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、排沙洞已運行40余年，對混凝土裂縫、表層碳化、滲漏溶蝕、凍融凍脹、水質侵蝕、混凝土強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，并應密切關注壩前水沙動態變化趨勢，對沖磨空蝕破壞及時進行修補處理，以增強耐久性。

關鍵詞：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黃河干流上，是我國第一座裝機容量超過百萬千瓦的大型水電站，代表著我國20世紀六七十年代水電站的建設水平。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，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、水質侵蝕、混凝土強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行概略分析研究。盾構法因其具有施工時不阻斷交通、施工安全快速、對周圍環境影響小、有利于提高工程質量和保護地面環境等優勢，近年來越來越多被應用于城市隧道的修建，已成為地鐵建設的主流施工方法。而施工引起的地層變形問題也成為隧道設計和施工中的熱點問題。

因此，準確分析和計算盾構施工引起的地層變形及襯砌結構應力具有非常大的理論和實際意義。目前，對城市隧道盾構法施工引起的地層沉降的研究方法主要有：Peck公式、理論計算、相似材料模擬試驗、有限元模擬等。地鐵盾構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并總結出相應經驗公式，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，李鵬利用數值模擬研究了不同施工方案的地表沉降等。

本文根據石家莊地鐵1號線07標段北宋—談固站區間左右線盾構隧道先后施工的特點，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對地鐵盾構隧道左右線的開挖支護過程進行了仿真，并選取合理的參數實現對土體材料特性、結構幾何特征、載荷、邊界等的確定，得出了談固區間盾構雙線隧道施工引起的管片受力及地層沉降特點，并與現場地面監測數據進行了對比分析，以便對實際施工及地下管線的保護給予更好的指導。盾構施工數值計算結果分析圖5～8給出了左右線隧道不同推進距離時地層的豎向位移。

（1）盾構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°向地表擴散。隨著盾構機的不斷向前推進，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）左線隧道掘進時，深部地層的豎向位移呈偏向右側隧道的“W”型，距離隧道軸線越近，豎向位移越大，距離隧道軸線越遠，豎向位移越小，靠近地表時豎向位移呈偏向右側隧道的拋物線型。

（3）地層的最大沉降值發生在隧道拱頂，拱頂的豎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行40年，目前壩面和廊道內裂縫較多但多為表面淺層裂縫，不影響壩體的整體性和穩定性；下游面、廊道內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；下游面和廊道內滲水析鈣現象顯著，但混凝土尚未遭受嚴重損害；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混凝土無硫酸鹽等水質侵蝕現象；下游面約一半部位表層混凝土強度有所下降，而接近表面的內部混凝土強度滿足設計要求；四大泄水排沙建筑物運行前期沖磨空蝕破壞比較嚴重，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，反饋說明原設計施工和運行中采取的一系列措施基本達到預期目的。

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

參考文獻：

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[5]呂祖珩.劉家峽水電站泄水道2號孔磨蝕破壞的修復[J].西北水電，2001（3）：61-65.

作者簡介：

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

基金項目：滁州職業技術學院科研項目資助，2016年度安徽高校自然科學研究重點項目：“盾構隧道地層變形數值仿真分析及基于GNSS的監測系統研究”（項目編號：KJ2016A546）