。同時，判斷混凝土遭腐蝕后的薄弱部位，為查明腐蝕來源及研究腐蝕形成的機理提供一定依據。

2.3 孔內超聲波檢測

孔內超聲波檢測是由超聲脈沖發射源在混凝土(或基巖)內激發高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統記錄該脈沖波在混凝土內傳播過程中表現的波動特征。當混凝土內存在不連續或破損界面時，缺陷面形成波阻抗界面，波到達該界面時，產生波的透射和反射，使接收到的透射能量明顯降低；當混凝土內存在松散、蜂窩、孔洞等嚴重缺陷時，將產生波的散射和繞射，根據波的初至到達時間和波的能量衰減特征、頻率變化及波形畸變程度等特性，獲得測試范圍內混凝土的強度及腐蝕損傷特征，從而為下一步分析判斷混凝土內部的腐蝕范圍、腐蝕程度提供依據。

孔內超聲波檢測應從孔底由下至上沿孔壁連續測試，觀測點距為0.2 m，探頭與孔壁采用水耦合。對外業采集的原始波形數據用專業軟件進行處理，計算出波速VP，并繪制波速曲線圖。聲波測試原始資料的自檢及測試精度應符合DL/T 5010—2019《水電水利工程物探規程》中的相關要求。公式如下

(1)

式中，L為第1道與第2道接收探頭之間的距離；t1、t2分別為第1道、第2道接收探頭的讀時。

混凝土質量與波速之間存在一定的對應關系[9]，以此為基礎結合筆者多年工程實踐經驗，得到大壩常態混凝土平均波速與混凝土腐蝕程度及混凝土質量間的對應關系，見表1。

表1 混凝土質量與波速關系

3 試驗設計

3.1 單軸抗壓強度試驗

3.1.1混凝土強度推定值

為了能更科學地得到壩基混凝土的力學參數，現場按上、中、下部位對各鉆孔內混凝土取原狀樣做單軸抗壓強度試驗。室內試驗所得的各樣本的單軸抗壓強度應滿足正態分布，試驗資料處理時應通過GB 4883—1985《數據的統計處理和解釋正態樣本異常值的判斷和處理》中奈爾(Nair)檢驗法的重復使用，在取檢出水平為5%、剔除水平為1%的情況下判斷和處理后，對樣本中的異常值進行剔除，再將剔除后的試驗成果對比設計強度標準值，對混凝土進行強度衰減程度分析。為提高鉆芯檢測混凝土強度檢測結果的可靠性，應計算出檢驗批混凝土的強度推定值。檢驗批的混凝土強度推定值應計算推定區間，推定區間的上限值和下限值按下式計算[10]

fcu，e1=fcu，cor，m-k1Scu

(2)

fcu，e2=fcu，cor，m-k2Scu

(3)

(4)

(5)

式中，fcu，cor，m為芯樣試件抗壓強度平均值；fcu，cor，i為單個芯樣試件抗壓強度值；fcu，e1為混凝土抗壓強度推定上限值；fcu，e2為混凝土抗壓強度推定下限值；k1、k2分別為推定區間上限值系數和下限值系數；Scu為芯樣試件抗壓強度樣本的標準差。

fcu，e1和fcu，e2所構成推定區間的置信度宜為0.90，當采用小直徑芯樣試件時，推定區間的置信度可為0.85。fcu，e1與fcu，e2之間的差值不宜大于5.0 MPa和0.10fcu，cor，m兩者的較大值，且宜以fcu，e1作為檢驗批混凝土強度的推定值，以fcu，e1作為混凝土工程施工質量的評定界定界限，應符合GB 50300—2013《建筑工程施工質量驗收統一標準》關于錯判概率不大于0.05的規定。由此計算出在置信度為0.90(或0.85)條件下壩基混凝土的推定抗壓強度值，對比設計強度標準值，判定壩基混凝土當前強度是否符合設計要求。

3.1.2混凝土強度的檢驗評定

實際檢測過程中，除了通過定量化計算出混凝土的推定強度，并比較推定強度與設計強度標準值的大小關系外，仍需通過統計方法及非統計方法對混凝土的強度進行檢驗評定[11]。當檢驗結果滿足下述的規定時，則該批混凝土強度評定為合格，否則為不合格。

(1)統計方法評定。當試驗樣本容量不少于10組時，其強度應同時滿足下列要求

mfcu≥fcu，k+λ1Sfcu

(6)

fcu，min≥λ2fcu，k

(7)

同一檢驗批混凝土試樣抗壓強度的標準差應按下式計算

(8)

式中，mfcu為同一檢驗批混凝土試樣抗壓強度的平均值；fcu，k為混凝土試樣抗壓強度標準值；fcu，i為單個混凝土試樣抗壓強度標準值；fcu，min為同一檢驗批混凝土試樣抗壓強度的最小值；Sfcu為同一檢驗批混凝土試樣抗壓強度的標準差，當Sfcu計算值小于2.5 N/mm2時，應取2.5 N/mm2；n為本次試驗檢測的樣本容量；λ1、λ2為合格評定系數，當n=10～14時，λ1取1.15、λ2取0.90，當n=15～19時，λ1取1.05、λ2取0.85，當n≥20時，λ1取0.95、λ2取0.85。

(2)非統計方法評定。當用于評定的樣本容量小于10組時，采用非統計方法評定混凝土強度，其強度應同時符合下列規定

mfcu≥λ3fcu，k

(9)

fcu，min≥0.95fcu，k

(10)

式中，λ3為合格評定系數，當混凝土強度等級

(3)強度衰減程度與腐蝕程度的關系。為了表達混凝土已遭受到的腐蝕程度，引用GB 50287—2016《水力發電工程地質勘察規范》中環境水對混凝土的腐蝕程度分級標準進行分類，見表2。

表2 混凝土抗壓強度的衰減程度與腐蝕程度的關系

3.2 水化學試驗

為了能進一步掌握混凝土的腐蝕因素及腐蝕機理，在對地下水進行常規水化學分析的基礎上，對混凝土芯樣做圖譜分析、電鏡掃描和能譜微區元素分析等測試。

3.2.1水質檢測

3.2.2析出物化學成分檢測

為揭示混凝土的基本物質組成，對混凝土樣品做X射線熒光光譜分析，以確定所含的常量組分和微量組分，以及不同孔位、不同深度所取的樣品之間的化學成分及含量的變化。對樣品混凝土內基本元素及相關氧化物的含量進行對比，分析其相關性，進而確定影響混凝土腐蝕的主要指標，為判定腐蝕原因及腐蝕機理提供依據。

3.2.3主要礦物相及腐蝕產物測試與分析

對取芯孔內不同深度的混凝土芯樣做X射線衍射分析，以揭示其基本的礦物相；并對部分芯樣做電鏡掃描以及能譜微區元素測試，以揭示混凝土受到腐蝕后可能形成的新礦物相及其基本元素組成，并確定其含量。

根據對水樣及混凝土芯樣的多手段測試成果，重點分析具指示意義的各項指標隨孔深及孔位的變化，進而確定發生腐蝕的空間分布特征，最后綜合分析在滲流水作用下混凝土腐蝕的形成機理及影響因素。

4 腐蝕程度分級

根據現場調查、鉆孔勘探、孔內測試及抗壓強度試驗成果等，對壩基混凝土遭受腐蝕程度進行分級。分級標準見表3。基于此研究思路進行混凝土腐蝕狀況分析研究已成功應用于李家峽水電站壩基混凝土腐蝕狀況檢測，取得了良好效果，評價成果得到了專家的肯定與好評。

表3 壩基混凝土腐蝕程度分級標準

5 結 語

本文針對壩基混凝土的工作環境特點，利用多種勘察方法，從庫壩區具體的工程地質、水文地質條件以及實際的運行工況出發，對壩基混凝土腐蝕程度檢測分析方法及腐蝕程度分級進行了研究，得出以下結論：

(1)通過現場調查、回彈測試及碳化深度測試對腐蝕程度進行初步分區，可為勘探布置提供依據。

(2)通過鉆孔勘探、孔內數字攝像及孔內超聲波檢測，以及混凝土芯樣抗壓強度試驗及強度衰減程度分析，查明腐蝕范圍及影響程度，并對腐蝕程度進行詳細分區、分類。

(3)結合水質分析及析出物化學成分分析成果，對腐蝕原因及腐蝕機理進行分析，并依據腐蝕程度分級標準，繪制出腐蝕情況平、剖面分區圖，并提出處理建議。

本研究思路未考慮凍融作用、水流沖刷作用等因素，實際調查中需針對不同工程所處的環境特點，分清主次，有針對性的對腐蝕狀況展開調查分析。