多因素协同作用下混凝土坝性能退化机理研究进展

徐镇凯，王 锋，魏博文，蒋水华

（南昌大学建筑工程学院，江西南昌 330031）

多因素协同作用下混凝土坝性能退化机理研究进展

徐镇凯，王 锋，魏博文，蒋水华

（南昌大学建筑工程学院，江西南昌 330031）

针对混凝土坝服役期间长期受到荷载与环境多因素的协同作用，导致其筑坝材料出现不同程度的老化、结构性能退化等问题，对多因素协同作用下混凝土坝性能退化问题的研究进行归纳总结。由于环境与荷载等因素是通过驱动材料性能演化来影响大坝服役性能的，故主要从荷载效应和结构抗力角度综述了混凝土坝系统性能退化机理，着重阐述了多因素作用下大坝结构与材料退化研究的现状和不足，并指出混凝土坝结构服役性能机理研究亟待解决的几个科学问题。

混凝土坝；性能退化；多因素协同作用；荷载效应；结构抗力；研究进展

我国在建混凝土坝数量和高度均居世界首位，其长效服役性能关系到整个水利水电工程的安危。混凝土坝服役期间不仅要承受各种荷载作用，还要承受恶劣环境的侵蚀和腐蚀，其服役性能受到设计、施工、运行、管理等多方面因素的影响，随着一批混凝土坝服役设计基准期的临近，部分大坝已出现了不同程度的老化、病害征兆，将会导致大坝性能衰退，进而造成大坝系统失效。大坝性能退化是由材料到结构的渐进过程，其退化过程包括微观结构的演变，裂缝的发展乃至整体结构的失效。据不完全统计［1］，大约有40%的大坝失事是由坝基失稳引起，另有34%是由于渗流控制不当引起。受材料、环境以及荷载等因素的影响，混凝土坝服役性能提前退化乃至失稳的事件历史上屡见不鲜［2-4］，如1928年美国圣佛兰西斯重力拱坝因坝体材料老化及水体渗漏造成上部坝肩风化砾岩中的静水压力升高导致大坝失事破坏［5］，1954年法国马尔帕赛拱坝由于坝肩材料性能退化造成坝肩失稳破坏，1969年我国佛子岭连拱坝由于坝基材料老化与洪水漫顶导致大坝严重受损。外界环境因素的影响造成大坝钢筋混凝土材料的侵蚀以及材料老化，导致混凝土坝服役性能退化，加上荷载作用（坝体自重、水荷载等），将进一步引起坝体滑动、变形以及开裂，加速大坝服役性能的退化。由此可见，在多因素（如环境和荷载等）协同驱动下，混凝土坝服役性能将会提前退化，从而引起大坝破坏和失效，极大地缩短了大坝的服役寿命。

尽管国内外学者在混凝土坝服役性能退化方面进行了大量有益的室内外试验、数值仿真模拟与理论研究［6-10］，建立了相应的抗冻融、碳化、钢筋锈蚀、氯离子侵蚀等多种预测模型，但实际工程中混凝土坝在其服役过程中坝体材料损伤与性能退化往往受多种因素的协同作用，而不是仅受荷载或环境等单一因素作用，且随着库区及近坝区的大气、水质和土壤的污染越发严重［11-13］，混凝土坝服役环境日益恶化。因此，研究多因素协同驱动下混凝土坝退役性能对大坝安全实时监测与管理，及时补强加固和提升大坝服役性能具有重要的现实意义。

1 荷载效应和结构抗力作用下混凝土坝性能退化机理

混凝土坝是由坝体、坝基和库水及其相互作用组成的综合体系。在混凝土坝正常运行期间，之所以其性能逐渐退化，无法继续满足大坝安全性、适用性以及耐久性等功能要求，一个重要的原因是长期受到荷载、环境以及材料等因素的影响。图1给出了基于时变规律的混凝土坝服役性能的退化与提升过程线，图中曲线I表示设计工况下多因素作用下大坝服役期性能退化的变化趋势，但在实际工程中，大坝还可能受到不确定荷载的作用而造成其性能的突然恶化，为延长大坝健康服役寿命，通常会进行人为补强加固，可在一定程度上提高大坝服役性能，如曲线II所示。尽管造成混凝土坝性能退化的驱动因素是多方面的［14-15］，但总体上可以概括为荷载效应和结构抗力两个因素。为此，首先从荷载效应和结构抗力角度揭示混凝土坝性能退化机理。

图1 混凝土坝性能退化与提升分析示意图

荷载是造成混凝土坝服役性能退化的重要因素，荷载作用可能造成大坝结构变形、开裂或坝基失稳等［16］。荷载一般可分为静态荷载（坝体自重、静水压力、扬压力以及泥沙压力等）和动态荷载（温度荷载、地震荷载以及水下爆炸冲击荷载等）。当静态荷载作用于混凝土坝体系时，大坝系统长期受荷载效应影响其承载力会降低，挠度和裂缝开度均会增大，大坝变形越来越严重，当荷载效应达到一定值时，混凝土坝系统性能退化，可能会造成大坝坝基失稳破坏［17-18］。此外，混凝土坝在其服役期间还可能受到动态荷载的作用，如当混凝土坝受到地震荷载［19］或水下爆炸冲击荷载［20-21］等动态荷载的作用时，荷载效应会突然增大，坝基或坝身产生突发性的贯穿裂缝，造成大坝服役性能退化乃至失稳破坏。

在结构抗力方面，一般从大坝构件结构方面（如构件截面承载力、材料刚度以及截面的抗裂等）研究混凝土坝在材料或环境等因素作用下的性能退化问题。随着大坝服役时间的延长，坝体混凝土材料在长时间外界环境（氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀、碳化作用、溶蚀作用以及冻融作用等）中，其内部成分和强度等均会发生不同程度的变化，内设钢筋力学性能发生退化［22］。另外，坝基基岩内部结构受长期水流渗漏溶蚀作用［23-24］的影响，其力学性能严重衰减，抗压强度降低，基岩承载力急剧减小。

此外，在各种外界环境因素作用下，若大坝结构性能已经退化，大坝系统同时受到持续静态荷载和动态荷载的共同作用，将导致荷载效应急剧增大，当荷载效应大于结构抗力时，会加速混凝土坝的失稳破坏。多因素作用下混凝土坝性能退化过程如图2（图中Pf为失效概率，μz为平均值，β为可靠指标，σz为标准差）所示，仅在荷载作用下，混凝土坝结构抗力R大于荷载效应S，坝体材料性能和构件性能满足各项功能要求，大坝正常服役；由于同时受到各种环境因素影响，造成混凝土坝结构的荷载效应逐渐增大，在荷载与环境因素长期耦合作用下，混凝土坝服役性能将发生退化，坝体材料和结构性能可能无法满足各项功能要求，荷载效应一旦超过其结构抗力，大坝将会发生失稳破坏。

图2 多因素作用下混凝土坝性能退化过程

2 单一因素作用下混凝土坝性能退化机理

目前在单一因素驱动下混凝土坝服役性能的退化机理研究取得了可喜的进展［25-28］。我国大坝混凝土普遍呈现出一种南锈北冻的现象，影响钢筋混凝土材料性能退化的因素较复杂，主要包括荷载、冻融、溶蚀、碳化、盐类侵蚀等。混凝土受冻融作用破坏的代表性理论有静水压理论［29］、冻融破坏机理［30］等。混凝土坝冰冻破坏机理与其内部复杂孔隙结构密切相关［31］，大坝冻融破坏机理通常以水结冰体积膨胀9%为基本前提［32］展开研究。溶蚀会导致坝体钙离子的流失，混凝土水化产物失去胶凝性，微观孔隙结构增加。黄蓓等［33］研究表明氢氧化钙是造成混凝土早期溶蚀质量损伤的主要原因，混凝土溶蚀后有害孔数增加会对混凝土的耐久性产生不利影响。碳化是混凝土坝中混凝土的一种常见化学性病害，肖佳等［34］研究表明大坝混凝土碳化速度和深度主要受材料因素、环境因素及施工因素影响。硫酸盐对大坝混凝土的侵蚀主要是由于硫酸根离子与水泥水化产物发生化学反应，生成膨胀性的侵蚀产物（石膏和钙矾石），导致混凝土胀裂［35］。Zhu等［36］研究表明氯盐侵蚀容易造成大坝混凝土与钢筋交界面的pH值迅速降低，交界面处的钝化膜将逐渐受到破坏。图3给出了冻融［37］、溶蚀［38］、碳化［39］和盐类侵蚀［40］4种单一环境因素作用下坝体混凝土材料内部微观结构，可见在不同单一因素作用下混凝土微观结构破坏前后形态有着明显的差异。

图3 单一环境因素作用下坝体混凝土破坏前后内部微观结构

3 多因素作用下混凝土坝性能退化机理

实际工程中混凝土坝在其服役过程中，不是仅受到单一因素的作用，而往往是受环境和荷载等多因素的长期协同作用，混凝土坝服役期间坝体材料和结构性能均发生退化，混凝土材料老化、钢筋锈蚀，大坝结构性能退化表现为弹性模量和抗压强度减小、裂缝开度扩展等。例如在沿海地区，大坝除了承受荷载带来的破坏，还受到氯离子和二氧化碳的长期侵蚀；在我国北部，大坝可能受到荷载、冻融和氯盐侵蚀3种因素的协同作用。由于环境因素的复杂多变，仅仅模拟研究单一因素下混凝土坝服役性能退化过程难以符合工程实际情况，应当从多因素协同作用方面研究大坝服役性能，如坝体整体稳定性、大坝变形、裂缝开度以及耐久性等问题。

多因素协同作用造成混凝土坝服役性能退化一般认为是在某一因素的驱动下，材料内部微观结构首先出现退化或损伤，进一步受到其他因素的作用，材料损伤加速扩展，直至大坝结构宏观失效破坏。在各类环境因素作用下，坝体混凝土材料和基岩孔结构性能退化，产生微裂缝，坝体内部钢筋锈蚀，形成坝体微观结构破坏，这种破坏是局部的，再加上荷载因素作用，微裂缝将会汇集，最后形成宏观裂缝［41-42］，导致坝体混凝土开裂，大坝服役性能发生退化，大坝的破坏也由微观、局部的破坏发展成宏观、整体的破坏。混凝土坝性能退化一般首先是从局部开始，大坝局部性能退化造成附近局部区域产生应力集中从而导致大坝局部失效，在多因素的持续耦合作用下，大坝局部性能的进一步退化可能引发大范围的损伤与整体失效，导致混凝土坝结构整体服役性能发生退化。因此，对于多因素协同作用下混凝土坝服役性能退化机理的研究，应当从微观和宏观等多尺度展开，并遵循从局部性能退化向整体性能退化转变的机制。

3.1 多种环境因素协同作用

在我国北方特别是东北地区服役的混凝土坝受严寒气候的影响，大坝冻融破坏现象时有发生［43-45］。充水饱和大坝混凝土在冻融作用下极易发生开裂剥落等物理性损伤破坏，溢洪道、坝体上游面的水位变化区等最容易遭受冻融作用。冻融与其他因素的协同作用会加速混凝土坝的破坏，大坝系统受冻融作用时，其内部微观孔隙将连通并形成微裂缝，微裂缝在反复冻融作用下将扩展成宏观裂缝，裂缝的形成将加速其他因素对大坝的侵蚀，导致坝体结构力学性能、弹性模量和抗压强度等的降低。下面以冻融和氯盐侵蚀组合、冻融和碳化作用组合为例，简要介绍目前在多种环境因素协同作用下的混凝土坝性能退化机理方面的研究工作。

在冻融-氯盐环境中，坝体内部渗透压力会增大，饱水程度提高且在受冻时产生结晶压，造成混凝土受冻破坏加剧，同时大坝冻融损伤引起坝体内部微裂纹和有害孔数量增多，促使氯离子向混凝土内部侵入［46-47］。Collepardi等［48-49］最早提出了基于Fick第二定律的氯离子扩散系数计算方法，随后余红发等［50］分别推导了考虑多因素作用下的混凝土表面剥落氯离子扩散理论模型、混凝土冻融循环氯离子扩散理论模型和混凝土损伤氯离子扩散理论模型。余红发等［51］进一步研究了冻融和腐蚀等多因素作用下的混凝土损伤问题，采用损伤初速度和损伤加速度等退化参数，建立了不同破坏条件下的混凝土统计损伤模型。杜鹏等［52］研究了冻融循环和盐冻这两种因素作用下的混凝土残余应变增长规律，建立了以残余应变表征冻融损伤程度的数学模型，并通过试验数据拟合得出模型参数和变量，其阻滞模型为

式中：εr（N）为循环N次后的残余应变；εrm为残余应变最大值；εr0为初始残余应变；λ为残余应变增长率，即单位时间内εr（N）的增量与εr（N）的比例系数；N为循环次数。

赵高升等［53］研究表明在冻融和碳化交替作用早期，碳化有利于提高混凝土的抗冻耐久性，但后期碳化作用将加速混凝土的冻融破坏。朱方之等［54］通过冻融循环试验和加速碳化试验研究了冻融与碳化因素协同作用下混凝土性能退化过程，表明当碳酸钙含量达到一定程度时，混凝土胶凝性将逐渐减弱［55-56］，并加速混凝土构件的老化［57］。于琦等［58］基于Papadakis碳化模型数值模拟了冻融环境下混凝土的碳化过程，并建立了冻融环境下混凝土碳化深度预测模型，其表达式为

式中：xf为冻融作用下混凝土的碳化深度；kW/C为水灰比；kC为水泥用量；kRH为环境相对湿度；kCO2为二氧化碳浓度影响系数；x为混凝土碳化深度。

冻融作用产生的过大拉压应力会造成混凝土内部微裂缝的产生，严重时将造成混凝土开裂或剥落，从而加快二氧化碳进入混凝土内部的速率。冻融循环次数越多，碳酸钙的含量就越高，混凝土的碳化深度也就越大。

3.2 环境与荷载因素耦合作用

荷载作用下混凝土坝性能的退化在微观方面主要表现为孔隙结构变化，内部产生微裂缝；在宏观方面主要表现为大坝系统材料老化，产生宏观裂缝等。这些微裂缝、宏观裂缝等进一步为其他环境因素对大坝的侵蚀提供了通道［59］，加剧了大坝系统材料的老化，造成各种力学性能衰减，大坝承载力降低，服役性能退化。下面以荷载-氯盐侵蚀组合、冻融循环-氯盐侵蚀-荷载组合、荷载-硫酸盐侵蚀组合以及荷载-干湿交替-硫酸盐侵蚀组合为例，简要介绍目前在荷载与环境因素耦合作用下混凝土坝服役性能退化机理方面的研究工作。

Francois等［60］采用喷洒盐雾的方法，研究了钢筋混凝土梁荷载与氯离子扩散性之间的关系，发现氯离子渗透与荷载引起的微裂缝有关。施锦杰等［61］研究了氯盐侵蚀与外荷载耦合作用下的钢筋锈蚀机理，并预测了混凝土保护层开裂时间。金伟良等［62］研究表明氯盐侵蚀和持续荷载耦合作用下保护层厚度范围内的氯离子质量会随着持续荷载水平的提高而增大，钢筋截面发生不均匀锈蚀。蒋金洋等［63］研究了弯曲荷载作用下结构混凝土抗氯离子扩散性能，并指出随着疲劳损伤所产生的残余应变的增大，氯离子在混凝土中的扩散系数逐渐增大。王阵地等［64］研究了钢筋混凝土在冻融循环、氯盐侵蚀与弯曲荷载三因素作用下的质量损失、动弹性模量和混凝土应变等参数的变化过程，为预测多因素影响下混凝土坝服役寿命积累了数据。冻融循环-氯盐侵蚀-荷载作用下，盐冻循环是造成混凝土表面剥蚀破坏的主要因素，然而高应力比时混凝土破坏主要受外部弯曲荷载影响。在冻融环境中，大坝内部会形成微裂缝［65］，荷载作用将加剧微裂缝的产生和扩展，为氯离子向混凝土内部的渗透提供了便利通道，从而加速了混凝土材料的老化以及大坝服役性能的退化。

Schneider等［66-67］研究了普通混凝土、高性能混凝土在弯曲荷载与硫酸盐侵蚀耦合作用下的耐久性。Živica等［68］研究了压应力作用下水泥基复合材料的抗硫酸盐腐蚀性，表明混凝土的抗腐蚀性受不同级别拉压应力的影响。陈拴发等［69］研究表明疲劳荷载与硫酸盐腐蚀耦合作用会导致混凝土产生大量的微裂缝，并对疲劳荷载作用下混凝土材料有效扩散系数采用基体扩散系数与裂缝扩散系数进行了有效表征，计算表达式为

式中：Dt为混凝土材料有效扩散系数；Dm为混凝土材料基体扩散系数；Dc为裂缝扩散系数；ξ1为裂缝因子。

余振新等［70］研究了弯曲荷载-干湿交替-硫酸盐侵蚀三因素协同作用下的混凝土损伤退化过程，表明弯曲荷载和干湿循环均会加剧混凝土在硫酸盐溶液中的损伤程度，相比之下，干湿循环的加速损伤作用更加明显。Bassuoni等［71］研究了干湿循环与弯曲荷载协同作用下硫酸盐腐蚀对自密实混凝土力学性能的影响，并评价了损伤后的混凝土可靠度与抗压强度。Gao等［72］研究了恒定荷载与干湿循环协同作用下混凝土受硫酸钠溶液侵蚀的机理，并探讨了硫酸根离子在混凝土中的传输规律。

4 混凝土坝性能退化机理研究的不足

服役期间混凝土坝性能退化问题逐渐得到了工程界和科学界的广泛重视，许多学者对此开展了相应的研究工作，并取得了一定的研究成果［73-75］，但是多因素协同作用下的混凝土坝性能退化机理研究尚处于初步阶段，研究内容的系统性和试验方法的规范性均有待完善，主要存在以下不足：

a.由于各地区环境条件的复杂多变，对大坝服役性能退化机理的研究还不能完全符合工程实际，同时对多因素作用下混凝土坝服役性能退化机理的研究受到当前试验条件、建模条件和研究理论的限制。因此，如何科学而又准确地评价多因素作用下混凝土坝服役性能退化机理依然存在一定的难度。

b.鉴于混凝土材料退化因素的复杂性和技术限制，现阶段还无法采用试验和理论分析相结合的方法根据混凝土微观结构对混凝土材料进行力学性能分析。另外，材料和结构研究进展的不同步造成了材料和结构研究的脱节，给研究多因素作用下混凝土坝服役性能退化机理带来一定的困难。

c.现行结构设计与耐久性研究未充分考虑多种复杂环境因素的影响，对混凝土坝性能退化机理的研究也未充分考虑环境因素作用，导致所建立的数学、力学模型不够完善。荷载与环境等多因素作用下混凝土坝性能退化机理较为复杂，多因素作用下混凝土坝材料性能时空劣化规律研究还存在诸多不足。

d.混凝土坝在荷载和环境因素耦合作用下其服役性能退化速度加快，但是目前对混凝土坝的安全监测力度不够，在这方面仅仅开展了初步研究工作［76-77］。此外，为了给大坝服役性能提升、大坝安全管理和运行提供依据，亟须制定合理的安全监测指标，实时且及时地了解混凝土坝系统服役性能，而目前对变形、渗流、应力和应变以及裂缝开度等安全监测指标的研究还相对较少。

5 结语与展望

a.多因素作用下混凝土坝服役性能退化机理极为复杂，应综合考虑荷载或环境因素影响，从荷载效应和结构抗力角度分析大坝服役性能退化机理，从而为预测混凝土坝服役寿命提供参考。

b.多种环境因素协同作用以及环境与荷载等因素的耦合作用将加速大坝服役性能退化进程。混凝土坝在荷载作用下形成的微裂缝为环境因素对大坝体系统的侵蚀提供了通道，各种环境因素对大坝结构的侵蚀又加剧了裂缝的扩展。

c.从微观到宏观、局部到整体阐述了目前在多因素作用下混凝土坝服役性能退化机理方面的研究进展，并在微观层面揭示了混凝土坝破坏机理与宏观性能退化之间的定量关系。

d.目前亟须在荷载和环境侵蚀等多因素耦合作用下混凝土坝的损伤演化特征方面进行研究，分析大坝结构的失效路径、破坏前兆及损伤对结构响应的影响，建立多因素耦合作用下大坝结构力学性能演化与诸多影响因素间的关联模型，为混凝土坝服役性能退化机理研究奠定理论基础。

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Research progress of performance degradation for in-service concrete dam under multi-factor synergism

XU Zhenkai，WANG Feng，WEIBowen，JIANG Shuihua
（School ofCivil Engineering and Architecture，Nanchang University，Nanchang 330031，China）

Under the effect of load and environmental factors，concrete dam materials appear different degrees of aging and the performance of dam structures degrades during the service period.With regard to this problem，studies on performance degradationmechanism under the coupling effect ofmultiple factors were summarized in this paper.Since the performance of the in-service dam affected by the environment and load factors ismainly driven by the evolution ofmaterial properties，the performance degradation of concrete dam system was studied from the aspect of load and structural resistance，with emphasis on research status and technical challenges of the degradation mechanism of dam structures and materials under multiple factors synergy.Finally，some key scientific problems needed to be urgently solved on the performance of inservice concrete dams are pointed out.

concrete dam；performance degradation；multiple factors synergy；load effect；structural resistance；research progress

TV33

A

1006- 7647（2016）04- 0080- 09

10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.04.015

2015 06- 16 编辑：骆超）

国家自然科学基金（51409139，51569014）；江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ14223）

徐镇凯（1956—），男，教授，主要从事结构质量检测及数值分析研究。E-mail：xzkncu@126.com

魏博文（1981—），男，副教授，博士，主要从事水工结构安全监控研究。E-mail：bwwei@ncu.edu.cn