水工隧洞混凝土的常見病害及預防

翟 耀 武， 羅 鵬

(1.中國人民武裝警察部隊水電第九支隊，四川成都 611130;2.四川華電雜谷腦水電開發有限責任公司，四川成都 610091)

1 引言

獅子坪水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州理縣境內的岷江右岸一級支流雜谷腦河上，為雜谷腦河梯級水電開發的龍頭水庫電站。設計水頭390.00 m，引用流量 57.00 m3/s，總裝機容量 195 MW(3×65 MW)，多年平均發電量8.76億kW·h。

工程區位于青藏高原向四川盆地的過渡地帶，區內山嶺海拔高度一般為3 500～4 000 m，相對高差1 000～2 000 m，屬深切高山峽谷區。

引水隧洞位于雜谷腦河右岸，全長18.713 km，洞室斷面形式為馬蹄形和圓形。其中圓形斷面內徑5.5 m，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，該處為千枚狀板巖夾薄層粉細砂巖，巖石質密，中等堅硬;巖體為弱風化～新鮮，完整性較差，呈薄層狀結構，成洞條件差。在隧洞施工期和過水期間，由于混凝土澆筑溫度、超挖、分段長及配筋相對較少等綜合作用，同時受凍脹、沖磨、空蝕、堿骨料反應、碳化、溶蝕和侵蝕等病害的威脅，影響或限制了混凝土結構的正常使用功能并縮短了結構的使用年限。經對水工隧洞混凝土的常見病害進行分析和研究，提出了相應的預防對策，在工程建設管理的整個過程中，全方位、多渠道地提高水工混凝土的質量和耐久性，延長工程使用壽命非常有必要。

2 常見隧洞混凝土病害分析

隧洞混凝土是水利工程建設中很重要的材料，使用種類繁多，也需要在各種各樣復雜的環境條件下發揮作用確保工程正常運行。根據水工混凝土建筑物的結構特點和所處工作環境的不同，其常見病害主要有裂縫、凍脹、沖磨、空蝕、堿骨料反應、碳化、溶蝕和侵蝕七大類，其中前三類屬于物理性病害，后四類屬于化學性病害。由于工程自身因素和工作條件的差異，這幾類病害對混凝土的危害程度也互不相同。

(1)裂 縫。裂縫是混凝土建筑物最常見的病害之一。裂縫產生的原因主要是混凝土澆筑溫度、超挖、分段長及配筋相對較少等綜合作用形成材料的不連續現象，屬于物理性病害，是水工混凝土耐久性的首要影響因素。裂縫的出現，多數在施工期而存在，有的雖然在施工期以后，也多在運行初期5～10 a內，不是由于運行期長工程老化問題，而是早期的問題。裂縫的存在直接導致混凝土抗拉性能降低，裂縫也會引導有害物質進入混凝土內部，從而造成鋼筋銹蝕，甚至混凝土結構破壞。

(2)凍 脹。一般認為，在溫度正負交替過程中，混凝土微孔中的水成為結冰或過冷的水，體積膨脹產生凍脹壓力。過冷的水遷移產生滲透壓力，當兩者的附加作用力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土而遭受破壞，形成冷縫。所以說，凍脹破壞是一種物理性破壞，在我國的北方，水工混凝土受這種破壞的情況較嚴重。受凍融作用的影響，混凝土會變得酥松、鼓包、開裂甚至層狀剝落，使建筑物失去作用，進而對建筑物整體穩定造成影響。

(3)沖磨和空蝕。沖磨主要是水流中的泥沙作用。我國河流多泥沙，其與高速水流一起運動時磨蝕直接接觸或臨近混凝土。空蝕是水工泄水建筑物工作中的水流的一種特有現象，混凝土局部受到不規則的擠壓變形而產生破壞。所以，沖磨和空蝕都屬于物理性病害。一般講，沖磨和空蝕是交替而又相互促進的，將造成混凝土表面粗骨料裸露，混凝土表面凸凹不平，產生坑洞，進而造成鋼筋外露和銹蝕。

(4)堿骨料反應。骨料中含有的氧化硅等物質容易和水泥或混凝土中的堿(Na2O、K2O)起反應，即堿骨料反應，它是一種化學病害。該反應生成吸水膨脹的凝膠，使混凝土產生開裂。

(5)碳 化。混凝土的碳化(中性化)是空氣中的二氧化碳氣體不斷地透過混凝土中未完全充水的粗毛細孔，并與其中的空隙液所溶解的氫氧化鈣進行中和反應，生成碳酸鹽或其他物質，使混凝土孔溶液的PH值小于10，從而造成鋼筋的鈍化膜被破壞，鋼筋發生銹蝕。鋼筋生銹后體積膨脹，引起混凝土開裂，與鋼筋的粘結力降低，導致混凝土保護層脫落，鋼筋斷面面積發生損缺，嚴重影響混凝土的耐久性。

(6)溶 蝕。混凝土溶蝕是一種化學性病害。混凝土中的CaO被水溶解變成Ca(OH)2，遇到空氣中的CO2反應生成CaCO3沉淀物，標志著混凝土已經病變，將因此損失掉膠凝性而逐漸失去強度，抗滲能力也不斷降低。

(7)侵 蝕。侵蝕主要是環境水質對水工混凝土的危害，這也是一種化學病害，雖然不是特別普遍，但有些工程卻受害很深。

在上述所列病害類型中，以混凝土裂縫為首要病害，同時各類病害對混凝土的影響程度不同，同種病害在不同的混凝土建筑物上造成的破壞也各種各樣;另外，還存在地域差異，并且各種病害還會交叉感染，比如說，裂縫的存在會引起滲漏溶蝕、環境水侵蝕、凍脹破壞的擴展、混凝土碳化和鋼筋銹蝕等。

3 預防對策

經過上述分析，筆者認為要減少或預防隧洞混凝土病害要從幾個方面采取預防措施。

(1)首先應減小施工分塊長度。建議施工長度取8～10 m。其次，對超挖大于設計值10 cm以上的底板，應采取先澆筑基礎墊層，再澆筑結構混凝土的施工方法;對于邊頂拱超挖較大部位，則建議設計采用增加鋼筋用量或其它方法予以解決。施工中要加強骨料的降溫工作，根據骨料含水率調整配合比，并盡可能降低混凝土的出機和入倉溫度。減少混凝土的水平和垂直運輸中灰漿的流失，以防出機口和倉內混凝土的坍落度和配比的變化。高溫季節應調整混凝土的配合比，摻入粉煤灰。對混凝土表面進行粉刷或涂膜以延緩碳化或減少水質侵蝕，在有效范圍內增大混凝土鋼筋保護層，對混凝土裂縫最大寬度的允許值進行認真論證和嚴格限定，設置合理的伸縮縫、沉降縫和施工縫，讓結構可以自由變形，避免裂縫和不均勻沉降等。另外，還可以設置有效的防滲、排水、抗沖刷和抗磨蝕措施等。

(2)工程原材料。①合理選擇水泥品種和標號，盡可能選用水化熱小的水泥，適量摻加粉煤灰或礦渣等摻和料。②嚴格對混凝土拌和用水進行檢驗，避免氯離子含量超標。③盡可能采用較小的水灰比，減少混凝土的孔隙率。④采用雜質少、粒徑適中、級配好、堅固性好的砂石骨料。⑤合理使用和摻加減水劑和引氣劑等外加劑。

(3)施工工藝。①對于大體積混凝土要事先制定完備的溫控措施計劃，并在施工中嚴格執行。②改進施工機械，改善施工操作方法，確保混凝土均勻密實。③混凝土澆筑過程中，控制鋼筋保護層不受影響和破壞。④混凝土臨空面要從模板和澆筑過程中的振搗等方面進行控制，避免蜂窩、麻面的出現，對于已經造成的混凝土缺陷，要及時科學地進行修補和處理。

4 結語

由于病害的影響，很多隧洞混凝土建筑物的耐久性受到威脅和挑戰，很多以前建成的混凝土建筑物也不同程度地遭受了破壞，因此，有必要對這些病害進行分析和研究論證，探討可行、有效的處理措施和預控方案。混凝土的耐久性問題不是設計、施工和運行管理單位中任何一家的問題，而是大家面臨的共同問題。我們一定要高度重視，認真對待，各參建及運行管理單位要齊心協力，全方位、多渠道地聯合控制，確保混凝土質量，減少病害隱患及威脅，提高隧洞混凝土的使用期限。