过水隧洞常见病害检测与分析

丁 浩

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

我国各类水闸数量众多，且闸坝工程面广量大，对社会经济发展和进步有较大的促进作用。然而由于当时经济技术限制，当时多数工程存在设计标准低、施工质量差的问题，尤其是后续管理工作不到位，使得水闸在空气、负荷、冻融和风浪长期作用下，各种老化病害现象频现，严重影响水闸安全持久运行。目前水闸混凝土结构正处于病害老化高峰期，如拦水闸、涵洞等有可能同步老化。一个建筑物结构老化瘫痪，同期同类建筑物老化瘫痪可能性极大，其后果不堪设想。因此对结构老化原因诊断、评价病害老化、剩余寿命测算和对症维修措施研究，已成为工程界普遍关注的热门课题。

本文以黄河某引水闸为例，分析了工程正常运行过程中隧洞老化最常见出现的病害，主要有裂缝、渗漏、剥蚀等，并分析出现病害出现的机理；同时采取回弹法测得混凝土强度，通过取芯和测碳化值修正得到相关系数，通过与设计值比较，对水闸隧洞安全情况进行评定；最后根据分析从原材料和施工工艺方面提出应对措施，为今后同类工程提供可资借鉴的理论和实践经验。

1 隧洞老化病害

水闸长期运行后，混凝土结构尤其是过水隧洞会产生老化病害，如裂缝、渗漏侵蚀、空蚀和混凝土保护层剥落；相比初始混凝土，此时结构会出现一定程度碳化，这会引起结构强度降低。

1.1 外表病害

1.1.1 混凝土裂缝

过水隧洞运行多年后会产生裂缝，尤以横向和环向裂缝最多。研究发现，荷载扩展通常因为裂缝存在，或是荷载和变形共同作用引起的。之所以产生裂缝，其中变形原因约占80%，荷载原因约占20%[1]。不同性质裂缝对隧洞影响也不尽相同：环向裂缝会引起隧洞漏水和射水；横向裂缝会导致结构局部破损，甚至整体性破坏。

1.1.2 混凝土渗漏侵蚀

渗漏水对隧洞结构会产生溶出性侵蚀，即渗漏侵蚀，这是过水隧洞主要老化病害之一。众所周知，水化铝酸钙、氢氧化钙和水化硅酸钙等水泥水化产物在混凝土凝固过程中会形成胶结作用，而足量氢氧化钙又是其他水化产物聚集、结晶和稳定存在的基础[2]。然而，氢氧化钙在水中有较高溶解度，一般情况下氢氧化钙溶液在混凝土毛细孔中以饱和状态存在。渗漏水不断溶解带走饱和氢氧化钙，部分与CO2反应，形成白色CaCO3结晶附着在混凝土外壁，其余则会随着渗漏水损失掉。因混凝土中固态氢氧化钙不断溶解溶出，水泥及其他水化物稳定存在的平衡被破坏，水化产物将会分解，导致混凝土稳定性和力学性能减弱。研究发现，当氢氧化钙含量溶出25%时，混凝土抗压强度降低达到50%；当溶出量超过35%时，混凝土将变得松散且容易破坏，几乎失去强度[3]。

1.1.3 工程空蚀

水体中存在许多空化核，流经隧洞不平顺边界时，根据流体压力关系，局部压力远远低于大气压，形成负压区。当压力降至饱和蒸气压强时，空化核迅速发育成空泡[4]。当空泡流经高压区时，由于存在较大内外压力差而迅速溃灭、消失。周围水流质点会在极短时间内去填充空泡消失留下的空间，质点动量在瞬间变为0，根据动量守恒，这会产生极大机械冲击力，达到几个甚至几十个大气压，使得混凝土边界区域因不断受到冲击而剥蚀。

1.1.4 老化脱落

碳化是混凝土结构存在的主要问题之一，也是其发生老化病害的重要诱因。碳化过程中，混凝土化学性质逐渐由碱性转化为中性[5]。因为水泥水化时析出部分和钠的氢氧化物呈强碱性，其pH值在11以上。钢筋表面强碱环境下有碳化膜生成，能够有效阻止钢筋和空气中O2和Cl-接触，从而避免钢筋发生锈蚀。碳化后混凝土pH值大幅度降低，钢筋钝化膜处于活化状态，在氧和水存在环境下有电化学腐蚀情况发生。由于铁锈体积比金属铁大，混凝土保护层会被胀裂、剥落，增加钢筋与空气的接触机会，从而加速钢筋锈蚀，形成恶性循环[6- 7]。

1.2 强度变化

随着水闸运行，过水隧洞在潮湿、阴暗和冻融交替环境中，混凝土强度会发生较大变化，本文主要采取回弹仪测混凝土强度，通过酚酞溶液测碳化深度和取芯修正得到混凝土实际强度和相关参数，通过与设计值对比，确定混凝土抗压强度是否满足安全运行要求[8]。

根据回弹法测混凝土强度规范，酚酞溶液测混凝土碳化深度，由于隧洞运行时间较长，碳化深度全部大于6mm。同时经过取芯修正，得到混凝土强度推定值如表1所示。

根据回弹、钻芯综合法，混凝土强度推定值均大于15.7MPa，因为混凝土设计值150#，相当于C14混凝土，能够满足结构安全运行。

2 防治技术措施

混凝土结构表面出现一些老化现象，结构强度也会有所降低，如不及时处理会形成恶性循环，造成结构进一步破坏。为了结构能够长期安全运行，必须对老化现象采取相应措施，以满足结构安全运行。

2.1 裂缝处理措施

关于表面裂缝和深进裂缝，如果对结构稳定和极限承载力影响较小，可以选择表面修补法进行处理。通常是在裂缝表面涂抹水泥砂浆、环氧胶泥、油漆和沥青等材料；为避免应力集中避免裂缝进一步发展，通常采取在裂缝表面粘贴玻璃纤维布的方法，能够有效达到增强混凝土抗裂能力的目的；如果对结构整体性和防渗有要求的裂缝，灌浆封堵法是一个简单易行的方法：通过压力设备将胶结材料压入裂缝，胶结材料硬化后即与混凝土形成整体，对结构裂缝及渗透均有较好的弥补作用。

2.2 控制空蚀措施

空蚀对结构损伤较大，对于空蚀损伤必须予以重视。通常需要在设计和施工过程中采取措施：考虑流线型隧洞轮廓。边界轮廓应尽量设计成流线型，能够减缓水流与边界脱离从而避免产生低压区。施工中对于水流边壁表面不平整度要加以控制：一方面严格控制洞壁施工质量；另一方面，对施工中出现局部不平整进行磨削处理，将突起部分磨成平缓坡面，能够有效减少空蚀发生的概率。

2.3 延缓混凝土老化措施

根据工程经验，提高混凝土密实度，能够显著改善混凝土力学性能和耐久性。侵蚀介质主要通过渗透侵入混凝土，提高抗渗性以减少侵蚀介质侵入就可以减轻其危害。通常采用外加剂以降低水灰比或磨细矿渣、粉炼灰代替部分水泥的方法，上述方法能够在很大程度上减少混凝土结构内部孔隙率，从而延缓老化进程。多数水闸项目对混凝土强度要求不高，但对耐久性、工作性、均匀性和体积稳定性等有较高要求，因此提高抗渗性延缓混凝土老化是一个比较好的选择。

表1 评定结构混凝土强度推定值对比表

2.4 补强措施

混凝土碳化及钢筋锈蚀引起结构强度大大降低，甚至会造成结构整体瘫痪，因此需要采取一定补强措施。对于混凝土结构，视碳化深度和部位不同，处理方法也不尽相同。首先需要将碳化部分除去，表面清理干净且需要湿润处理，再用高于原混凝土设计标号的混凝土或其他修补材料(如环氧聚酯、丙乳砂浆和丙乳混凝土等)进行修补加固；如果外露钢筋发生锈蚀，需要除锈后再考虑下一步处理，若锈蚀比较严重，需要通过荷载计算是否满足安全运行要求。必须注意的是，无论采取何种形式碳化处理，都应该采取一定防碳化措施。

3 混凝土结构安全问题引发的思考

水闸安全运行对于混凝土结构要求较高，一旦老化病害现象发生，相关并发病害频现且极易形成恶性循环，严重影响水闸安全使用寿命，因此对混凝土碳化问题必须在设计、施工和使用养护过程中予以重视。

3.1 保证足够钢筋保护层厚度

钢筋保护层厚度对结构安全运行有较大影响，较大保护层厚度可以显著提高水闸混凝土结构耐久性。由于混凝土碱性减弱碳化是钢筋锈蚀的开始，而钢筋锈蚀又会引起混凝土保护层剥落，这会引起钢筋进一步锈蚀，恶性循环会引起整体结构的老化及破坏。因此，控制混凝土保护层厚度，减缓钢筋开始锈蚀开始时间是一个需要考虑的事情，而增加混凝土保护层厚度是一个行之有效的方法。因此，从细处着手，确保混凝土工程施工质量，是提高结构耐久性的重要措施之一。

3.2 混凝土施工工艺

混凝土结构是水闸的重要组成基础，良好的施工工艺能够保证水闸混凝土结构安全运行。施工过程中需严格控制原材料质量、水灰比和施工流程。随着科技发展，新材料新工艺不断应用于混凝土中，如高性能混凝土。通过掺入硅粉、粉煤灰、高炉矿渣中的一种或多种，能够增大混凝土密实度、改善混凝土孔结构[9]，提高结构抗碳化能力。

3.3 混凝土表面涂层保护

防护材料涂覆在混凝土结构表面，能有效阻止空气中CO2、水、盐、酸性介质和Cl-向混凝土中渗透和扩散，延缓混凝土碳化和防止钢筋锈蚀。表面涂层可用无机材料或有机材料，无机材料涂层有水泥砂浆、石膏等；有机防腐涂料有环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸树脂和氯化橡胶等。

4 结语

长期运行后，水闸混凝土构安全问题逐步显现，实践经验表明，若在水闸设计和施工阶段采取相关应对措施，则可以有效提高混凝土抗碳化能力。

(1)从隧洞现状看，混凝土老化问题相当突出，应当引起足够重视。首先应该从建设方面采取措施加以防治，如提高混凝土材料、施工质量方面，是提高混凝土抗老化性能的根本性措施。同时改变单纯重视混凝土强度，实现基于耐久性的结构设计，是提高结构耐久性的根本途径之一。

(2)鉴于混凝土老化现象的普遍性，从结构加固材料、加固技术方面寻找对策，也是今后值得探讨的方向之一。