西藏水利工程劣化现状及防护 措施研究进展

　　西藏地区地理位置独特，地质气候复杂，自然环境恶劣。与其他地区相比，西藏地区的主要特点是严寒干燥、紫外线辐射强烈、曰温差大、大风频繁、深覆盖层冻土,且西部地区水利工程一般规模大、泄洪建筑物受高速含砂石冲刷严重。从长江科学院与西藏水利水电规划勘测设计研究院联合调查结果看，西藏水利工程常见的破坏因素有裂缝、冻融、碳化与钢筋锈蚀、碱骨料反应、化学腐蚀、盐类侵蚀、渗漏溶蚀等。在这些破坏因素的耦合作用下，混凝土和金属结构的使用寿命大为缩短，进而威胁到水工结构的安全。

　　2.1冻融破坏

　　混凝土的冻融破坏是混凝土耐久性劣化典型表现之一。引起混凝土冻融剥蚀的主要原因是混凝土微孔隙中的水在温度正负交互作用下，形成冰胀压力和渗透压力联合作用的疲劳应力，从而使混凝土产生由表及里的剥蚀破坏，并导致混凝土结构强度降低，影响建筑物的安全3。混凝土冻融循环产生的破坏作用主要表现为冻胀开裂和表面剥蚀。一般水工混凝土的冻融破坏，在其表面都可看到裂缝和剥落[4-]。混凝土建筑物所处的环境凡有正负温交替变化且混凝土内部饱水时，混凝土都会产生冻融作用导致的破坏，特别在泄洪洞、尾水出口等部位，受到冻融破坏及高速水流冲刷的双重作用，结构表面混凝土剥蚀脱落严重。频繁的冻融变化对水工建筑物施工期及建成运行管理期管理均造成很大影响。

       2.2冲刷磨损

　　西藏地区气候干燥、湿度非常低，易造成混凝土的失水收缩，形成表面裂缝。同时，曰温差大造成混凝土表面热胀冷缩，由于混凝土导热系数相对较小，受内部混凝土的约束，表面易形成微细裂缝。并且高寒地区几天有的甚至一天就形成一次冻融循环，表面混凝土经过多次反复的冻融循环后，出现胀裂症状，混凝土性能开始劣化。与此同时，若收到水流作用，极易剥离、脱落。如此反复发生，由表及里，最终导致混凝土的破坏。

　　2.3渗漏溶蚀

　　渗漏溶蚀现场调研发现，西藏地区水利工程混凝土的溶蚀情况比较严重。大量的渗漏水，不但会使水利效益受到影响，更重要的是将会对水工混凝土建筑物本身产生破坏，甚至影响建筑物的稳定和安全。

　　2.4碳化

　　混凝土碳化使混凝土的pH值降低，导致混凝土中的钢筋脱钝，引起钢筋的锈蚀。混凝土碳化后的孔结构改变，影响混凝土与侵蚀离子的化学结合能力，从而影响到混凝土结构的耐久性。混凝土碳化是一般大气环境下混凝土中钢筋脱钝锈蚀的前提条件。调研中各电站都存在不同程度的碳化现象，存在冻融破坏的部位碳化现象更为严重，低海拔地区如林芝地区的水电站碳化现象不明显。

　　2.5金属锈蚀

　　调查中发现，曰喀则地区某水库有多处钢筋出露(见图1),钢助出露最大长度达10cm,钢助直接暴露在空气中，锈蚀较严重。形成钢筋出露的主要原因是混凝土保护层厚度不够，加之西藏地区强烈的温差加剧了钢筋与混凝土变形的不协调性，反复作用致使表面混凝土保护层脱落，钢筋直接与空气接触，加剧钢筋锈蚀。混凝土的破坏原因不仅取决于外部环境的作用，而且还取决于混凝土本身的性能及其外部的保护措施。要提高混凝土结构的耐久性，进行腐蚀防护，有改善钢筋混凝土的自身结构和对混凝土进行表面防护两类不同的方法。

　　3.1完善筑坝材料及筑坝技术

　　为了降低混凝土的冻结破坏，提高混凝土的抗冻性，降低混凝土中毛细管孔隙率，减少混凝土用水量，降低水灰(胶)比，采用高效减水剂和固体减水剂(如I级粉煤灰)都是有效的措施。长江科学院近年来相关研究成果如下：

　　(1)掺入外加剂。影响混凝土抗冻性的最主要的因素不是强度，而是硬化混凝土的气泡参数。气泡间距系数约为0.025cm时，可有效地提高混凝土的抗冻性6。对于长期处于潮湿和严寒环境中的水工建筑物，为了确保混凝土有良好的抗冻融耐久性，在混凝土中掺入适量的引气剂，通过引入的小气泡切断毛细管的通路，降低毛细管作用，从而提高混凝土的抗冻性。此外，混凝土外掺膨胀剂MgO后，其弹性模量与未掺时基本相当，极限拉伸值和干缩率有小幅降低，自生体积变形从收缩转为微膨胀7"8。由此可知，外掺MgO在一定程度上可改善水工混凝土的变形特性，提高其抗裂能力。

　　(2)掺入纤维。水工混凝土掺入改性聚乙烯醇纤维或聚丙烯纤维，可有效抑制裂缝的产生和扩展，从而提高混凝土抵抗塑性开裂的能力9。单掺玄武岩纤维、聚丙烯腈纤维、高性能异性塑钢纤维均能明显抑制抗冲磨混凝土的自生体积收缩10。掺钢纤维有利于提高混凝土的初裂强度、抗折强度、等效抗折强度，大幅提高其承载能力变化系数和弯曲韧度值，使其具备更好的延性和抵裂性。

　　(3)加入掺合料。研究粉煤灰对复合胶凝材料硬化浆体微结构的影响，发现粉煤灰掺入后，硬化浆体的早期微观结构较疏松，养护期间产生大量低Ca/Si的C-S-H凝胶，促使复合胶凝材料硬化浆体变致密[13-14。掺粉煤灰和磷渣后，混凝土弹性模量略有降低，都能在_定程度上改善混凝土的后期抗渗和抗冻性能[15]。两者对比，掺磷渣碾压混凝土的早期抗裂能力较低，但后期抗裂能力明显比掺粉煤灰碾压混凝土高(4)在施工工艺方面，需要注意对于要求具有较高抗冻融性的上下游外露引气混凝土，应严格控制振捣时间，尤其不能采用高频机械振捣;严格控制混凝土入模温度;混凝土拆模前后均应采取可靠的保温措施;混凝土拆模时间宜迟不宜早;不宜采用洒水养护;抗裂钢筋直径宜细，间距宜小。

　　3.2采用表面涂层防护技术

　　长江水利委员会长江科学院、中国水利水电科学研究院和南京水利科学研究院针对不同区域影响水工混凝土耐久性的水文地质气候影响因素，联合研制开发了一系列防渗抗裂、抗冲磨、抗老化和金属侵蚀防护性能的有机防护涂层材料。

　　(1)CW820系列聚天冬氨酸酯聚脲/纳米SiO2混凝土表面抗冲耐磨防护材料。采用与混凝土粘接良好的环氧胶泥作为底层材料，界面剂作为中层材料，配合高弹性、耐冲磨和耐候性优异的聚天冬氨酸酯聚脲/纳米SiO:复合材料作为面层，构建性能优异的三层抗冲耐磨综合体系。

　　(2)CW610系列水性环氧树脂/纳米Si〇2复合涂层材料。通过纳米材料的复合增强作用，有效提高涂料自身力学性能及其抗老化性、耐磨性等对混凝土的表面防护性能。

　　(3)新型有机-无机杂化复合抗老化涂层材料。选用耐久性好的无机聚合材料，在其分子结构中引入疏水、不开裂的含氟有机高分子形成纳米杂化结构，制备出具有优异疏水性和耐久性的新型有机-无机杂化复合抗老化涂层材料。

　　(4)新型乙烯基酯树脂富锌金属结构防腐蚀涂层材料。通过分子结构设计合成，具有与金属附着力强、抗氯离子渗透性好、耐老化性好等优点。

　　3.3小结

　　(1)西藏地区水利工程劣化防治可从完善筑坝材料及筑坝技术、采用表面涂层防护技术两方面入手。

　　(2)可通过掺外加剂、纤维、掺合料等方法来改善钢筋混凝土自身性能。

　　(3)水工混凝土表面涂层可阻止腐蚀介质的渗入，延长钢筋混凝土使用寿命。

　　4研究趋势

　　上述已研发的混凝土保护涂层材料在工程实际中起到了保护水工混凝土的作用，但不一定能适应西藏地区特殊的水文地质气候条件。针对西藏地区低温寒冷、昼夜温差大的特点，还需从以下几个方面入手作进一步研究：

　　(1)劣化机理研究。结合西藏地区环境特点，从分析混凝土组成材料及配合比设计等方面入手，试验研究高寒、大温差、强辐射、低湿度等特征环境条件下混凝土的力学、变形、耐久性能，揭示特征气候影响混凝土耐久性设计指标的内在规律和主导因素。

　　(2)改善筑坝材料。针对西藏地区特殊水文地质气候条件，进_步改善筑坝材料，提高水工混凝土材料的耐候性。

　　(3)表面防护措施。优选涂层材料，从配方设计入手进行材料和施工工艺优化，提高材料的综合性能，尤其是抗冻性和耐冲磨性能，以期适应西藏地区特征气候条件。

　　(4)建立坝体病变的预警模型。应用精细数值分析方法反演环境条件、施工工艺、温控措施对坝体温度场、应力场的影响规律，对结构的强度、稳定及耐久性等进行深入研究，建立坝体病变的预警模型，评估运行风险，提出改善耐久寿命的综合措施。

　　(5)编制西藏地区筑坝材料耐久性设计和施工指南。通过研究现行技术标准用于西藏地区水库大坝工程建设的适应性，提出西藏地区筑坝材料耐久性设计和施工指南推荐稿。