（水利工程专业论文）输水洞老化病害机理分析及治理技术研究.pdf

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较全面、准确地分析和解决输水洞老化病害破坏问题。本方法具有技术先进、 质量可靠、投资省、分析内容丰富，分析速度快等特点，对输水洞的除险加固 具有实际的指导意义，可在水利部门及类似部门推广应用。 关键词：输水洞，老化病害，病害检测技术，修补加固，治理措施 山东大学i 程硬士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nt h ea n a l y s i sm q dc o n t r o lt e c h n i q u e so fa g e i n g i l l n e s sm 匝c h a 】m s mn 叮w a t e rc o n v e y a n c ec a v e r n s i nt h ep a p e r ，i nv i e wo ft h ec o m m o np r o b l e m so fd e s t r u c t i v ei l l n e s s a n da g e i n gi l l n e s se x i s t i n gi nw a t e rc o n v e y a n c ec a v e r n s ，t h ea u t h o rs u m s u pt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fd e s t r u c t i v ei l l n e s sa n da g e i n g i l l n e s sa n dt h er e s e a r c ha d v a n c eo fp r e v e n t i o na n dc o n t r o lm e a s u r e sa n d i t sd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo fw a t e rc o n v e y a n c ec a v e r na th o m ea n da b r o a d l i n k i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t hp r a c t i c et h r o u g hi n d o o re x p e r i m e n t a n di n s p e c t i o na n ds i t ei n v e s t i g a t i o na n ds t u d y ，t h ea u t h o ra n a l y s e s t h eo b s e r v e d d a t ao fv a r i o u sa c t u a lp r o j e c t si ns h a n d o n gp r o v i n c e ， d i s c u s s e st h er o l eo ft h ew a yo fi l l n e s sa n a l y s i sa n di n s p e c t i o na n d i m p r o v e m e n ti nh y d r op r o j e c t sa n di t sa i ma n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n d c o n t e n t s ，m a k e sat h o r o u g hs t u d yo ni l l n e s sm e c h a n i s ma n dp r e v e n t i o n a n dc o n t r o lm e a s u r e si nc o n c r e t ec a v e r n sf o rw a t e rc o n v e y a n c e i nt h e 1 i g h to ft h es t a t u sq u oo fi l l n e s sc o n t r o lm e a s u r e si ne x i s t i n gw a t e r c o n v e y a n c ec a v e r n si ns h a n d o n gp r o v i n c ea n da c c o r d i n gt ot h er e l e v a n t s t a n d a r dd e m a n d sa n da p p ll e dc o n d i t i o n so fp r o j e c t sa n de x i s t i n g p r o b l e m sa tp r e s e n t ，t h ea u t h o rs u m su pt h ei l i n e s sm e c h a n i s ma n dc o n t r o l m e a s u r e so fw a t e rc o n v e y a n c ec a v e r n si nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，m a k e sa s t u d yo ft h ed e s t r u c t i v em e c h a n i s mo fc o n c r e t ec a v e r n s ，a n a l y s e st h e d e s t r u c t i v ec a u s ea n dc o u r s eo f f o r m a t i o n ，a d o p t st h ea d v a n c e d t h e o r e t i c a lm e t h o d sa n du t i l i z e dt e c h n i q u ei nt h ef i e l do fb a s i cs c i e n c e a n da p p l i e ds c i e n c e ，p u t sf o r w a r dt h eb a s i ct h o u g h t sa n dc o n t r o lp l a n s f o ri l l n e s sa n da g e i n gc o n t r o lm e a s u r e so fw a t e rc o n v e y a n c ec a v e r n s ， a n da l s op u t sf o r w a r dt h er e l e v a n tt r e a t m e n tm e a s u r e si np r a c t i c a l p r o j e c t sf o rm e e t i n gt h ec o n c r e t ed e m a n d so fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a n dm a n a g e m e n tu n i t s t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o ni np r o j e c t sa n d 2 山东大学i 程硕士学位论文 m o d i f i c a t i o na f t e rc h e c k i n gu pi t sa v a i l a b i l i t yr e p e a t e d l y ，i tf o r m s as e to fc o m p r e h e n s i v em e t h o d sf o ri l l n e s sa n a l y s i sa n di n s p e c t i o na n d c o n t r o li nw a t e rc o n v e y a n c ec a v e r n s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp r a c t i c a lp r o j e c t s ，i tt e s t sa n dv e r i f i e d t h ef e a s i b i l i t ya n du t i l i t yo ft h ec o m p r e h e n s i v em e t h o d so fi l l n e s s a n a l y s i sa n di n s p e c t i o na n dc o n t r o li nw a t e rc o n v e y a n c ec a v e r n st h a t t h ea u t h o rp u t sf o r w a r d f r o mt h em e t h o d sa n dr e l e v a n tt r e a t m e n t m e a s u r e sr a i s e di nt h i sp a p e r ，i tc a na n a l y s e sa n ds o l v e st h ei l l n e s s a n da g e i n gp r o b l e m si nw a t e rc o n v e y a n c ec a v e r n sm o r ea c c u r a t e l y f o r i t sc h a r a c t e r i s t i c s i ti so fa d v a n c e dt e c h n i q u ea n dr e l i a b l eq u a l i t y a n dr i c ha n a l y s i sc o n t e n ta n ds a v i n gi n v e s t m e n t i ti so fd i r e c t i v e s i g n i f i c a n c ef o r t h es t r e n g t h e n i n ga n dd a n g e rr e m o v a li nw a t e r c o n v e y a n c ec a v e r n s i tc a nb ea p p l i e da n dd i s s e m i n a t e di nu n i t so f w a t e rr e s o u r c e sa n dt h es i m i 】a ru n i t s k e yw o r d s ：w a t e rc o n v e y a n c ec a v e r n ，a g e i n gi l l n e s s ，i l l n e s s i n s p e c t i o nt e c h n i q u e ，p a t c h i n g a n d s t r e n g t h e n i n g ， i m p r o v e m e n tm e a s u r e 山东大学i 程硕士学位论文 输水洞老化病害机理分析及治理技术研究 1 前言 1 1 概述 1 1 1 研究的目的和意义 截止到1 9 9 3 年底，我国兴建各类水库8 4 万余座，其中土石坝占9 6 以上， 输水洞作为水库的枢纽工程之一，承担着输送库水供灌溉、发电、城乡供水的 作用，另外还兼有泄洪和腾空库容的功能，是水库枢纽中运用最频繁的建筑物。 根据全国病险水库安全鉴定资料分析，输水洞老化病害破坏现象较为普 遍。按照我省的统计资料，当前各类水库中，7 0 的输水洞存在较为严重的质 量问题，特别是在二十世纪五，六年代建设的工程，由于建设时期的特殊性， 工程建设存在设计缺陷、施工质量未严格控制，工程管理水平低下及自然老化 等问题，经过多年的运行之后，相当数量的输水洞长期处于带病运行状态，不 仅严重影响工程的正常运转，而且直接威胁到大坝乃至水库的安全。如长清县 崮头水库原东输水洞，1 9 7 3 年6 月曾因洞壁渗漏发生渗流破坏；临沭县后湖子 水库输水洞，因洞外渗漏于1 9 7 4 年7 月3 0 日输水洞被冲垮，造成溃坝事故。 对我省三十多座大中型水库所作的输水洞现场检查统计资料见表i - - 1 “。因 此，针对输水洞存在的各类质量隐患，寻求经济有效的防老化和病害治理方法， 是水库运用管理中亟待解决的问题。 当前，全国范围内大中型病险水库的除险加固正在进行中，对输水洞的老 化病害机理进行科学、系统的分析，并提出具体的工程治理措施是非常必要的。 本文针对输水洞中比较突出的破坏病害，研究了混凝土输水洞的破坏机理，分 析了破坏成因和过程，并提出了相应的工程处理措施，对输水洞的除险加固具 有实际的指导意义。 1 l2 研究方法和内容 研究方法是以现有的工程理论为基础，采取现场调研、检测、室内试验、 理论分析和实践相结合的方法，综合分析所实施的各种实际工程的实测资料， 归纳出输水洞的病害机理及防治措施，然后应用到工程中去，由工程的实际效 果来检验其准确性，对它进行修改完善，将形成的新的设计方法再次应用到实 际工程中接受检验，进一步对它进行修改完善，经过如此反复，形成一套比较 完整的输水洞病害分析、检测、治理一套完整的方法。 本文的主要内容包括： 4 山东大学i 程硕士学位论文 ( 1 ) 输水洞老化病害破坏形式及原因分析； ( 2 ) 病害检测技术的研究 ( 3 ) 输水洞修补加固主要措施及存在的问题等。 1 2 国内外发展状况“枷 对于混凝土老化问题，国外重视得很早，原苏联早在上世纪2 0 、3 0 年代 就开始了这项研究，并将混土的溶蚀破坏形象地称为“白死病”。认为任何以 波特兰水泥制作的混凝土建筑物，都必然经受石灰的浸析作用，并在一定期限 内丧失全部胶结件能而遭受破坏”。美同从上世纪4 0 年代结合大坝工程也曾进 行过这方面的研究。我国在混凝土溶蚀方面的研究工作开展的较晚，7 0 年代后 期7 0 年代后期、结合“双掺防渗墙混凝土耐久性的研究”我们在国内较早地 开展门混凝土的溶浊试验。但是无论国外还是国内，对混凝土土仍属初步阶段， 为此在8 0 年代末，国家自然科学基金重点项目“水工混凝土建筑物老化病害 的评估和防治”，我们省又进行了相关研究，取得了很大成果。 山东大学i 程硕士论文 2 输水洞老化病害形式及原因分析 据对省内3 0 多座大中型水库输水洞的实地调查，均不同程度地存在病害， 分析其病害表现，影响其安全性、适应性和耐久性的主要病害表现如下：混凝 土裂缝、混凝土渗漏溶蚀、空蚀破坏、混凝土碳化及钢筋锈蚀等。 2 1 裂缝 根据国内外调查资料，在工程实际中输水洞裂缝多为环向裂缝，也有少数 纵向裂缝，裂缝原因属于因变形为主的占8 0 ，属于因荷载为主引起的占2 0 ，实际上裂缝产生荷扩展通常是由于变形、荷载共同作用的结果，且相互使 用，但就导致裂缝的原因前者是主要的。 环向裂缝有全环裂缝和局部环向裂缝。裂缝贯通管壁的将产生漏水，有的析 出铁锈水，也有白色钙质水。据对山东省3 0 多座大中型水库输水洞进行调查， 发现产生裂缝的占8 0 以上。从裂缝部位看，绝大多数为环向裂缝。上述裂缝 总数达2 6 7 条，其中纵向裂缝仅有7 6 条。 图片2 1 裂缝 2 1 1 裂缝的危害 洞( 管) 身裂缝是坝下涵洞最常见的一类病窖，不同性质的裂缝对输水洞 的危害程度不一，严重的裂缝， 如纵向裂缝，可能导致结构的整体破坏， 而环向裂缝会产生严重漏水、射水，特别是坝下埋管式涵洞，裂缝会形成洞 璧内外渗漏通过，导致工程渗流破坏，其危害性极大。另外，洞壁混凝土裂缝 出东大学i 程硕士论文 还会引起其它病害的发生和发展，如导致洞壁混凝土的渗漏溶蚀，加速混凝土 的碳化和钢筋锈蚀等，形成恶性循环，对工程的耐久性产生较大危害。因此，对 洞身裂缝的危害和潜在威胁应引起充分重视。 2 1 2 裂缝类型与鉴别 输水洞裂缝可归纳为纵向裂缝和环向裂缝两大类，按其成因分类有应力 缝、温度缝、沉陷缝、干缩缝、施工缝；按裂缝发展的程度又可分为非贯穿性 的浅、深层裂缝和贯穿性的断裂缝等。通过对裂缝的肉眼观察并借助读数显微 镜，超声波检测等方法，可明确裂缝走向、宽度和深度，借助温度计、百分表 ( 千分卡尺) 或裂缝计等可测出裂缝的变化，依据裂缝的特征和结构受力分析， 可确定裂缝成因类型。输水洞各类裂缝分类与特征参见表2 1 “”。 表2 1输水洞裂缝的分类及特征 分类特征 纵向缝，压力衬管裂缝与环向受力筋基本垂直，潜层或贯穿性的，拱涵裂 应力缝 缝与拱轴线垂直，裂缝表面宽，且沿缝深变化显著。2 、裂缝受温度变化影 响较小。 l 、环向缝，缝宽冬宽夏窄，受温度变化影响；2 、裂缝有浅层的，贯穿性 温度缝 的；3 、衬管环向缝多呈上宽下窄，且沿长度方向缝宽变化较小：4 、裂缝 沿洞长分布较有规律。 1 ，多属贯穿性裂缝，走向与沉陷走向一致；2 、环向缝，缝宽受温度变化 沉陷缝 影响较小；3 、裂缝宽度超过管身节长年温差变化的自由伸缩量：4 、不均 匀沉陷裂缝，洞顶洞底缝宽差异大；5 、管( 洞) 身错位。 干缩缝属表层缝，以环向短缝较多，发丝断裂。 1 、裂缝属深层或贯穿性的，走向与工作缝面一致；2 、缝宽较小，沿缝深 施工缝 无明显变化。 2 1 3 裂缝成因 我省水库输水洞发生洞身纵向裂缝的实例较少，调查的输水洞压力衬管 因荷载过大出现纵向裂缝的有西苇水库输水洞，是因水锤压力引起的；当然 也有因施工冷缝导致纵向裂缝的，如昌里水库坝下涵洞。但输水洞出现环向裂 缝的工程则相当普遍，约占调查总数的3 4 ，究其原因主要有如下几点： ( 1 ) 我省水库输水洞多建在岩基上，洞身一般未做纵向和配筋验算，多 数涵管纵向配筋率仅1 o 左右，低于最小配筋率的构造要求，涵洞、衬管纵向 9 凼东大学i 程硕士论文 承受附加的温度、沉陷变形能力； ( 2 ) 有些输水洞洞身未设置伸缩缝，有的设置的伸缩缝的距离偏长，如 2 0 m 、3 0 m ： ( 3 ) 涵洞、衬管与基座间未设置隔离层，基座约束限制了管身的温变的 自由伸缩： ( 4 ) 坝下涵管外荷载纵向分布不均匀或突变，基座承载不均加之砌筑质 量差，基础产生不均匀沉陷； ( 5 ) 廊道压力衬管纵向荷载分布均匀，但受气温及衬管温差变化影响显 著，加之管身受基座约束，衬管纵向产生较大的温度应力； ( 6 ) 施工质量差，水灰比过大，均匀度差，施工缝未认真处理，养护不 及时，表面干缩等。 2 1 4 裂缝处理 ( 1 ) 纵向裂缝：属结构受力的纵向裂缝需加固处理。除根据荷载要求进 行整体加固补强外，常规的裂缝处理方法是用环氧材料灌注充填缝隙，将原结 构粘结成整体，以调整和改善洞壁混凝土的受力状态，同时还应增强裂缝部位 对加载后变形的能力。处理方法可在缝口凿深l c m 、宽3 c m 的槽，清除渣末， 丙酮除油，涂环氧基液，用环氧砂浆找平，见图2 1 。 田2 - - 1飘向结构鞋处理 ( 2 ) 环向裂缝：多属温度、沉陷裂缝。温度缝宽度随温度升降而缩扩， 沉陷缝宽度一般随时间推移丽发展。对于此类活性( 非稳定性) 的环向断裂缝 的主要危害是导致涵洞、衬管严重渗漏和射流，但它在一定程度和范围内具有 消减和调整洞身纵向应力的功能，因此，裂缝处理后应保证防渗止漏并具有适 应变形的性能。 处理廊道压力衬管环向裂缝可根据需要按弹性裂缝或伸缩缝处理。见图2 - 2 、图2 3 。 嵌缝材料种类较多，使用嵌缝材料前应将槽内清洗干净、烘干，然后在两 槽壁涂刷粘结剂，再分层嵌入pu2 材料( 或其它类似嵌缝材科) 至设计厚度， 待完全固化后进行表层防护。聚氨脂灌浆材料，如h 水溶性聚氨脂，与水有良 山表大学i 程硕士论文 好的混溶性具有良好的弹性，抗掺性和遇水膨胀性适宜伸缩变形缝的堵漏防 渗。 图瑚弹性缴睡 佃曲坩由 啪伸维敞睫 e 埔 处理坝下埋管输水洞的环向裂缝，由于存在外渗条件，槽内界面难于保持 于燥，嵌缝材科宜嵌入遇水膨胀橡皮条，其体积膨胀率达3 0 0 ；同时还应采 取其它相应的防渗措施，以保证界面粘结和防渗功能。 对于变形已稳定的沉陷缝，可按刚性缝处理，处理方法参见纵向缝处理， 其开槽宽度应适宜加宽。至于属于非贯穿性的温度缝，由于输水洞本身基座约 束条件难于改变，亦宣按弹性缝处理，主要用于缝内钢筋的防腐。 2 2 混凝土渗漏溶蚀 有的土石坝下埋设的输水洞内渗水区、渗水带和漏水点大量存在，严重的部 位呈现射流现象。有的也渗出铁锈水，且有白色钙质析出，降低管壁混凝土强 度。有的钢筋锈蚀，管壁周围坝体已出现空洞，直接危及土石坝安全。 图片2 - - 2渗漏溶蚀 由东大学i 程硕士论文 2 2 1 混凝土溶蚀机理与危害“” 渗漏溶蚀是渗漏水对洞身混凝土内部产生的溶出性侵蚀，是输水洞常见 附病害之一，尤其是那些施工质量( 均匀性) 差，长期处于坝体浸润线之下的坝 下埋管式输水洞更为严重。如前所述，涵洞内外形成的渗漏通道可能造成工程 失事，同样，混凝土因内部的渗漏可能导致混凝土自身的溶蚀玻坏。众所周知， 在混凝土中形成胶结作用的主要是水泥产物，如水化硅酸钙、水化铝酸钙、水 化铁铝酸钙以及氢氧化钙，而足够的氢氧化钙又是其它水化产物凝聚、结晶和 稳定的保证。 但是，在以上水化产物中氢氧化钙在水中的溶解度较高，在正常情况下混 凝土毛细孔中均存在饱和的氢氧化钙溶液，因此渗漏水不断会把硅中的氢氧 化钙溶出带走，其中一部分与空气中的c 0 2 反应形成白色碳酸钙结晶残留在 混凝土外壁，另外大部分流失。由于混凝土中氢氧化钙的不断溶出，破坏了水 泥其它水化产物稳定存在的平衡条件，而引起水化产物的分解，并导致混凝 土性能的削弱。括前苏联资料介绍，当混凝土中总的氢氧化钙含量( 以c a o 量 计算) 被溶出2 5 ，混凝土的抗压强度要下降5 0 9 6 , 而当溶出量超过3 3 时，混 凝土将失去强度而松散破坏，对渗漏溶蚀的危害切不可掉以轻心。 除此而外，渗漏还会加速混凝土内部钢筋的锈蚀，据现场调查，在混凝土 裂缝部位或在止水失效的伸缩缝周围，常出现带有锈斑、锈纹的褐红色钙质结 晶物，钢筋锈蚀和混凝土溶蚀破坏形成连锁反应和恶性循环。 2 2 2 渗漏溶蚀成因 输水洞渗漏溶蚀多与下列因素有关： ( 1 ) 输水洞长期承受外力压力作用，如坝下涵洞长期处于坝体浸润线以下， 当坝体与涵洞接触部位土体不实，容易形成坝体渗漏薄弱部位，并导致涵洞外 水压力增加。 ( 2 ) 混凝土施工质量差，密实度低，特别是局部存在蜂窝狗洞等内部缺陷， 容易引起水在混凝土中的渗漏，如昌里水库坝下涵洞局部渗水区达6 4 处，面积 约3 0 r e ，均属混凝土浇筑质量问题。 ( 3 ) 洞身混凝土裂缝，特别是贯穿性的裂缝是造成集中渗漏的原因。 ( 4 ) 止水失效的伸缩缝处，也是渗漏的通道，且随温度的降低，或者水头 增加，渗漏溶蚀越加严重。 山末大学i 程硕士论文 2 2 3 渗漏病害处理m 1 ( 1 ) 压力灌浆 对于坝下涵洞的渗漏治理，常采用洞外接触灌浆的方法处理，以封堵洞外 渗漏通道。并降低外水对洞壁混凝土的渗透压力。石店水库、昌里水库等输水 洞均采用了该种方法，并取得防渗漏的良好放果。这对于长期存在渗漏问题的 坝下埋管式输水洞，不失为消除坝体隐患，确保坝体安全的重要手段。对于洞 身混凝土补强的压力灌浆方法，一般在洞内布孔，分序灌浆，根据孔位、坝体材 科和排水固结条件等综合因素选用浆材和控制灌浆压力。如选用粘土浆或不 同水泥掺量的水泥粘土浆等，具体灌浆方法从略。 ( 2 ) 混凝土局部主渗漏( 点渗区) 处理 对于多渗漏点的局部渗漏区，可将渗区范国( 稍大5 l o c m ) 内混凝土凿除 深5 6 c m 槽，槽口呈倒梯形，见图2 - - 4 。将槽内清洗干净，若槽内无渗水( 空 库时处理) ，先在界面涂一薄层水泥净浆，然后分层批抹压实微膨胀防水水泥砂 浆或主模浇筑微膨胀防水小石混凝土，并做好早期养护。若槽内有微渗( 水库 蓄水期处理) ，则应在界面上采取特殊的喷涂工艺，先解决界面微渗问题，然 后分层压抹微膨胀防水水泥砂浆。修复材料选用水泥基材料，成本低，自身有 微膨胀性，利用原混凝土边界、钢筋约束和修复材料自身的膨胀性，使新浇注 的微膨胀水泥砂浆( 或小石混凝土) 产生预压应力，增加边界的粘结强度和结 构的致密性，并可抵消因温度、干缩等原因在新旧界面和修复材料自身产生的 拉应变。修复材料由于掺入适量的外加剂，故具有良好的抗身性。1 9 8 9 年5 月昌里水库输水洞点渗区曾采用上述方法( 空库时) 处理，其材料参考配方见 表2 - - 2 。 。 表2 - - 2 微膨胀防水水泥砂浆配比 水( 水玻高效 4 2 5 # 水泥砂 膨胀剂引气剂 璃)减水剂 12o 4 o 5l o 1 3 o 2 5 0 7 5 万 ( 3 ) 裂缝、止水失效的伸缩缝渗漏处理 在输水洞中伸缩缝止水断裂、老化和漏水也是常见的破坏形式。例如湖 北省道观河水库土石坝南干渠输水洞于1 9 6 8 年建成，为钢筋混凝士压力圆管， # 蛋2 - - 4量点渗医赴理 山东大学i 程硬论文 管长1 2 1 m ，内径1 4 m ，伸缩缝中有2 条破坏，其中一条漏水，另一条沥青外。并 老化成黑色粉末。北干渠输水压力洞内径2 1 m ，干管长为l o l m ，内有两条伸缩 缝完全破坏，紫钢片外露断裂，另一条伸缩缝沥青外露，环向漏水。伸缩缝渗漏 处理参见前环向裂缝处理。 2 3 侵蚀破坏 输水洞在水利水电工程中承担着输、泄水的任务，在经过多年的运行之后， 大多呈现出不同程度的病害，其中比较常见的有高速输水洞中的气蚀破坏、高 含沙量输水洞的冲磨破坏，此外，在低速( 流速低于5 m s ) 输水洞中，洞壁混凝 土受到环境水的侵蚀破坏相对又较为突出。 图片2 3 侵蚀破坏 2 3 1 侵蚀过程及机理“” 分析输水洞受到环境水( 包括输送水流和地下水) 的侵蚀，与输水洞的材料 性能、工程施工质量以及环境水的侵蚀性等因素有关。笔者在对大量的混凝土 腐蚀研究成果的分析基础上，结合实际工程中输水洞侵蚀破坏检测分析，认为 输水洞的侵蚀破坏，从物理破坏角度来看可分为两个类型：洞身表层混凝土的 侵蚀和洞壁内部混凝土的侵蚀。而从化学角度来看，也可分为两种类型：第一是 溶蚀破坏，即水直接溶解水泥石中的可溶组分，水泥石组分被分解并从洞壁混 凝土结构中析出：第二是水中含有其他侵蚀性介质或离子同水泥组分间发生化 学反应，生成的反应产物易于溶解析出，或是留在原处。但却失去了原有物质的 山东大学i 程硕士论文 胶凝性。但无论是哪一种类型的侵蚀破坏，都会改变洞身混凝土的化学组份和 物理性能，使其强度降低并引起整体或局部破坏。 ( 1 ) 第一类侵蚀破坏机理 当环境水中不含或少含侵蚀性介质或离子时，往往只会发生溶蚀破坏。即 水泥石中的ca ( oh ) 2 最易溶解，被溶解的ca ( oh ) 2 在溶液中逐渐达到饱 和浓度而使得水泥石水系统处于溶解平衡状态，此时溶解破坏停止。但是，输水 洞中的水流以及穿壁渗漏水流是运动的，不断地将溶解的ca ( o h ) 2 带走，从 而使得这种平衡状态不断地被打破，或根本不可能建立平衡，溶蚀破坏不停地 发生。对于穿壁渗漏来说，水泥石中的ca ( 0h ) 2 不断地被溶解析出，并使水 泥石的孔隙率增加，渗漏量加大，溶蚀破坏速度有加快的趋势。另一方面，随着 水泥石中的ca ( oh ) 2 的析出，水泥石中的其他水合物，如水合硅酸盐、水合 铝酸盐等也开始水解。当ca ( oh ) 2 的浓度进一步降低时，硅酸盐也会因水解 而完全破坏。事实上，在水泥石还没有完全破坏之前，混凝土会早已丧失应有的 强度而遭到破坏。有研究表明，当混凝土中的石灰cao 浸析1 0 ( 按原始水泥 用量计算) 之后，混凝土的强度迅速下降，而且水泥石在混凝土中的状况也不稳 定，在外部荷载因素的作用下很容易破坏。 ( 2 )第二类侵蚀破坏机理 环境水中存在一定量的侵蚀性的介质或离子时，洞壁混凝土就易受到第二 类侵蚀。实际输水洞常遭到的第二类侵蚀是碳酸水侵蚀。一方面，水中的co 2 ，h 2 co3 等与混凝土表面水泥石中的ca ( oh ) 2 发生中和反应，生成难溶 于水的反应产物cac03 ，沉淀在原处形成致密的薄层，阻止了侵蚀进一步发 展。但是，沉淀的cac03 难溶于水是相对的，仍有微量的cac0 3 溶于水 中。另一方面，水中的c0 2 会发生以下的化合电离过程：c0 2 + h 2 0 = h 2 c0 3 ，h 2 c03h + + h co 一32 h + c0 2 - 3 若水中的h + 增加，促使c0 2 - 3 转变为hco 一3 ，h co 一3 转变成h 2 c0 3 ，使游离的c0 2 增加：若h + 减少， 则向相反的方向转化。因此，水中的c0 2 含量增加，能促使某些数量的固体碳 酸盐进入到溶液内，相反，随着水中的c02 数量的减少，相应数量的碳酸盐便 沉淀下来。在不考虑ca ( oh ) 2 通过碳酸盐层扩散的可能性的情况下，只要水 中的碳酸盐和h + ，hco 一3 ，co2 - 3 等离子处于平衡状态，水就不能再溶解混 凝土中的碳酸盐薄层，因此，这种水对混凝土无侵蚀性。一旦这种平衡被打破或 c02 的含量增高，便创造了继续溶解碳酸薄层的条件，使侵蚀作用继续进行。 山东大学i 程硕士论文 输水洞中的水流和穿壁渗漏水流是流动的，只要水流具有侵蚀性，水中的各种 离子永远达不到真正的平衡，致使这种侵蚀长期地进行。 ( 3 )表层侵蚀 输水洞内壁混凝土受到输送水流的侵蚀，均有可能同时发生上述两种侵 蚀。首先是由表层混凝土中的水泥石或骨料中的可溶物质被溶解析出，或在此 过程中发生化学反应生成其他物质，但失去了其原有的胶结强度而松散地依附 在洞壁表面，在水流流速较大时很容易被冲走。有时混凝土骨料选用不当，其遭 到水流侵蚀破坏程度比水泥石还要严重。湖北阳新小青山水库泄水洞，由于洞 中混凝土在施工时选用的骨料是当地石灰岩粉碎而成，其主要成份cac03 在水流的作用下，发生以下化学反应：cac0 3 + c0z + h 。o = ca ( hc0 0 ： 易溶于水的ca ( h c0 。) ：被水带走。泄水洞于1 9 6 6 年竣工，至今运行了3 0 多 年，其上游进口段表面裸露在洞壁表面的骨料均遭到严重的侵蚀，形成一个内 凹下去的坑洞，侵蚀表面光滑，其中大骨料被侵蚀的最大坑深达3 5ci t i 。同时， 表层混凝土的砂浆部分也约有2cm 的侵蚀破坏层，该层几乎失去了混凝土的 粘结强度。 ( 4 )穿壁渗漏侵蚀 输水洞除了水流对洞壁表层混凝土的侵蚀外，穿壁渗漏水流对洞壁的侵蚀 亦比较多见。由于输水洞在施工时振捣不实，存在蜂窝孔洞，或在运行过程中出 现裂缝，洞外的地下水在一定的压力作用下，沿着这些薄弱部位穿壁渗漏，渗漏 水在穿壁的过程中，会产生对洞壁的侵蚀，这对洞壁混凝土的强度有很大的影 响，严重威胁着洞身及大坝的安全，现在实际工程中已将该输水洞废弃并填筑 堵死。随着这种穿壁侵蚀的进行，破坏边界逐渐向洞壁内侧移动，其他边界也相 应地移动。当破坏区边界超过了洞外壁钢筋保护层的厚度时，可能因保护层失 去碱性环境而使钢筋发生锈蚀破坏。事实上，穿壁渗漏侵蚀比表面层侵蚀更隐 避，其后果也更严重，应引起高度重视。 2 3 2 侵蚀破坏的防护处理 当侵蚀破坏现象不严重时可不予以处理，但是，当其危及输水洞的安全运 行时，应及时处理，以免进一步恶化造成严重后果。 一( 1 ) 表层侵蚀破坏处理 为了遏制侵蚀进一步发展，或延长建筑物的使用寿命，对表层侵蚀处理宣 采用钢丝网喷浆或混凝土，其处理效果好，费用较经济。首先用高压水将洞壁冲 1 6 山东大学i 程硬士论文 净，再绑扎钢丝网。钢丝网一般用3 4 m m 的高强度冷拉钢丝，采用间距为6 1 2cm 的网格，将钢丝牢固地绑扎在钢筋骨架上，保护层厚度不大于2cm 。喷 混凝土层厚度一般为8 1 0cm ，最小5cm 。一次喷射厚度一般不小于最大骨 料粒径的1 5 倍，若设计厚度超过一次喷厚，可进行二次抢喷，时间间隔为2 0 3 0 m in 。喷射混凝土以采用4 2 5 # 5 2 5 # 硅酸盐水泥为宜，每m 3 砂浆中的水泥 用量不低于5 0 0kg ，水灰比控制在0 4 0 0 5 0 之间，砂料宜选用天然的偏粗 中砂，喷射压力一般控制在0 1 o 3 m pa 。最后收浆抹面，湿润养护7 d 。 ( 2 ) 穿壁侵蚀破坏处理 对于严重的穿壁渗漏部位，应及时采用灌浆处理，其主要目的是减小或阻 止渗漏的发生，从根本上消除侵蚀破坏，同时还加固了洞壁。对内径较大的输水 洞，钻孔机能在洞中作业，采用洞内灌浆更经济。灌浆压力一般采用0 1 0 2 m pa ，水泥浆的水灰比控制在1 ：1 0 4 ：1 0 以内，效果较好。 本文对输水洞侵蚀破坏机理和过程的分析，没有考虑环境水遭到污染的情 况，因而对绝大多数处在自然环境中的水工建筑物的侵蚀破坏分析具有参考价 值。表层侵蚀破坏在其他输水建筑物中也比较常见，穿壁渗漏侵蚀破坏分析也 适用于混凝土压力管的侵蚀分析。 2 4 输水洞空蚀 2 4 1 空蚀玻坏机理与危害 空蚀( 气蚀) 破坏是输水洞运行期间，当水流流经不平顺的边界，如洞身边 界轮廓不平顺、洞壁不平正、闸门槽尺寸形状不当等，由于流速较高，不断把不 平顺处的空气带走，从而使局部区域的压力低于大气压力，形成负压区，当压 力降低到该位置相应本温的汽压力时( 参见表2 4 1 、表2 4 2 ) ，水分子发 生汽化，体积膨糕，形成气泡( 空化现象) ，小气泡随水流流向下游正压区，气泡 内的水汽又会重新凝结，气泡突然破裂消失，使混凝土边界局部区域不断遭受 气泡破裂时的巨大机械冲击而剥蚀，即发生空蚀破坏。 表2 4 1大气压强随海拔的变化表 海拔( m ) o5 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 04 0 0 05 0 0 0 蒸汽压强 昱( 肌、 1 0 3