水电站混凝土建筑物耐久性分析

摘 要：刘家峡水电站混凝土主、副坝和溢洪道、泄水道、泄洪洞、排沙洞已运行40余年，对混凝土裂缝、表层碳化、渗漏溶蚀、冻融冻胀、水质侵蚀、混凝土强度和冲磨空蚀等方面的全面检测分析表明，这些混凝土建筑物耐久性较好。指出封闭渗漏入口以提高坝体防渗能力，是防止或减缓渗漏溶蚀、冻融冻胀破坏的有效措施，并应密切关注坝前水沙动态变化趋势，对冲磨空蚀破坏及时进行修补处理，以增强耐久性。

关键词：混凝土建筑物；耐久性；刘家峡水电站

刘家峡水电站位于甘肃省境内黄河干流上，是我国第一座装机容量超过百万千瓦的大型水电站，代表着我国20世纪六七十年代水电站的建设水平。刘家峡大坝自左至右依次为左岸混凝土副坝（共5个坝段）、混凝土主坝（共10个坝段）、右岸混凝土副坝（共21个坝段）、混凝土连接副坝（共5个坝段）以及黄土副坝，最大坝高147m，坝顶高程1739m。泄水排沙建筑物包括溢洪道、泄水道、泄洪洞和排沙洞。工程于1958年9月开工建设，1968年下闸蓄水，至今已度过40多个春秋。

本文从混凝土裂缝、表层碳化、渗漏溶蚀、冻融冻胀、水质侵蚀、混凝土强度和冲磨空蚀等方面，对该工程混凝土主、副坝和泄水排沙建筑物的耐久性进行概略分析研究。盾构法因其具有施工时不阻断交通、施工安全快速、对周围环境影响小、有利于提高工程质量和保护地面环境等优势，近年来越来越多被应用于城市隧道的修建，已成为地铁建设的主流施工方法。而施工引起的地层变形问题也成為隧道设计和施工中的热点问题。

因此，准确分析和计算盾构施工引起的地层变形及衬砌结构应力具有非常大的理论和实际意义。目前，对城市隧道盾构法施工引起的地层沉降的研究方法主要有：Peck公式、理论计算、相似材料模拟试验、有限元模拟等。地铁盾构双线隧道先后施工引起的地面沉降有：Ito&Histake用边界元法对弹性和粘弹性地层中浅埋隧道引起的三维地面沉陷进行了分析，李桂花采用弹性有限元法模拟了不同埋深、不同直径、不同间隙条件下的隧道开挖，深入研究了施工间隙参数并总结出相应经验公式，张海波分析了隧道施工模拟中存在的问题，提出了用开挖卸荷单元来模拟开挖面土体的变形，李鹏利用数值模拟研究了不同施工方案的地表沉降等。

本文根据石家庄地铁1号线07标段北宋—谈固站区间左右线盾构隧道先后施工的特点，考虑隧道施工过程中的土层开挖、管片安装及盾尾注浆等工艺，采用有限差分软件FLAC 3D对地铁盾构隧道左右线的开挖支护过程进行了仿真，并选取合理的参数实现对土体材料特性、结构几何特征、载荷、边界等的确定，得出了谈固区间盾构双线隧道施工引起的管片受力及地层沉降特点，并与现场地面监测数据进行了对比分析，以便对实际施工及地下管线的保护给予更好的指导。盾构施工数值计算结果分析图5～8给出了左右线隧道不同推进距离时地层的竖向位移。

（1）盾构隧道开挖造成的地层沉降大致沿隧道轴线与水平线夹角45°向地表扩散。随着盾构机的不断向前推进，地层竖向位移和影响范围逐渐增大，左右线隧道贯通后地表的最大沉降约为10mm，横向地表沉降的影响距离距隧道中心约为30m。距离隧道起始开挖位置越近，横向地表沉降的影响距离越大。

（2）左线隧道掘进时，深部地层的竖向位移呈偏向右侧隧道的“W”型，距离隧道轴线越近，竖向位移越大，距离隧道轴线越远，竖向位移越小，靠近地表时竖向位移呈偏向右侧隧道的抛物线型。

（3）地层的最大沉降值发生在隧道拱顶，拱顶的竖向位移大于拱底的竖向隆起。

刘家峡水电站混凝土主、副坝和四大泄水排沙建筑物已运行40年，目前坝面和廊道内裂缝较多但多为表面浅层裂缝，不影响坝体的整体性和稳定性；下游面、廊道内壁和溢洪道闸墩混凝土表层碳化深度普遍较浅，碳化速率较低；下游面和廊道内渗水析钙现象显著，但混凝土尚未遭受严重损害；下游面遭受到的冻融冻胀破坏比较普遍，但破坏程度比较轻微；地下水和库水对基础混凝土无硫酸盐等水质侵蚀现象；下游面约一半部位表层混凝土强度有所下降，而接近表面的内部混凝土强度满足设计要求；四大泄水排沙建筑物运行前期冲磨空蚀破坏比较严重，后期破坏程度逐渐减缓。全面检测分析表明，该工程混凝土建筑物耐久性较好，反馈说明原设计施工和运行中采取的一系列措施基本达到预期目的。

为了防止或减少渗水引起的渗漏溶蚀和冻融冻胀破坏，应研究和采取措施从上游面封堵渗水入口以增强坝体防渗能力，对下游面损坏部位应尽早进行修补保护。鉴于高速挟沙水流冲磨空蚀的复杂性和重要性，今后仍需密切关注坝前水沙动态变化趋势，发现冲磨空蚀破坏及时作针对性处理。

参考文献：

[1]甘肃电力科学研究院.刘家峡水电厂大坝混凝土老化检测报告.

[2]邢林生.混凝土坝表层碳化及其危害性分析[J].水力发电学报，2003（4）：67-73.

[3]邢林生，聂广明.混凝土坝坝体溶蚀病害及治理[J].水力发电，2003，29（11）：60-63.

[4]李金玉，曹建国.水工混凝土耐久性的研究和应用[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5]吕祖珩.刘家峡水电站泄水道2号孔磨蚀破坏的修复[J].西北水电，2001（3）：61-65.

作者简介：

朱宝（1984—），男，安徽滁州人，讲师，硕士，一级建造师，全国招标师，咨询工程师（投资），研究方向：土木建筑工程施工。

基金项目：滁州职业技术学院科研项目资助，2016年度安徽高校自然科学研究重点项目：“盾构隧道地层变形数值仿真分析及基于GNSS的监测系统研究”（项目编号：KJ2016A546）