鞍子河水电站隧洞混凝土腐蚀原因及处理措施

杨 长 青， 肖 向 南

(1.成都金华能电力实业有限责任公司，四川 成都 610091；2.国网都江堰市供电公司，四川 都江堰 611830)

1 隧洞混凝土腐蚀特征

鞍子河水电站总装机容量为2×6 000 kW，无压引水，隧洞总长7 168 m，城门洞型，衬砌后净断面为2.6 m×3.0 m，混凝土衬砌厚度30 cm，强度等级为C20，于2002年投入运行。

在2007年枯水期隧洞年度检查时发现：隧洞边墙、顶拱混凝土多处出现腐蚀，强度下降为零。根据现场观察，在混凝土腐蚀程度较高、特征较为明显的部位，其表面形成0.1～2.4 m2面积的云朵状或不规则状的无胶凝强度的疏松稀散物质。混凝土变质部位大多出现在隧洞底板以上30 cm的边墙和顶拱处，边墙表面多平行墙面膨胀开裂。在腐蚀中心部位稍深一点的混凝土则粘结物强度完全消失，呈泥状[1]。腐蚀变质从表至里的深度大多在1.5～15.0 cm之间，个别深度超过30 cm，若将表面的腐蚀部分清除剥离后，内部未遭腐蚀部分仍然坚硬如初，符合强度要求。

2 混凝土腐蚀原因分析

经询问基建期相关人员，在建设期1999年10月至2001年10月间，隧洞多处洞段在混凝土浇筑3～18个月内，陆续发生混凝土腐蚀变质，混凝土表面强度下降为零。在未进行全面化验分析环境水影响等情况下，凭经验将腐蚀混凝土置换，于2002年投运。经过几年的运行，在2007年隧洞年度检查时发现混凝土腐蚀加剧。

为了查明腐蚀原因，找到彻底根治办法，公司委托有资质单位针对隧洞衬砌混凝土开展钻孔取芯的强度分析、砾石和砂浆硫化物分析、岩石化学成分分析，并在钻孔处取渗透水水样作水质简分析测试。尽可能查明衬砌混凝土发生腐烂变质以及变形开裂的可能原因。

现场取样及室内试验的工作量见表1。

2.1 混凝土芯样抗压强度试验

钻孔取芯采用Φ76钻头，实际芯样平均直径为67 mm，检测得到的30组混凝土芯样的抗压强度部分较高，拱顶部位10组芯样抗压强度有9组的抗压强度在20 MPa以上，在5+900这一组在拱顶部位的抗压强度为14.8 MPa，未达到设计值；左、右边墙20组芯样的抗压强度指标均大于设计值15 MPa，达到设计要求。

表1 ××电站现场取样及室内试验工作量表

混凝土芯样的抗压强度部分较高，可能是因为混凝土芯样的骨料颗粒砾卵石较大；且试件在加工取样时，往往取试块的完整部分进行试验，从而导致芯样的抗压强度偏高。

2.2 水质简分析测试

取水样21组，分别取自7个不同的断面，每个断面各取3组。对21组水样分别进行了阴离子(CL-、SO42-、HCO3-、CO3-)、阳离子(Ca++、Mg++、K++Na+)、CO2、硬度、PH值等项目的测试。

地下水水质分析共完成7个断面21组，3+540、3+600、3+680、3+800 4个断面的地下水中SO42-含量介于562.43～1931.90 mg/L，具有强腐蚀性；5+616断面SO42-含量介于234.39～281.46 mg/L，具有弱腐蚀性；5+720及5+788两个断面的地下水无明显的腐蚀性。

依据国标GB50287附录K“环境水对混凝土腐蚀性评价”，判断腐蚀性等级为强腐蚀性。由于环境水对混凝土的长期作用，SO42-离子形成结晶体，从而产生膨胀压力导致混凝土破坏。如生成CaSO4·2H2O时体积就增大1倍；如生成MgSO4·7H2O时体积就增大4.3倍。因环境水强腐蚀性使腐蚀区混凝土的强度在一年内降低≥20%，所以环境水的SO42-离子严重超标是导致混凝土破坏的直接原因。

2.3 围岩岩石化学成分测试

在10个断面围岩取芯样各1组，对10组岩石进行化学成分分析。据分析结果看出，大部分岩石的化学成分以CaO为主，且含有一定量的MgO。此化学成分中的Ca、Mg如与环境水的SO42-形成结晶体，会对混凝土产生膨胀压力导致混凝土部分破坏。有两组岩石芯样中SO3含量超标，也会使混凝土的强度等受到影响。

2.4 混凝土砾石、砂浆SO3测试

在10个断面的混凝土芯样中任取其中一块，分别对砾石、砂浆进行SO3测试。砾石的SO3有二组大于0.5%(混凝土质量要求砾石的SO3应<0.5%)。而砂浆的SO3全部大于0.5%，但砂浆中含有一定量的水泥成分，水泥的SO3含量本身就较大，不能说明问题。砾石、砂浆的SO3有些超标，会对混凝土强度产生一定的影响。

2.5 混凝土砂浆化学成分测试

选有代表性的断面各取一组混凝土砂浆作化学成分测试。可以看出砂浆中的CaO化学成分含量较大，也有一定量的MgO。如Ca、Mg与环境水的SO42-生成结晶体，导致混凝土膨胀产生破坏。

3 处理措施

3.1 混凝土腐蚀原因

导致电站隧洞混凝土腐蚀变质、胀裂的原因是：环境水的SO42-离子严重超标，其强腐蚀性使腐蚀区混凝土的强度在一年内降低≥20%，最后呈泥状，失去强度；环境水对混凝土的长期作用，SO42-离子形成结晶体，产生膨胀压力导致混凝土破坏。所以环境水是导致混凝土破坏的直接原因。

3.2 处理措施

(1)对腐蚀混凝土洞段，选用高抗硫抗腐蚀水泥[2](P.HSR32.5)重新浇钢筋混凝土，并进行回填和固结灌浆。

(2)对受损暂未发现明显变形的区段或已产生纵向裂缝的洞段采用高抗硫水泥进行固结灌浆，并利用灌浆孔设置锚杆(一半采用普通锚杆，直径Ф22，长度2.5 m；一半采用直进式中空注浆锚杆，直径Ф25，长度2.5 m)。

(3)对混凝土的细小裂缝选用具有亲水性的化学物质进行化学灌浆处理。对1～5 mm的裂缝，由于裂缝宽度较小，采用化灌封堵，5～25 mm裂缝拟采用环氧水泥砂浆嵌缝的方式封堵裂缝。

(4)对底板、侧墙、受损严重的部位采用高抗硫水泥拌制混凝土进行置换处理，拱圈部分在非过水断面可采用加厚支护的办法，置换时采用钢筋混凝土。

对隧洞混凝土腐蚀变质较明显边墙顶拱洞段，以及开裂变形较大边墙顶拱段采用置换、固结灌浆、化学灌浆处理后，经过10年的安全运行，未再出现混凝土腐蚀变质等情况。实践证明，采用高抗硫水泥能够有效治理环境水等导致混凝土腐蚀。

4 结 语

通过混凝土芯样强度分析、砾石和砂浆硫化物分析、岩石化学成分分析，并在钻孔处取渗透水水样作水质简分析测试，查明隧洞混凝土发生腐烂变质原因为环境水中的SO42-离子严重超标，其强腐蚀性使腐蚀区混凝土的强度在一年内降低超过20%，最后呈泥状，失去强度；变形开裂的原因为SO42-离子形成结晶体，生成二水石膏等，产生膨胀压力导致混凝土破坏。故环境水中SO42-离子是混凝土腐蚀的根本原因。经实践证明，通过科学的方法全面分析混凝土腐蚀变质、变形开裂的可能原因，再对症采用抗环境水侵蚀的高抗硫水泥，进行腐蚀混凝土置换，鼓胀开裂段固结灌浆及微小裂缝的化学灌浆等处理方法，能够有效治理环境水硫酸根离子超标等导致混凝土腐蚀问题。

因电站处于运营阶段，为尽量减少电量损失，仅对隧洞混凝土腐蚀变质较明显边墙顶拱洞段，以及开裂变形较大边墙顶拱段进行处理。处理后每年枯水期对整个隧洞进行年度检查，发现经过处理的洞段未出现混凝土腐蚀变质等情况，效果良好，可供同类工程参考。