水工隧洞混凝土的常见病害及预防

翟 耀 武， 罗 鹏

(1.中国人民武装警察部队水电第九支队，四川成都 611130;2.四川华电杂谷脑水电开发有限责任公司，四川成都 610091)

1 引言

狮子坪水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县境内的岷江右岸一级支流杂谷脑河上，为杂谷脑河梯级水电开发的龙头水库电站。设计水头390.00 m，引用流量 57.00 m3/s，总装机容量 195 MW(3×65 MW)，多年平均发电量8.76亿kW·h。

工程区位于青藏高原向四川盆地的过渡地带，区内山岭海拔高度一般为3 500～4 000 m，相对高差1 000～2 000 m，属深切高山峡谷区。

引水隧洞位于杂谷脑河右岸，全长18.713 km，洞室断面形式为马蹄形和圆形。其中圆形断面内径5.5 m，采用全断面钢筋混凝土衬砌，该处为千枚状板岩夹薄层粉细砂岩，岩石质密，中等坚硬;岩体为弱风化～新鲜，完整性较差，呈薄层状结构，成洞条件差。在隧洞施工期和过水期间，由于混凝土浇筑温度、超挖、分段长及配筋相对较少等综合作用，同时受冻胀、冲磨、空蚀、碱骨料反应、碳化、溶蚀和侵蚀等病害的威胁，影响或限制了混凝土结构的正常使用功能并缩短了结构的使用年限。经对水工隧洞混凝土的常见病害进行分析和研究，提出了相应的预防对策，在工程建设管理的整个过程中，全方位、多渠道地提高水工混凝土的质量和耐久性，延长工程使用寿命非常有必要。

2 常见隧洞混凝土病害分析

隧洞混凝土是水利工程建设中很重要的材料，使用种类繁多，也需要在各种各样复杂的环境条件下发挥作用确保工程正常运行。根据水工混凝土建筑物的结构特点和所处工作环境的不同，其常见病害主要有裂缝、冻胀、冲磨、空蚀、碱骨料反应、碳化、溶蚀和侵蚀七大类，其中前三类属于物理性病害，后四类属于化学性病害。由于工程自身因素和工作条件的差异，这几类病害对混凝土的危害程度也互不相同。

(1)裂 缝。裂缝是混凝土建筑物最常见的病害之一。裂缝产生的原因主要是混凝土浇筑温度、超挖、分段长及配筋相对较少等综合作用形成材料的不连续现象，属于物理性病害，是水工混凝土耐久性的首要影响因素。裂缝的出现，多数在施工期而存在，有的虽然在施工期以后，也多在运行初期5～10 a内，不是由于运行期长工程老化问题，而是早期的问题。裂缝的存在直接导致混凝土抗拉性能降低，裂缝也会引导有害物质进入混凝土内部，从而造成钢筋锈蚀，甚至混凝土结构破坏。

(2)冻 胀。一般认为，在温度正负交替过程中，混凝土微孔中的水成为结冰或过冷的水，体积膨胀产生冻胀压力。过冷的水迁移产生渗透压力，当两者的附加作用力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土而遭受破坏，形成冷缝。所以说，冻胀破坏是一种物理性破坏，在我国的北方，水工混凝土受这种破坏的情况较严重。受冻融作用的影响，混凝土会变得酥松、鼓包、开裂甚至层状剥落，使建筑物失去作用，进而对建筑物整体稳定造成影响。

(3)冲磨和空蚀。冲磨主要是水流中的泥沙作用。我国河流多泥沙，其与高速水流一起运动时磨蚀直接接触或临近混凝土。空蚀是水工泄水建筑物工作中的水流的一种特有现象，混凝土局部受到不规则的挤压变形而产生破坏。所以，冲磨和空蚀都属于物理性病害。一般讲，冲磨和空蚀是交替而又相互促进的，将造成混凝土表面粗骨料裸露，混凝土表面凸凹不平，产生坑洞，进而造成钢筋外露和锈蚀。

(4)碱骨料反应。骨料中含有的氧化硅等物质容易和水泥或混凝土中的碱(Na2O、K2O)起反应，即碱骨料反应，它是一种化学病害。该反应生成吸水膨胀的凝胶，使混凝土产生开裂。

(5)碳 化。混凝土的碳化(中性化)是空气中的二氧化碳气体不断地透过混凝土中未完全充水的粗毛细孔，并与其中的空隙液所溶解的氢氧化钙进行中和反应，生成碳酸盐或其他物质，使混凝土孔溶液的PH值小于10，从而造成钢筋的钝化膜被破坏，钢筋发生锈蚀。钢筋生锈后体积膨胀，引起混凝土开裂，与钢筋的粘结力降低，导致混凝土保护层脱落，钢筋断面面积发生损缺，严重影响混凝土的耐久性。

(6)溶 蚀。混凝土溶蚀是一种化学性病害。混凝土中的CaO被水溶解变成Ca(OH)2，遇到空气中的CO2反应生成CaCO3沉淀物，标志着混凝土已经病变，将因此损失掉胶凝性而逐渐失去强度，抗渗能力也不断降低。

(7)侵 蚀。侵蚀主要是环境水质对水工混凝土的危害，这也是一种化学病害，虽然不是特别普遍，但有些工程却受害很深。

在上述所列病害类型中，以混凝土裂缝为首要病害，同时各类病害对混凝土的影响程度不同，同种病害在不同的混凝土建筑物上造成的破坏也各种各样;另外，还存在地域差异，并且各种病害还会交叉感染，比如说，裂缝的存在会引起渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻胀破坏的扩展、混凝土碳化和钢筋锈蚀等。

3 预防对策

经过上述分析，笔者认为要减少或预防隧洞混凝土病害要从几个方面采取预防措施。

(1)首先应减小施工分块长度。建议施工长度取8～10 m。其次，对超挖大于设计值10 cm以上的底板，应采取先浇筑基础垫层，再浇筑结构混凝土的施工方法;对于边顶拱超挖较大部位，则建议设计采用增加钢筋用量或其它方法予以解决。施工中要加强骨料的降温工作，根据骨料含水率调整配合比，并尽可能降低混凝土的出机和入仓温度。减少混凝土的水平和垂直运输中灰浆的流失，以防出机口和仓内混凝土的坍落度和配比的变化。高温季节应调整混凝土的配合比，掺入粉煤灰。对混凝土表面进行粉刷或涂膜以延缓碳化或减少水质侵蚀，在有效范围内增大混凝土钢筋保护层，对混凝土裂缝最大宽度的允许值进行认真论证和严格限定，设置合理的伸缩缝、沉降缝和施工缝，让结构可以自由变形，避免裂缝和不均匀沉降等。另外，还可以设置有效的防渗、排水、抗冲刷和抗磨蚀措施等。

(2)工程原材料。①合理选择水泥品种和标号，尽可能选用水化热小的水泥，适量掺加粉煤灰或矿渣等掺和料。②严格对混凝土拌和用水进行检验，避免氯离子含量超标。③尽可能采用较小的水灰比，减少混凝土的孔隙率。④采用杂质少、粒径适中、级配好、坚固性好的砂石骨料。⑤合理使用和掺加减水剂和引气剂等外加剂。

(3)施工工艺。①对于大体积混凝土要事先制定完备的温控措施计划，并在施工中严格执行。②改进施工机械，改善施工操作方法，确保混凝土均匀密实。③混凝土浇筑过程中，控制钢筋保护层不受影响和破坏。④混凝土临空面要从模板和浇筑过程中的振捣等方面进行控制，避免蜂窝、麻面的出现，对于已经造成的混凝土缺陷，要及时科学地进行修补和处理。

4 结语

由于病害的影响，很多隧洞混凝土建筑物的耐久性受到威胁和挑战，很多以前建成的混凝土建筑物也不同程度地遭受了破坏，因此，有必要对这些病害进行分析和研究论证，探讨可行、有效的处理措施和预控方案。混凝土的耐久性问题不是设计、施工和运行管理单位中任何一家的问题，而是大家面临的共同问题。我们一定要高度重视，认真对待，各参建及运行管理单位要齐心协力，全方位、多渠道地联合控制，确保混凝土质量，减少病害隐患及威胁，提高隧洞混凝土的使用期限。