大型水電站水工結構耐久性的設計與研究

戈莉瓊+艾京

摘 要：目前我國水工結構混凝主要是采用28d強度設計，沒有根據不同工況選擇不同的設計標準，同時也沒有對混凝土的原材料進行優選，導致水工結構耐久性較差。本文基于DuraCrete的混凝土壽命預測，從選取合適的原材料、優化設計指標合理的控制以及混凝土的用水量等方面探討了混凝土耐久性設計要點，致力于提高大型水電站水工結構耐久性。

關鍵詞：水工結構；耐久性；DuraCrete；混凝土

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.086

0 前言

水工結構工程是我國基礎建設工程中十分重要的一部分，所以在建設水利工程和它的使用周期中，水工結構必須具體安全、適用、耐久等特性。為了能夠有效地完成水利機構工程的耐久性的目標，在大型水電站水工結構的設計階段必須保證結構耐久性的設計能夠符合工程要求。

1 造成水工結構耐久性降低的因素

1.1 水工結構工程中存在裂縫

在水木結構工程建設中，在某些情況下由于結構混凝土體積過大，在初期進行硬化時會產生許多的水化熱，從而造成結構出現溫度應力，可能會降低混凝土的抗拉性能，從而可能引發 滲透、凍融等一系統問題。這些問題會大大降低大型水電站水利結構的耐久性。

1.2 水工結構工程遭遇凍融破壞

大型水電站水工結構工程中的凍融破壞主要是指在一些溫度處于零度以下的地區，混凝土在較為潮濕或者與水接觸較為頻繁的環境下，由于溫度不斷的正負變化，使得混凝土內部的水分凍結膨脹和溶解收縮，從而導致混凝土出現疲勞應力，進而使得混凝土遭遇凍融破壞，根據相關部門的調查研究表明，在我國至少有四分之一的水工結構遭遇著凍融破壞，這是一個相當高的比例，必須引起大家的高度關注。

1.3 水工結構工程中存在著碳化和鋼筋腐蝕的問題

在建設水工結·構工程的過程中，空氣中的二氧化碳和施工過程使用的碳酸都可以與水泥發生化學反應，從而使得水泥碳化，進一步使得混凝土表面產生裂縫。混凝土表面上的縫隙會讓更多的二氧化碳氣體進入結構內部，這樣不斷的循環，使混泥土內部發生變化，導致混凝土的保護層失去了效果，降低了鋼筋防腐能力，使得內部鋼筋生銹，降低了鋼筋的強度，從而導致整個水工結構工程的安全使用年限減少。

2 基于DuraCrete的混凝土壽命預測

DuraCrete主要是運用多個分項系數來反映混凝土的可靠指標，以性能表達式為它的計算模型，這種設計方法主要是依靠性能和可靠度為基礎的耐久性。計算主要分為兩個階段，第一階段是鋼筋銹蝕的初期階段，氯離子從混凝土的保護層進入到內部，使得鋼筋開始發生銹蝕，第二階段為鋼筋腐蝕的發展階段，鋼筋銹蝕發展導致裂縫達到一定的寬度。除了在水環境中，第二階段的腐蝕過程比較短，所以一般只考慮第一階段，即指在保護層深度處的混凝土中氯離子濃度C（x，t）達到鋼筋銹蝕的臨界濃度時作為極限狀態，根據Fick第二定律可以列出預測混凝土壽命的方程式如下：

如式子（1）所示，g是一個大于或等于0的值；表示的是氯離子臨界濃度設計值；表示保護層厚度設計值；表示混凝土對氯離子抗力的設計值；t表示時間值；

令g=0，即可解得與極限狀態相應的使用年限。

3 水電站水工結構耐久性的設計要點

根據上一章節對混凝土壽命的預測，可以知道水電站水工結構使用年限具有一定的限制，以下將從三個方面對水工結構耐久性設計進行探討：

3.1 選取合適的原材料

骨料是水工結構混凝土的主要原材料，因此骨料的好壞會對混凝土的耐久性產生直接的影響。比較好的混凝土骨料是灰巖骨料，這種骨料的有線脹系數比較低，不易開裂，一般的大型水電站水工結構工程往往需要選擇這類骨料。但是在我們實際的大型水電站水工工程的施工過程中，在選擇骨料時，往往會遵循就地取材的原則。在水電站水工工程中，需要使用大量的骨架，所以我們需要更加注意選取質量好的骨料加工儀器，優化骨料的粒子與匹配，從根本上提高混凝土的整體性能。同時在水電水工工程中，也需要選取優質的水泥，水泥的好壞也會影響到混泥土的強度和耐久性。

3.2 優化設計指標

在大型水電站水工結構混凝土的設計中，應該采用28d的強度設計，嚴格遵循混凝土的設計標準，考慮裂縫和耐久性之間的關系。采用28d齡期強度設計能夠有效的提高混凝土的負載量，但是對于需要承載較長時間的部分結構，如果一味的使用28d齡期強度設計，就需要使用更多的混凝土水泥，使得混凝土溫度上升的速度變快，所以在這種情況下，應該在水泥中多摻入一些粉煤灰等物質，適當的減少水泥的用量，合理的設計混凝土的強度，降低混凝土溫度上升的速度，減小混凝土出現裂縫的概率，提高混凝土的耐久性。在抗沖磨的水利施工中，一些工程還會采用100d以上齡期強度的設計標準，有能夠有效的控制混凝土水泥的用量，能夠提高混凝土耐久性和綜合性能。

3.3 合理的控制混凝土的用水量

混凝土的用水量對混凝土的性能有著重要的影響，它是混凝土技術的關鍵所在。選用合適的工藝對混凝土骨料進行加工，優化混凝土骨料粒子的大小，減少其針片顆粒的含量，可以有效的減少混凝土單位用水量。在某些工程中，由于地形的限制使得人工砂無法達到標準脫水的狀態，這也會對混凝土的質量產生不同程度的影響。

4 結束語

混凝土原材料的好壞會直接影響混凝土抗裂性和耐久性，所以施工前應該對原材料進行優選，使混凝土的原材料符合技術指標，應采用28d的強度設計，嚴格遵循混凝土的設計標準，同時還應該改善骨料粒形和級配，摻加優質粉煤灰和外加劑等措施降低混凝土的單位用水量，合理的控制混凝土的用水量，最大程度的減少大型水電站混凝土開裂的幾率。

參考文獻：

[1]李美丹.關于橋梁混凝土結構耐久性試驗研究[J].混凝土世界，2016（08）：92-95.

作者簡介：戈莉瓊（1977-），女，學士，高級工程師，主要從事水利水電建筑工程設計及管理工作。endprint