西藏水利工程劣化現(xiàn)狀及防護措施研究進展

汪在芹，梁　慧，李　珍，肖長偉

西藏水利工程劣化現(xiàn)狀及防護措施研究進展

汪在芹1，3，梁慧1，2，3，李珍1，3，肖長偉4

（1.長江水利委員會長江科學院，湖北武漢 430010；2.河海大學水利水電學院，江蘇南京 201198；3.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430010；
4.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設計研究院，西藏拉薩850000）

西藏地區(qū)地理位置獨特，水文地質(zhì)氣候條件復雜，自然環(huán)境惡劣，造成該區(qū)域內(nèi)水利工程施工和運行條件惡劣，且西部水利工程一般規(guī)模大、泄洪建筑物受高速含砂石沖刷嚴重。鑒于西藏水利工程劣化防護措施缺乏，相關(guān)劣化防護規(guī)程規(guī)范和技術(shù)標準研究滯后，可供借鑒的經(jīng)驗較少，結(jié)合西藏地區(qū)水利工程劣化現(xiàn)狀調(diào)查報告，對多種劣化形式的演變過程和機理進行分析，并詳細介紹了當前劣化防護的新材料、新技術(shù)、新工藝及其研究進展，提出了適用于西藏地區(qū)水工建筑物防護的幾種方案措施，及相關(guān)防護材料的性能需求及進一步的研究方向。

水利工程；劣化；防護；西藏地區(qū)

1　研究背景

西藏地區(qū)地理位置獨特，地質(zhì)氣候復雜，自然環(huán)境惡劣。與其他地區(qū)相比，西藏地區(qū)的主要特點是嚴寒干燥、紫外線輻射強烈、日溫差大、大風頻繁、深覆蓋層凍土［1］，且西部地區(qū)水利工程一般規(guī)模大、泄洪建筑物受高速含砂石沖刷嚴重。由于西藏地區(qū)水利水電工程劣化防護措施缺乏，劣化防護技術(shù)標準和規(guī)程規(guī)范的相關(guān)研究滯后，可供借鑒的經(jīng)驗較少，造成西藏地區(qū)水工混凝土耐久性問題日益突出。作為一種廣泛應用的結(jié)構(gòu)形式，混凝土耐久性不足必將對水利工程安全和社會經(jīng)濟造成極大危害，因而，研究如何提高水工混凝土耐久性刻不容緩，且成為國內(nèi)外學術(shù)界、工程界研究熱點之一［2］。

2　西藏地區(qū)水利工程劣化現(xiàn)狀

從長江科學院與西藏水利水電規(guī)劃勘測設計研究院聯(lián)合調(diào)查結(jié)果看，西藏水利工程常見的破壞因素有裂縫、凍融、碳化與鋼筋銹蝕、堿骨料反應、化學腐蝕、鹽類侵蝕、滲漏溶蝕等。在這些破壞因素的耦合作用下，混凝土和金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命大為縮短，進而威脅到水工結(jié)構(gòu)的安全。

2.1凍融破壞

混凝土的凍融破壞是混凝土耐久性劣化典型表現(xiàn)之一。引起混凝土凍融剝蝕的主要原因是混凝土微孔隙中的水在溫度正負交互作用下，形成冰脹壓力和滲透壓力聯(lián)合作用的疲勞應力，從而使混凝土產(chǎn)生由表及里的剝蝕破壞，并導致混凝土結(jié)構(gòu)強度降低，影響建筑物的安全［3］?；炷羶鋈谘h(huán)產(chǎn)生的破壞作用主要表現(xiàn)為凍脹開裂和表面剝蝕。一般水工混凝土的凍融破壞，在其表面都可看到裂縫和剝落［4-5］?；炷两ㄖ锼幍沫h(huán)境凡有正負溫交替變化且混凝土內(nèi)部飽水時，混凝土都會產(chǎn)生凍融作用導致的破壞，特別在泄洪洞、尾水出口等部位，受到凍融破壞及高速水流沖刷的雙重作用，結(jié)構(gòu)表面混凝土剝蝕脫落嚴重。頻繁的凍融變化對水工建筑物施工期及建成運行管理期管理均造成很大影響。

2.2沖刷磨損

西藏地區(qū)氣候干燥、濕度非常低，易造成混凝土的失水收縮，形成表面裂縫。同時，日溫差大造成混凝土表面熱脹冷縮，由于混凝土導熱系數(shù)相對較小，受內(nèi)部混凝土的約束，表面易形成微細裂縫。并且高寒地區(qū)幾天有的甚至一天就形成一次凍融循環(huán)，表面混凝土經(jīng)過多次反復的凍融循環(huán)后，出現(xiàn)脹裂癥狀，混凝土性能開始劣化。與此同時，若收到水流作用，極易剝離、脫落。如此反復發(fā)生，由表及里，最終導致混凝土的破壞。

2.3滲漏溶蝕

滲漏溶蝕現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西藏地區(qū)水利工程混凝土的溶蝕情況比較嚴重。大量的滲漏水，不但會使水利效益受到影響，更重要的是將會對水工混凝土建筑物本身產(chǎn)生破壞，甚至影響建筑物的穩(wěn)定和安全。

2.4碳化

混凝土碳化使混凝土的pH值降低，導致混凝土中的鋼筋脫鈍，引起鋼筋的銹蝕?；炷撂蓟蟮目捉Y(jié)構(gòu)改變，影響混凝土與侵蝕離子的化學結(jié)合能力，從而影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。混凝土碳化是一般大氣環(huán)境下混凝土中鋼筋脫鈍銹蝕的前提條件。調(diào)研中各電站都存在不同程度的碳化現(xiàn)象，存在凍融破壞的部位碳化現(xiàn)象更為嚴重，低海拔地區(qū)如林芝地區(qū)的水電站碳化現(xiàn)象不明顯。

2.5金屬銹蝕

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，日喀則地區(qū)某水庫有多處鋼筋出露（見圖1），鋼筋出露最大長度達10 cm，鋼筋直接暴露在空氣中，銹蝕較嚴重。形成鋼筋出露的主要原因是混凝土保護層厚度不夠，加之西藏地區(qū)強烈的溫差加劇了鋼筋與混凝土變形的不協(xié)調(diào)性，反復作用致使表面混凝土保護層脫落，鋼筋直接與空氣接觸，加劇鋼筋銹蝕。

圖1　日喀則地區(qū)某水庫鋼筋銹蝕

2.6小結(jié)

（1）混凝土材料在各種不利條件作用下發(fā)生破壞，實質(zhì)上是由內(nèi)外因素所決定的與時間有關(guān)的材料本身逐步劣化積累所導致的。西藏地區(qū)獨特的水文地質(zhì)、氣候環(huán)境對水工建筑物材料影響較大。

（2）主要的劣化形式為混凝土的凍融破壞，尤其在溢流面與水位變化區(qū)。

（3）凍融破壞會加速其他破壞因素的作用，加快劣化進程，如沖刷、溶蝕及碳化過程等。

（4）混凝土的劣化現(xiàn)象大多不是單因素作用的結(jié)果，而是由多重因素耦合作用所致。

3　劣化防護措施研究進展

混凝土的破壞原因不僅取決于外部環(huán)境的作用，而且還取決于混凝土本身的性能及其外部的保護措施。要提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，進行腐蝕防護，有改善鋼筋混凝土的自身結(jié)構(gòu)和對混凝土進行表面防護兩類不同的方法。

3.1完善筑壩材料及筑壩技術(shù)

為了降低混凝土的凍結(jié)破壞，提高混凝土的抗凍性，降低混凝土中毛細管孔隙率，減少混凝土用水量，降低水灰（膠）比，采用高效減水劑和固體減水劑（如I級粉煤灰）都是有效的措施。長江科學院近年來相關(guān)研究成果如下：

（1）摻入外加劑。影響混凝土抗凍性的最主要的因素不是強度，而是硬化混凝土的氣泡參數(shù)。氣泡間距系數(shù)約為0.025 cm時，可有效地提高混凝土的抗凍性［6］。對于長期處于潮濕和嚴寒環(huán)境中的水工建筑物，為了確?；炷劣辛己玫目箖鋈谀途眯?，在混凝土中摻入適量的引氣劑，通過引入的小氣泡切斷毛細管的通路，降低毛細管作用，從而提高混凝土的抗凍性。此外，混凝土外摻膨脹劑MgO后，其彈性模量與未摻時基本相當，極限拉伸值和干縮率有小幅降低，自生體積變形從收縮轉(zhuǎn)為微膨脹［7-8］。由此可知，外摻MgO在一定程度上可改善水工混凝土的變形特性，提高其抗裂能力。

（2）摻入纖維。水工混凝土摻入改性聚乙烯醇纖維或聚丙烯纖維，可有效抑制裂縫的產(chǎn)生和擴展，從而提高混凝土抵抗塑性開裂的能力［9］。單摻玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維、高性能異性塑鋼纖維均能明顯抑制抗沖磨混凝土的自生體積收縮［10］。摻鋼纖維有利于提高混凝土的初裂強度、抗折強度、等效抗折強度，大幅提高其承載能力變化系數(shù)和彎曲韌度值，使其具備更好的延性和抵裂性［11-12］。

（3）加入摻合料。研究粉煤灰對復合膠凝材料硬化漿體微結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻入后，硬化漿體的早期微觀結(jié)構(gòu)較疏松，養(yǎng)護期間產(chǎn)生大量低Ca/Si的C-S-H凝膠，促使復合膠凝材料硬化漿體變致密［13-14］。摻粉煤灰和磷渣后，混凝土彈性模量略有降低，都能在一定程度上改善混凝土的后期抗?jié)B和抗凍性能［15］。兩者對比，摻磷渣碾壓混凝土的早期抗裂能力較低，但后期抗裂能力明顯比摻粉煤灰碾壓混凝土高［16-17］。

（4）在施工工藝方面，需要注意對于要求具有較高抗凍融性的上下游外露引氣混凝土，應嚴格控制振搗時間，尤其不能采用高頻機械振搗；嚴格控制混凝土入模溫度；混凝土拆模前后均應采取可靠的保溫措施；混凝土拆模時間宜遲不宜早；不宜采用灑水養(yǎng)護；抗裂鋼筋直徑宜細，間距宜小。

3.2采用表面涂層防護技術(shù)

長江水利委員會長江科學院、中國水利水電科學研究院和南京水利科學研究院針對不同區(qū)域影響水工混凝土耐久性的水文地質(zhì)氣候影響因素，聯(lián)合研制開發(fā)了一系列防滲抗裂、抗沖磨、抗老化和金屬侵蝕防護性能的有機防護涂層材料［22-28］。

（1）CW820系列聚天冬氨酸酯聚脲/納米SiO2混凝土表面抗沖耐磨防護材料。采用與混凝土粘接良好的環(huán)氧膠泥作為底層材料，界面劑作為中層材料，配合高彈性、耐沖磨和耐候性優(yōu)異的聚天冬氨酸酯聚脲/納米SiO2復合材料作為面層，構(gòu)建性能優(yōu)異的三層抗沖耐磨綜合體系。

（2）CW610系列水性環(huán)氧樹脂/納米SiO2復合涂層材料。通過納米材料的復合增強作用，有效提高涂料自身力學性能及其抗老化性、耐磨性等對混凝土的表面防護性能。

（3）新型有機-無機雜化復合抗老化涂層材料。選用耐久性好的無機聚合材料，在其分子結(jié)構(gòu)中引入疏水、不開裂的含氟有機高分子形成納米雜化結(jié)構(gòu)，制備出具有優(yōu)異疏水性和耐久性的新型有機-無機雜化復合抗老化涂層材料。

（4）新型乙烯基酯樹脂富鋅金屬結(jié)構(gòu)防腐蝕涂層材料。通過分子結(jié)構(gòu)設計合成，具有與金屬附著力強、抗氯離子滲透性好、耐老化性好等優(yōu)點。

3.3小結(jié)

（1）西藏地區(qū)水利工程劣化防治可從完善筑壩材料及筑壩技術(shù)、采用表面涂層防護技術(shù)兩方面入手。

（2）可通過摻外加劑、纖維、摻合料等方法來改善鋼筋混凝土自身性能。

（3）水工混凝土表面涂層可阻止腐蝕介質(zhì)的滲入，延長鋼筋混凝土使用壽命。

4　研究趨勢

上述已研發(fā)的混凝土保護涂層材料在工程實際中起到了保護水工混凝土的作用，但不一定能適應西藏地區(qū)特殊的水文地質(zhì)氣候條件。針對西藏地區(qū)低溫寒冷、晝夜溫差大的特點，還需從以下幾個方面入手作進一步研究：

（1）劣化機理研究。結(jié)合西藏地區(qū)環(huán)境特點，從分析混凝土組成材料及配合比設計等方面入手，試驗研究高寒、大溫差、強輻射、低濕度等特征環(huán)境條件下混凝土的力學、變形、耐久性能，揭示特征氣候影響混凝土耐久性設計指標的內(nèi)在規(guī)律和主導因素。

（2）改善筑壩材料。針對西藏地區(qū)特殊水文地質(zhì)氣候條件，進一步改善筑壩材料，提高水工混凝土材料的耐候性。

（3）表面防護措施。優(yōu)選涂層材料，從配方設計入手進行材料和施工工藝優(yōu)化，提高材料的綜合性能，尤其是抗凍性和耐沖磨性能，以期適應西藏地區(qū)特征氣候條件。

（4）建立壩體病變的預警模型。應用精細數(shù)值分析方法反演環(huán)境條件、施工工藝、溫控措施對壩體溫度場、應力場的影響規(guī)律，對結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定及耐久性等進行深入研究，建立壩體病變的預警模型，評估運行風險，提出改善耐久壽命的綜合措施。

（5）編制西藏地區(qū)筑壩材料耐久性設計和施工指南。通過研究現(xiàn)行技術(shù)標準用于西藏地區(qū)水庫大壩工程建設的適應性，提出西藏地區(qū)筑壩材料耐久性設計和施工指南推薦稿。

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（責任編輯焦雪梅）

Advances on the Study of Deterioration and Protection Measures for Water Conservancy Projects in Tibet

WANG Zaiqin1，3，LIANG Hui1，2，3，LI Zhen1，3，XIAO Changwei4
（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，Hubei，China；2.College of Water Conservancy and Hydroelectric Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；3.Research Center on National Dam Safety
Engineering Technology，Wuhan 430010，Hubei，China；4.Tibet Autonomous Region Planning Survey and Design Institute of Water Conservancy and Electric Power，Lhasa 850000，Tibet，China）

As the unique geographic position，complex hydro-geological and climatic conditions，and harsh natural environment，the water conservancy project construction and operating environment in Tibet are poor.Moreover，the water conservancy projects in Western China usually have large scale in general and are scoured by high-speed sandstones.In view of the lacks on the protective measures of water conservancy projects，the regulations and technical standards related to the deterioration and the protection experiences in Tibet，the evolution courses and mechanisms of deterioration are analyzed based on the survey of water conservancy project deterioration in Tibet.The researches on new materials，technologies and treatment processes of deterioration protection are introduced，and some protection measures for water conservancy projects in Tibet are proposed.The further research directions are also proposed on the performances of protection materials.

water conservancy project；deterioration；protection；Tibet

TV421.1；TV698.2（275）

A

0559-9342（2016）02-0042-04

2015-07-10

水利部公益性行業(yè)專項基金項目（201301023）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金項目（2014B37314）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目（CKSF2014052/CL）

汪在芹（1961—），男，湖北仙桃人，教授級高工，博士生導師，主要從事水工建筑材料研究工作.