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淯品仰
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1 混凝土耐久性的过程控制以大坝混凝土为例陈改新 ( 中国水利水电科学研究院, 流域水循环模拟与调控国家重点实验室 ) [ 摘要 ]: 要使结构中混凝土的耐久性达到预期目标, 必须对混凝土进行全过程的精细化控制, 包括耐久性设计, 施工期耐久性控制和运行期耐久性控制本文以大坝混凝土为例, 在总结和分析现行规范对耐久性的技术要求和大坝混凝土老化现象的基础上, 将大坝混凝土的老化模式分为外因主导驱动型和内因主导驱动型两种类型, 提出了耐久性过程控制的概念在设计和施工阶段对大坝混凝土耐久性实施严格控制, 从源头消除导致内因主导驱动型老化的诱发因素, 才是抑制大坝混凝土老化最根本和有效的对策 [ 关键词 ]: 混凝土, 大坝, 耐久性, 老化, 抗冻性, 溶蚀, 碱骨料反应 1 前言上世纪五十年代, 治淮工程 ( 梅山佛子岭混凝土大坝 ) 开工, 吴仲伟院士从国外引入了混凝土碱 - 骨料反应破坏和预防的概念 1962 年由中国水科院编制, 水电部颁发的水工混凝土试验规程率先列入了碱 - 活性骨料鉴定方法抗冻抗渗等耐久性试验方法 1965 年南京水科院开始进行海港码头混凝土破坏调查和钢筋锈蚀研究, 铁道科学院开始进行青藏线混凝土耐久性野外试验但直到 90 年代, 混凝土的耐久性问题才真正受到政府主管部门的高度重视 1993 年, 全国工程界和学术界关于三峡工程混凝土大坝的耐久性和工程安全运行年限的广泛讨论引起了中央和国家领导人的高度重视, 特别召开了关于三峡大坝混凝土耐久性的高层决策会议, 明确提出三峡大坝的设计思想要突出耐久性设计的概念 2000 年国务院颁布的第 279 号令建设工程质量管理条例促使各行业部委纷纷出台了针对行业特点的混凝土耐久性规范和技术规定自此, 我国在若干重大工程的建设中已经充分贯彻了混凝土耐久性设计理念, 并提升到了耐久性设计与强度设计并重, 强度服从耐久性的认识高度耐久性设计的理念得到迅速普及和广泛认可 [1] 国家科研主管部门在该领域的课题资助力度显著增大, 多因素耦合作用微结构与耐久性结构耐久性健康诊断和安全评价寿命预测合理使用年限全寿命周期设计演变和评价等新思想新概念不断涌现, 促进着混凝土耐久性概念在深度和广度两个方向的发展和进步, 与混凝土耐久性有关的研究和实践活动如火如荼, 积累了大量有应用值的科研成果但是具体到实际工程, 从室内配合比试验工程设计到混凝土施工, 如何作者简介 : 陈改新, 男,1966, 教授级高工, 北京复兴路甲 1 号, ,chengx@iwhr.com 基金项目 : 水利部公益性行业科研专项 ( ) 1

2 逐步转化科研成果, 真正做到使实际结构中混凝土的耐久性达到预期目标是一个复杂的系统过程, 有许多问题需要深入研究解决以大坝工程为例, 混凝土耐久性对原材料配合比拌合浇筑养护等中间过程影响因素的敏感性远高于强度性能, 只有做到精细化的全过程控制, 才能真正实现坝体混凝土的耐久 2 大坝混凝土的耐久性技术要求大坝一般地处偏远的山地峡谷中, 服役运行环境恶劣大坝混凝土表面一般无保护或装饰层, 直接与水大气和岩体接触大坝混凝土在长期承受各种静动荷载的同时, 还要遭受剧烈温度周期性变化冻融循环压力水溶蚀干湿循环等多种环境因素的联合作用水是配制混凝土的重要组分之一, 但同时也是服役期内促发混凝土劣化的主要介质和载体大坝混凝土长期与水接触, 或吸水饱和, 或承受水压力, 或遭受干湿循环, 决定了大坝混凝土更易于老化破坏鉴于大坝安全的极端重要性, 我国水工行业自建国初期兴建治淮工程时就对大坝混凝 [2,3] 土提出了明确的耐久性要求现行的混凝土重力坝和拱坝设计规范均要求大坝混凝土应根据不同部位和不同环境条件分区 ( 图 1 重力坝典型分区 ), 并规定大坝混凝土除应满足设计上对强度的要求外, 还应根据大坝的工作条件 ( 分区 ), 地区气候等具体情况, 分别满足抗渗抗冻抗冲耐磨和抗腐蚀等耐久性以及低热性的要求, 见表 1 根据大坝混凝土使用部位和承受的水力坡降规定了大坝混凝土抗渗等级的最小允许值 ; 根据大坝所在地域气候分区冻融循环次数混凝土表面局部小气候条件混凝土水分饱和程度结构构件的重要性和检修难易程度等因素规定了抗冻等级要求, 以及不同分区混凝土的最大水胶比限制图 1 坝体混凝土分区图 ( 图中 :Ⅰ 区上下游水位以上坝体外部表层混凝土 ;Ⅱ 区上下游水位变化区坝体外部表层混凝土 ; Ⅲ 区上下游最低水位以下坝体外部表层混凝土 ;Ⅳ 区坝体基础混凝土 ;Ⅴ 区坝体内部混凝土 ;Ⅵ 区抗冲刷部位的混凝土 ) 2

3 设计规范对混凝土耐久性的技术要求看似具体, 但即使满足了这些要求, 也不能想当然地认为坝体混凝土的耐久性就有保障, 可以高枕无忧因为,1 坝体混凝土是在现场生产和浇筑成型的, 其各项性能容易受到现场环境因素和人为因素的显著影响而发生变异, 偏离设计要求 ; 例如, 现行施工规范规定, 用机口取样成型混凝土试件的测试结果控制混凝土质量, 并作为验收的依据, 但该测试结果不能反映混凝土的运输浇筑和养护的全过程 ;2 现行规范采用的耐久性控制指标仅能证明在试验室特定单因素条件下混凝土的耐久性满足要求, 不能涵盖实际使用环境中混凝土可能遭受的多因素耦合作用 ;3 使用环境对混凝土的老化行为有显著影响, 相同气候分区中的局部小环境的差异会导致耐久性等级相同的混凝土的老化进程呈现出明显差别 ;4 现行规范采用的耐久性控制指标, 如抗冻等级和抗渗等级, 不包含混凝土在其使用环境中老化而发生物理性能演变和力学性能衰减规律和程度的信息, 不能定量确定大坝混凝土的健康状态和合理使用年限 ;5 使用功能和环境条件变化会改变环境作用因素和成度正是这些不确定性, 导致许多混凝土坝工程尽管按照相关规范设计和建设, 在投入运行后也发生了过早老化的现象表 1 大坝混凝土分区性能要求分区强度抗渗抗冻抗冲刷抗侵蚀低热最大水胶比选择分区的主要因素 Ⅰ 水上外部抗冻 Ⅱ 水变区外抗冻抗裂 Ⅲ 水下外抗渗抗裂 Ⅳ 基础抗裂 Ⅴ 内部低热 Ⅵ 抗冲磨抗冲磨注 : 表中有 ++ 的项目为选择各区混凝土等级的主要控制因素, 有 + 的项目为需要提出要求的, 有 - 的项目为不需提出要求的 3 大坝混凝土的老化现象和模式 3.1 大坝混凝土的老化现象老化和耐久是两个相对立的概念老化是自然界的不可逆过程, 任何耐久的材料也会随时间推移发生老化大坝混凝土的老化是指大坝混凝土在正常运行 ( 使用 ) 条件下受环境 ( 包括荷载 ) 因素作用, 性能和功能随时间逐渐衰减的过程大坝混凝土的老化在表观上表现为裂缝渗漏和剥蚀裂缝是大坝混凝土最普遍, 最常见的老化现象之一, 不发生裂缝的混凝土是极少数的, 而且裂缝往往是多种因素联合作用的结果, 其中因温度应力导致的裂缝占有很大比例不同类型裂缝对混凝土坝的危害程度不一, 严重的裂缝不仅危害大坝的整体性和稳定性, 而且还会产生大量的渗漏水, 使大坝的安全运行受到威胁混凝土坝的主要任务是挡水, 作用水头高, 承受的水压力大而水又无孔不入, 特别 3

4 是压力水因此, 渗漏在混凝土大坝工程中也极为常见渗漏除了会引发混凝土溶蚀加速环境水侵蚀冻融及钢筋锈蚀等病害外, 还会在坝体内部产生较大的扬压力, 甚至危及混凝土坝的稳定性剥蚀是从外观破坏形态着眼对大坝表面区混凝土发生麻面露石起皮松软和剥落等老化现象的统称其原因是由于环境因素 ( 包括水气温度及可溶和不溶介质 ) 与表层混凝土中的水泥水化产物砂石骨料钢筋等组分之间产生一系列机械的物理的化学的复杂作用而形成大于混凝土的抵抗能力 ( 强度 ) 的破坏应力所致根据不同的破坏机理可将剥蚀分为冻融剥蚀冲磨和空蚀水质侵蚀碱骨料反应钢筋锈蚀等 1985 年 ~1987 年原水利电力部组织中国水利水电科学研究院等 9 个单位, 对全国已建的 32 座大坝和 40 余座水闸进行的调查总结表明 [4], 我国混凝土坝 ( 闸 ) 的耐久性状态总体欠佳, 大部分混凝土坝或闸, 在运行 20~30 年后, 甚至更短时间, 就出现明显的耐久性不良混凝土劣化现象, 如裂缝渗漏冻融冲磨空蚀水质侵蚀钢筋锈蚀等, 甚至影响到工程安全运行调查总结认为, 产生以上耐久性不良而造成过早老化的原因主要有, 1 混凝土设计指标偏低 ;2 一些工程施工质量欠佳, 达不到设计要求 ;3 管理水平不高该次调查中没有发现由于碱 - 活性骨料反应引起工程破坏的实例分析原因主要在于, 我国对大坝混凝土的碱 - 活性骨料反应问题重视较早, 对每个大坝工程, 从地质勘探料场选择时就要求进行骨料碱活性检验, 尽量避免采用碱活性骨料 ; 同时大坝工程属大体积混凝土, 如何降低混凝土的发热量, 尽量避免或减少由于温度应力而产生混凝土裂缝, 一直是大坝混凝土最重要的研究课题之一 ; 为此, 从五十年代开始, 在大坝混凝土工程中就采取了掺活性掺合料, 如粉煤灰, 等技术措施粉煤灰在大坝混凝土中的广泛使用, 也对我国大坝混凝土预防碱 - 骨料反应破坏起到了良好作用但是, 毕竟我国修建了众多混凝土高坝, 其中一些工程采用的天然骨料中, 就含有一定的活性骨料, 而早期的化学法和砂浆棒法在检验骨料碱活性上又存在着一定的局限性, 不能安全识别潜伏期 20 年以上的慢反应型碱活性骨料 1998 年在对华北地区某混凝土大坝溢流面的检测和评估中发现了混凝土的碱 - 骨料反应, 并认定大坝溢流面混凝土的大面积剥蚀破坏是由碱 - 骨料反应冻融冻胀等因素联合作用的结果 3.2 大坝混凝土的老化模式和薄壁混凝土结构相比, 混凝土大坝的体积和断面尺寸庞大, 外部环境因素作用的影响仅限于大坝混凝土表层因此, 根据环境作用影响的尺度与大坝的断面尺寸对比关系, 可以将环境作用引起的大坝混凝土老化模式分为外因主导驱动型和内因主导驱动型外因主导驱动型老化是从大坝表面混凝土开始, 由表及里随时间逐渐发展, 作用范围限于大坝混凝土表层, 如温度周期性变化作用冻融循环作用干湿循环作用和水质侵蚀等, 其造成的老化破坏相当于混凝土坝的皮肤病, 除非作用于薄拱坝, 一般不会对混凝土大坝造成伤筋动骨的损害丰满大坝上下游面和坝顶混凝土的冻融破坏即是典型的外因主导驱动型老化丰满混凝土重力坝始建于 1937 年, 1953 年大坝全部建成大坝 4

5 位于吉林市东南部, 属严寒地区, 历史最高气温 39.3, 最低气温 -34.3, 多年平均气温 5.3, 多年最冷月平均气温大坝上游面为向阳面, 下游面为背阳面,1985 年至 1986 年实测上游坝面正负温循环次数 132 次, 下游面 21 次, 坝顶百叶箱内为 44 次, 混凝土冻深约为 4m, 温度和冻融循环作用强烈 1950 年大坝上游面 246 以上冻融破坏面积为 460 m2 ;1963 年上游面 238 以上冻融破坏面积达 8838 m2, 下游面破坏面积 6600 m2 ; 1986 年大坝下游面冻融破坏面积增至 m2 大坝坝顶三面临空受冻, 冻深最大达 7m, 根据坝顶竖向变位观测资料, 每年冬季坝顶升高, 次年春后下降, 但总有残留变形不能恢复, 坝顶混凝土受到的冻融损伤相当严重 [5] 内因主导驱动型老化, 作用于大坝的整个坝体, 会使大坝混凝土的整体性能发生衰减, 对混凝土大坝造成伤筋动骨的损害常见的内因主导驱动型老化包括压力水渗漏 ( 透 ) 溶蚀和混凝土的有害膨胀压力水通过混凝土毛细孔的渗透及通过裂缝和欠振混凝土空隙渗漏会溶解并带走混凝土中水泥水化产物 Ca(OH)2 和 C-S-H 凝胶中的 CaO, 俗称钙流失, 造成混凝土孔隙率增大水泥石结构疏松以及混凝土强度降低如果库水是软水酸性水或含硫酸根离子水, 则溶蚀或 / 和腐蚀速度会加快, 程度更严重我国早期修建的混凝土坝, 由于当时混凝土水胶比大且混凝土施工水平不高, 投入运行后都存在不同程度的渗漏溶蚀, 如丰满佛子岭新安江响洪甸磨子潭梅山古田溪一 ~ 三级陈村云峰罗湾安砂等大坝 [6] 混凝土的有害膨胀是指大坝混凝土骨料中含有的不稳定矿物和混凝土中的其他物质发生化学反应形成持续的异常膨胀大坝混凝土具备饱水或干湿循环条件, 有害膨胀一旦发生, 很难制止, 因此混凝土的有害膨胀被视为大坝混凝土的癌症已发现的有害膨胀有碱 - 骨料反应膨胀和内含性硫酸盐膨胀, 其中绝大多数为碱 - 骨料反应膨胀据不完全统计, 全世界范围内约有超过 100 座混凝土坝发生了严重的碱 - 骨料反应, 其中美国 (26 座 ) 加拿大(23 座 ) 南非(12 座 ) 是发现最多的 3 个国家美国 99.1m 高的 Parker 拱坝 1938 年建成,1939 年即发现有碱 - 骨料反应 (ASR),3 年以后大坝表面发生裂缝, 混凝土抗压强度由 32MPa 降至 24.2MPa, 弹模由 26.4GPa 降至 15.3GPa, 是发生碱 - 骨料反应最快的大坝 ; 英国 35m 高的 Meantwrog 重力拱坝使用硬砂岩 (graywacke) 骨料,1926 年建成, 1986 年发现碱 - 骨料反应 (ASR), 是碱 - 骨料反应潜伏期最长的大坝 [7] 碱- 骨料反应现象在广义上可以理解为岩石在碱性体系中的不稳定行为, 反应机理复杂, 潜伏期长, 一旦发生, 无法治愈, 难于处理因此, 世界各国都采取了预防为主, 从严控制的策略在大坝混凝土的两种老化模式中, 外因主导驱动型老化是必然要发生的自然过程, 而内因主导驱动型老化不是一定要发生的过程内因主导驱动型老化对大坝混凝土的损坏是整体性的和致命的, 还会促进外因驱动型老化的发生发展, 加速大坝混凝土老化进程因此, 消除导致内因主导驱动型老化的诱发因素, 杜绝内因主导驱动型老化出现, 是抑制大坝混凝土老化, 保持大坝混凝土的长期耐久性和大坝运行安全的关键 4 大坝混凝土耐久性的全过程控制混凝土坝是在野外工地用混凝土浇筑而成的特大型结构, 混凝土坝的使用寿命虽然受 5

6 到大坝细部构造的影响, 但在更大程度上取决于大坝混凝土在使用环境中的耐久性混凝土是在现场生产和浇筑成型的, 其耐久性最容易受到原材料因素现场环境因素和人为因素的显著影响而发生变异按照现行施工规范, 用机口混凝土的测试结果控制质量, 并作为验收的依据, 不一定能保证坝体混凝土真正达到预期的耐久性要求在大坝投入运行后, 实际服役环境中多因素的耦合作用和环境条件变化也可能使大坝混凝土的老化进程偏离预期可以说, 各种因素会在大坝全寿命周期内的不同时点或时段出现并作用于混凝土, 影响大坝混凝土耐久性, 改变大坝混凝土的老化进程因此, 要抑制大坝混凝土的老化, 必须对大坝混凝土的耐久性进行全过程精细化控制, 包括大坝混凝土耐久性设计施工期的耐久性控制和运行期的耐久性控制 4.1 大坝混凝土耐久性设计大坝混凝土耐久性设计包括以下主要环节 : 确定混凝土大坝的合理使用年限 ; 根据大坝构造和环境作用等级确定大坝各分区混凝土的耐久性技术要求, 对于严酷环境还要考虑优化细部构造和增设辅助性防护措施 ; 进行大坝混凝土料源调研和配合比试验, 提出满足要求的大坝混凝土配合比参数和性能测试结果 ; 进行大坝混凝土防裂设计, 防止发生裂缝而使混凝土的耐久性受到损害其中, 最重要的环节是优选大坝混凝土骨料料源, 在源头消除潜在危害性骨料可能引发的内因主导驱动型老化隐患大坝混凝土的骨料含量占到大坝混凝土总体积的 70% 以上, 是最主要的原材料, 对大坝混凝土的力学性能和耐久性有着决定性影响坚固密实无潜在危害性反应活性的骨料是配制高耐久性和体积稳定性大坝混凝土的前提条件修建一座混凝土坝需要的骨料方量巨大, 近坝址选择骨料料源是大坝设计和施工的原则, 但区域地质构造易采性储量等使得修建高混凝土坝的骨料料源选择面临挑战雅砻江锦屏 I 级高拱坝 (305m 高 ) 在可行性设计阶段重点勘探规划的 2 个骨料料场三滩右岸大理岩料场和大奔流沟砂岩料场遇到的难题在目前大坝建设中具有典型代表性三滩右岸大理岩骨料母岩饱和抗压强度 60MPa 左右, 强度偏低, 压碎指标超过相关规范要求用大奔流沟砂岩加工的人工骨料各项指标均能满足相关规范要求, 但碱活性检验显示其具有潜在的碱 - 硅酸反应活性通过系统深入的骨料碱活性及抑制措施研究, 最终确定采用大奔流沟砂岩作为锦屏 I 级大坝骨料料源, 但规定大坝混凝土的总碱量 ( 四级配 ) 不超过 1.5kg/m 3, 粉煤灰掺量应大于 30% [8] 对于软水碳酸水和硫酸盐侵蚀环境, 除了优选混凝土胶凝材料体系优化配合比参数外, 增设辅助性的防护隔离措施是非常必要的对于寒冷地区的混凝土坝, 在设计阶段就要注意优化防渗排水设计, 防止天然降水坝体渗漏和绕坝渗漏水积存, 使原定不具有饱水条件的混凝土遭受冻融破坏 4.2 施工期的耐久性控制施工期大坝混凝土的耐久性控制包括以下主要环节 : 原材料质量和均匀性, 混凝土生产浇筑防裂混凝土养护和施工缺陷处理其中, 加强对混凝土生产浇筑和养护环节, 特别是振捣和防裂措施的监督和控制, 是实现坝体混凝土耐久性的关键 6

7 现行水工混凝土施工规范对上述各主要环节均有条文规定, 其中对原材料质量和均匀性控制混凝土生产混凝土养护和施工缺陷处理等环节的技术要求, 比较容易落实检查和控制而混凝土浇筑的质量, 特别是振捣质量, 最容易受到现场环境和人为因素的影响而发生偏离和变异, 而且不易检查和控制图 2, 图 3 分别是试验室模拟的高频振捣时间对混凝土抗冻性能影响的试验结果, 混凝土水胶比 , 粉煤灰掺量 30%, 坍落度 3 cm~5cm, 含气量 4.5%~5.5% 可以看出, 高频振捣对较大水胶比混凝土的抗冻性有显著影响当水胶比为 0.40 时, 高频振捣 90s 的混凝土仍满足 F300; 当水胶比为 0.45 时, 高频振捣 45s 以下的混凝土能满足 F300, 但 300 次冻融循环后的相对弹性模量随高频振捣时间延长而降低 ( 图 3); 当水胶比为 0.55 时, 高频振捣会引起混凝土抗冻等级的迅速降低, 振捣时间超过 60s, 混凝土基本丧失抗冻能力其原因是因为高频振捣会引起混 [9] 凝土含气量的下降和气泡间距系数的增加, 从而引起混凝土抗冻性能下降抗冻等级 (F) 高频振捣时间 (s) 相对动弹模 (%) 冻融循环次数质量损失率 (%) 图 2 高频振捣对混凝土抗冻性的影响图 3 高频振捣对混凝土抗冻性的影响 ( 水胶比 0.45) 表 2 是室内渗透溶蚀试验得出的混凝土渗透系数随渗透时间变化的试验结果试验采用的混凝土水胶比为 0.64, 火山灰掺量 30%,90 天龄期后开始渗透溶蚀试验初始水压力 0.5MPa, 第 31 天后出现渗透水, 持续加压 335 天, 最大水压力增至 3.5MPa, 混凝土累计渗水量 90.7L, 渗水流量由最初的 1.22L/d 降至 0.24L/d, 相应的渗透系数由初期的 m/s 降至 m/s 该试验结果表明, 即使水胶比为 0.64 火山灰掺量 30% 的混凝土在渗透溶蚀过程中也表现出较强的自愈特性, 说明振捣密实养护充分的大坝混凝土具有很高的抗渗透溶蚀能力 [10] 工程调查结果也表明, 实际运行中混凝土坝的渗漏基本上是都是通过裂缝不密实混凝土 ( 欠振漏振 ) 施工缝和伸缩缝的渗漏 [6], 通过混凝土毛细孔的渗透溶蚀很少发生表 2 渗透溶蚀混凝土的渗透系数试验结果水压力 (MPa) 渗水时段 (d) 31.2~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 渗透系数 (10-10 m/s)

8 过分振捣会导致混凝土分层和含气量损失, 造成混凝土不均匀和抗冻性下降 ; 欠振和漏振会在混凝土中留下连通空隙, 成为有压水的渗漏通道, 降低坝体的水密性当前, 随着我国大坝混凝土的施工水平的提高, 对原材料, 混凝土生产, 运输入仓, 防裂措施混凝土养护和施工缺陷处理的监督控制措施已经成熟, 而对振捣质量则仍然缺少可靠且行之有效的监控手段现行水工混凝土施工规范对混凝土振捣时间的规定为振捣时间以混凝土粗骨料不再显著下沉并开始泛浆为准, 应避免欠振或过振, 其可操作性值得商榷建议每个工程根据混凝土配合比的和易性和采用的振捣器具功率通过现场试验确定合理的允许振捣时间范围, 并在混凝土浇筑过程中严格执行设计提出的混凝土耐久性技术要求是否能真正在坝体上实现, 施工过程的精细化控制是关键混凝土浇筑质量, 特别是振捣质量和防裂措施的监控是关键环节 4.3 运行期的耐久性控制运行期大坝混凝土的耐久性控制贯穿从大坝投入运行到退役的全寿命过程, 其主要内容包括 : 根据耐久性设计的技术要求实际施工质量 ( 耐久性 ) 及实际环境作用因素等的相互符合性和差异, 确定运行期需要重点监控的典型代表性部位, 制定日常检查计划, 定期巡视检查, 收集分析监测数据, 诊断健康状态, 识别大坝混凝土在服役环境因素作用下的老化迹象, 预测老化的发展进程, 评估其危害性, 并及时采取科学合理有效的处理措施减缓和抑制大坝混凝土老化就我国当前混凝土大坝的设计和施工水平而言, 一方面, 设计预期的大坝服役环境不一定能完全符合运行期的实际暴露环境, 工程调查发现许多按原定设计运行工况不具备饱水条件的混凝土结构或部位在实际运行中由于运行条件改变, 或被天然降水渗漏水饱和而遭受严重冻融破坏, 如大坝的下游面溢流面反弧段等 ; 另一方面, 施工往往不能实现坝体混凝土无质量缺陷及耐久性完全符合设计要求因此, 在大坝投入运行初期, 对大坝混凝土的耐久性进行后评估, 确定最可能率先发生老化的结构部位, 作为典型的代表性部位重点监控是非常必要的鉴于大坝安全的极端重要性, 国家和水利部门对大坝的安全管理和保养维护等都制定有系统完善的法规条例和技术标准, 如水库大坝安全管理条例 ( 国务院第 77 号令, 1991) 水库大坝安全鉴定办法 ( 水建管 [2003]271 号 ) 水库大坝安全评价导则 (SL ) 混凝土大坝安全监测技术规范 (DL/T ,SDJ336-89) 混凝土坝养护修理规程 (SL230-98) 等, 但这些条例和标准没有突出运行期对大坝混凝土耐久性监测的要求大坝混凝土老化是一个缓慢发生发展的过程, 在大多数情况下, 当目测检查发现时, 混凝土的老化损伤已经发展到比较严重的程度如丰满大坝 1986 年 8 月开闸泄水时 13# 12# 坝段溢流面混凝土被冲毁, 冲坑宽 22 m, 高 19 m, 深 2.0~3.0 m, 冲坑面积 1091 m2, 冲走混凝土 1917 m 3 加固处理时检查发现, 溢流面表层以下的混凝土已经发生了严重的冻融破坏因此, 建议将运行期大坝混凝土的耐久性监测纳入混凝土坝监控和定期检查内容欧洲已经开发出用于监测混凝土耐久性状态的内埋式传感器, 开始在一些重要工程上使用 [11] 8

9 5 补救对策和措施大坝老化的本质是在服役环境中受到各种因素的作用, 混凝土内部空隙率增大, 内部结构逐渐疏松, 力学性能降低宏观上表现为大坝混凝土裂缝渗漏和剥蚀, 以及坝体异常变形 1999 年水利部颁布实施的混凝土坝养护修理规程 (SL230-98) 按总则检查养护裂缝修补渗漏处理剥蚀修补及处理水下修补等 7 个章节对运行期混凝土坝的检查保养和维护处理做出了具体规定在大坝运行期, 一旦发现大坝有老化迹象, 就应及时展开调查, 经过成因分析和危害性评估, 做出处理对策和方案设计, 选择合适的时机, 进行修补处理, 减缓和抑制大坝混凝土的老化进程对于外因主导驱动型老化, 成因清晰, 往往比较容易制定补救对策和处理措施但在许多情况下, 大坝的老化属于内因主导驱动而导致的多症并发, 需要采取综合性的补救对策和处理措施由于混凝土坝体积庞大, 影响因素复杂, 水库不具备放空条件, 大大增加了处理的技术难度, 不仅耗时费力, 还要投入巨资因此, 从混凝土坝的设计和施工阶段就严格大坝混凝土的耐久性控制, 消除导致内因主导驱动型老化的内在因素, 才是抑制大坝混凝土老化最根本和有效的对策西方发达国家的大坝建设比我国早 50 年左右, 其于上世纪初建造的混凝土坝大多数进入老化期, 开始了全面修复处理, 开发了许多行之有效的修复工艺和技术, 其中有两项技术值得我们学习和借鉴第一项是混凝土坝上游面铺设土工膜整体防渗技术, 第二项是遭受碱 - 骨料反应混凝土坝的治理技术混凝土坝土工膜防渗技术由瑞士 CARPI 公司开发, 并申请专利该技术已在全世界 67 个混凝土坝的上游面防渗工程中应用, 其中 37 个坝为老坝防渗处理,32 个坝为新建碾压混凝土坝防渗最早使用土工膜防渗技术的大坝已运行 45 年, 防渗效果良好美国 Lost Creek 坝是水下安装 CARPI 土工膜防渗系统的第一个工程 Lost Creek 为混凝土拱坝, 位于北加利福尼亚州,1924 年竣工到 1985 年, 检查发现大坝下游侧由于渗水和冻融作用导致混凝土剥落厚度达到 30cm 1985 年到 1994 年, 通过检测分析确定了大坝混凝土的健康和强度状况, 以及大坝的稳定性, 表明大坝在现有运行和地震条件下结构稳定为了抑制大坝的进一步老化, 通过三种方案比选, 最终确定采用 CARPI 土工膜防渗系统 1998 年, 当库水位到达溢洪道堰顶高程时, 渗漏量稳定在 0.063L/s [12] 2002 年测得的渗流量为 0.038L/s, 大坝下游面干燥, 未发现渗漏水, 有效抑制了下游面混凝土的冻融破坏碱 - 骨料反应对混凝土坝的危害是致命的, 全世界范围内约有超过 100 座混凝土坝发生了严重的碱 - 骨料反应从目前对碱 - 骨料反应大坝的评估和处理对策来看, 初期膨胀不会明显降低大坝的强度和承载力, 但会导致大坝发生大的裂缝和变形, 危害坝身泄洪闸门和坝后厂房的正常运行有效释放膨胀变形的方法就是在坝体上切缝切缝使用的是一种专用的绳锯美国的 Fontana 坝, 加拿大的 Mactaquac 水电站法国的 Chambon 坝是采用切缝治理混凝土坝碱 - 骨料反应危害的典型代表工程切缝不能制止碱 - 骨料反应的发生, 仅能消除或减小因膨胀积存在大坝内部的异常应力因此, 对于残余膨胀比较大的混凝土坝, 9

10 随着膨胀的持续发展, 需要多次切缝释放应力 [7] 6 结束语大坝混凝土的老化模式可分为外因主导驱动型和内因主导驱动型两种类型内因主导驱动型老化对大坝混凝土的损坏是整体性的和致命的, 还会促进外因驱动型老化的发生发展, 加速大坝混凝土的老化进程消除导致内因主导驱动型老化的诱发因素, 杜绝内因主导驱动型老化出现, 是抑制大坝混凝土的老化, 保持大坝混凝土的长期耐久性和大坝运行安全的关键要抑制大坝混凝土的老化, 必须对大坝混凝土的耐久性进行全过程精细化控制, 包括混凝土的耐久性设计施工过程控制和运行过程控制在设计和施工阶段对大坝混凝土耐久性实施严格控制, 从源头消除导致内因主导驱动型老化的诱发因素, 才是抑制大坝混凝土老化最根本和有效的对策 [ 参考文献 ]: [1] 陈改新, 混凝土耐久性的研究应用和发展趋势, 中国水利水电科学研究院学报, Vol.7,No.2,2009 [2] SL 混凝土拱坝设计规范 [3] SL 混凝土重力坝设计规范 [4] 李金玉曹建国, 水工混凝土耐久性的研究和应用, 北京 : 中国电力出版社, 2004 [5] 中国水利水电科学研究院中国大坝委员会, 丰满大坝长期安全性评价专项评价报告,2006 [6] 邢林生聂广明, 混凝土坝坝体溶蚀病害及治理, 水力发电,2003 年第 11 期 [7] Robin Charlwood. CHEMICAL EXPANSION OF CONCRETE IN DAMS & HYDRO-ELECTRIC PROJECTS,SPECIAL WORKSHOP,October 18 & 19, 2007,Granada, Spain. [8] 中国水利水电科学研究院, 锦屏 I 级水电站大奔流沟砂岩碱活性及其抑制措施试验报告, [9] 陈改新, 大坝混凝土材料的研究进展, 大坝混凝土材料与温度控制研究与进展 ( 大坝混凝土材料与温控研讨会论文集 ),p13-23, 中国水利水电出版社,2009 年 11 月 [10] 孔祥芝纪国晋等, 水工混凝土渗透溶蚀试验研究, 中国水利水电科学研究院学报, Vol.10, No.1,2012 [11] T.F.Mayer, P.Schieß, Life cycle management of concrete structures, Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting, Alexander et al, 2009 Taylor & Francis Group, London, ISBN [12] Steve Onken, Richard C.Harlan, The underwater installation of a drained geomembrane system on Lost Creek dam, The Canadian Dam Association,

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Ⅰ Ⅱ1 2 Ⅲ Ⅳ 1 1 2 3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 ~ 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 ~ 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 ~ 46 47 ~ ~ 48 49 50 51 52 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63