水工建筑物的老化问题

□刘华鑫（武汉大学水利水电学院）

建国以来，为了解决人民生产生活用水问题，防御特大洪水，减轻水害对国民经济造成的巨大损失，广大人民群众投入到基础水利设施建设中来，水利建设取得了长足的发展。据统计，新中国成立60多年来，国家先后投入上万亿元资金用于水利建设，水利工程规模和数量跃居世界前列。截至目前，全国已建成各类水库8.6万多座，堤防长度28.69万km，我国大江大河主要河段已基本具备了防御新中国成立以来发生的最大洪水的能力。中小河流具备防御一般洪水的能力，重点海堤设防标准提高到50年一遇。随着运用时间的延长，水工建筑物逐步老化现象，出现裂缝、金属结构锈蚀、碳化等病害。水工建筑物产生老化，严重地威胁着工程的安全，影响着工程效益的发挥。如何防治水工建筑物的老化，延长工程的使用寿命，已经成为一项十分紧迫的课题。

1.水工建筑物的老化现象

水工建筑物的老化指的是，水工建筑物经过长时间的运行使用，由于荷载、温度、水的冲刷作用等而使建筑物的使用性能下降。传统意义上，从建筑物老化病害表观现象出发，对其进行分类。水工混凝土建筑物老化病害主要有裂缝、渗漏、剥蚀3种，而每一种现象又是由多方面原因造成的。裂缝主要由荷载、温度、干缩、地基变形、钢筋锈蚀、碱骨料反应、地基冻胀、混凝土质量差、水泥水化温升等原因引起，因此又可细分为温度裂缝、干缩裂缝等；渗漏主要是由混凝土密实性差、裂缝、伸缩缝、止水失效等原因引起，根据渗漏的形式，可以细分为点渗漏、线渗漏、面渗漏；剥蚀主要是冻融、冲磨气蚀、钢筋锈蚀、化学侵蚀、碱骨料反应及低强风化等原因导致的。

本文从不同老化部位出发对水工建筑物的老化现象进行分类，主要有：基础的老化、混凝土坝坝体的老化、土石坝坝体的老化。

1.1 基础的老化

基础的老化主要由3个原因引起：应力状态的改变，未预见的荷载、周期性变化的荷载或者基础的徐变都可能引起作用在基础上应力状态的改变；坝基的裂缝，由于应力状态的改变，可导致坝基出现拉应力从而产生裂缝，裂缝导致基础原有整体性的下降；渗流作用，在长期的水渗流的作用下，基础的强度耐久性下降，使材料变劣。

1.2 混凝土坝体的老化

因为混凝土材料在水利建设中应用逐渐广泛，随着时间推移，混凝土坝体的老化成为现在最常见的水工建筑物的老化问题。第一，混凝土病态的体积变化。混凝土早期弹性模量较低，强度也较低，随着混凝土龄期的增长，弹模和强度不断增长。这些性质参数的改变使得混凝土在使用中会发生体积变化。混凝土有些体积变化对坝体的强度稳定性有着严重的降低作用，如水泥与骨料产生的碱骨料反应会导致体积膨胀。这些膨胀会导致混凝土产生裂缝而影响建筑物的运行。第二，混凝土的徐变特性。在荷载的作用下，变形随时间增长的现象称为徐变。虽然徐变现象会使得结构的应力降低，但是坝体混凝土的徐变、塑性和材料性质的改变，会导致坝体的老化。

1.3 土石坝坝体的老化

土石坝的老化主要发生在两个部位，心墙和上游防水面。由于心墙是为防止渗漏而设置的，所以心墙的老化将产生严重的安全问题。心墙材料的干燥收缩裂缝或与土石结构间未适当压实，会使心墙逐渐老化。对于上游防水面，由于上游防水面长期受到动水压力的作用，如若面下填土没有压实，极易变形，防水面将容易因变形过大而产生破裂，另外各面板之间的接缝处也是薄弱部位。

2.水工建筑物老化的检测方法

要了解建筑物的老化病害情况，检测工作是必不可少的。及时地检测老化情况是安全控制的一个重要目标，所以适时地对水工建筑物进行老化监测与检测具有重要的意义。建筑物的老化检测包括常规检测方法和无损检测方法。

2.1 常规检测方法

常规检测方法对检测仪器和条件要求较低，便于实地或实验室对水工建筑物进行检测，因而得到了广泛应用。目前常规使用的检测方法有观测、实验室或现场测试。第一，目测。目测方法是最简单易行、便于进行实地检测的方法。事实上，对于裂缝、风化情况和大面积渗漏等老化现象，这些是非常容易直接被观测到的，所以现阶段仍有众多水工建筑物采取人工观测的方法进行检测。第二，用实验室和现场测试对建筑物性能进行测试。实验室实验是对建筑物采样进行测试，这种方法可以检测试样的力学性能，如弹性模量、强度、应力应变。而现场测试被用于建筑物结构性能的现场测试，而且现场试验来评估建筑物性能比实验室的实验更为可靠。

2.2 无损检测方法

由于水工建筑物有些老化现象无法用观测方法进行检测，或者对于已建成投入使用混凝土无法取样进行测试。这通常需要利用无损检测方法来解决。无损检测法是最近兴起的具有对建筑物无损害、检测准确等优点的新型方法，具有广阔的前景。无损检测法是对建筑物表面进行无损检测，主要包括声波法、电磁波法、自然电位法、电阻率法、激电法等。这里仅作简单介绍。声波法的原理是脉冲声信号在物体内传播的特征与物体的弹性及完整性有关。应用声波层析成像法可以得到很好的分辨率，给出建筑物内部的波速分布，并能正确确定破碎和恶化区。其他几类方法均是应用电磁波、电位、电阻率或激电的特性来检测建筑物的完整性以及老化程度。

3.水工建筑物老化评估

对水工建筑物进行适当的检测后，便要对工程进行老化评估。老化评估可以有许多分级方法，如根据工程的完好度、效益当量等。按照老化对工程使用性能的影响程度来分级需引入老化度的概念。老化度是水利设施老化程度的数量指标，取值范围为0～1。值越大老化程度越严重，根据老化度值的大小，可将水工建筑物的老化程度分为4级。另外，还可以对建筑进行模型分析，以便评定目前的状况，预测将来的发展，并以此为依据采取维护措施。一般而言，有两种类型的模型。第一是作用模型，它模拟作用性能与效应之间的关系；第二是结构模型，它模拟结构的力学性能、作用引起的力学效应与结构效应之间的关系。只有对老化程度进行了正确的评估，才能为修补维护确定正确的措施打下坚实的基础。

4.水工建筑物老化的防治

水工建筑物的防治主要分为两类，一“防”，二“治”。

4.1 水工建筑物老化的预防

合理的设计、施工和运行。水利工程的设计、施工和使用3个阶段，都必须重视水工建筑物老化病害的预防措施。实践经验表明，在设计中应优先考虑采用新材料；在施工中应采用新工艺和新技术；在运行阶段应坚持科学管理；把不断更新的专门技术应用于新建筑。加强观测和及时评估。由于规划设计阶段未能预知环境条件和使用情况的变化，建筑物可能潜伏严重事故的情况，因此每隔一定时间，必须对建筑物的工作质量进行检验或检查。这种检测在适当的时候可以检测出建筑物在严重事故即将发生前所起的变化。对于建筑物进行认真的现场观察和检测，发现处于萌芽状态中的危险，对建筑物安全是十分重要的。

4.2 水工建筑物老化的治理

对建筑物老化的治理是针对已经出现的老化病害，有针对性、有明确目的地进行处理。对于已经出现的，对建筑物的安全运行有重大影响的老化现象必须及时处理。第一，建筑物表面损害的维修。与水接触的表面经常遭受水流冲刷，气蚀作用，产生的蜂窝、麻面、空洞等现象都属于表面损坏。可以采用砂浆修补、表面防碳化处理、表面喷护加固等措施。第二，建筑物裂缝的修补。裂缝是常见的老化现象，处理措施最普遍的做法是灌浆法，对于强度较差的裂隙，为防止裂隙的持续发展，还采用锚栓锚杆加固后再灌浆的做法进行修补。还有喷涂、粘贴、充填等方法。第三，渗漏的处理。虽然渗漏的种类是多种多样的，渗漏的范围也有点渗漏、线渗漏、面渗漏之分，但最基本的处理措施都是灌浆处理，包括水泥灌浆、化学灌浆等。随着施工工艺的发展，也出现了诸如分段灌浆、低压封闭高压灌浆等新工艺手段。此外，对于重要结构还需在适当部位设置止水等配套结构。

5.结语

随着时间的推移，各种水工建筑物在运行过程中，由于受到荷载、温度等的长时间反复作用，建筑物必然会产生老化现象而使得使用性能降低。对于老化现象，提出不同于以往的分类方式，并简单介绍了建筑物老化的检测手段，由此进行建筑物老化评估。最后，针对老化病害，提出“防”与“治”综合治理方法，尽量减少因老化而引起的灾害的发生。

[1]周利利.水利工程病害防治技术[C].中国南方十三省(市、区)水电学会联络会暨学术交流研讨会论文集.

[2]陈玉红.混凝土水工建筑物常见问题及防治措施[J].中国科技博览,2011(24).

[3]郭亲强.浅论水利工程混凝土建筑物老化病害之检测方法[J].新农村(黑龙江)，2010(5).

[4]张今阳.水工建筑物老化病害评估及对策[D].硕士学位论文，2004(06).

[5]吴鑫淼，郄志红，冯利军，王雅宁.水工建筑物老化评价方法的研究[J].河北农业大学学报，2002(10).