大型水电站水工结构耐久性的设计与研究

摘 要：目前我国水工结构混凝主要是采用28d强度设计，没有根据不同工况选择不同的设计标准，同时也没有对混凝土的原材料进行优选，导致水工结构耐久性较差。本文基于DuraCrete的混凝土寿命预测，从选取合适的原材料、优化设计指标合理的控制以及混凝土的用水量等方面探讨了混凝土耐久性设计要点，致力于提高大型水电站水工结构耐久性。 

　　关键词：水工结构；耐久性；DuraCrete；混凝土 

　　0 前言 

　　水工结构工程是我国基础建设工程中十分重要的一部分，所以在建设水利工程和它的使用周期中，水工结构必须具体安全、适用、耐久等特性。为了能够有效地完成水利机构工程的耐久性的目标，在大型水电站水工结构的设计阶段必须保证结构耐久性的设计能够符合工程要求。 

　　1 造成水工结构耐久性降低的因素 

　　1.1 水工结构工程中存在裂缝 

　　在水木结构工程建设中，在某些情况下由于结构混凝土体积过大，在初期进行硬化时会产生许多的水化热，从而造成结构出现温度应力，可能会降低混凝土的抗拉性能，从而可能引发 渗透、冻融等一系统问题。这些问题会大大降低大型水电站水利结构的耐久性。 

　　1.2 水工结构工程遭遇冻融破坏 

　　大型水电站水工结构工程中的冻融破坏主要是指在一些温度处于零度以下的地区，混凝土在较为潮湿或者与水接触较为频繁的环境下，由于温度不断的正负变化，使得混凝土内部的水分冻结膨胀和溶解收缩，从而导致混凝土出现疲劳应力，进而使得混凝土遭遇冻融破坏，根据相关部门的调查研究表明，在我国至少有四分之一的水工结构遭遇着冻融破坏，这是一个相��高的比例，必须引起大家的高度关注。 

　　1.3 水工结构工程中存在着碳化和钢筋腐蚀的问题 

　　在建设水工结・构工程的过程中，空气中的二氧化碳和施工过程使用的碳酸都可以与水泥发生化学反应，从而使得水泥碳化，进一步使得混凝土表面产生裂缝。混凝土表面上的缝隙会让更多的二氧化碳气体进入结构内部，这样不断的循环，使混泥土内部发生变化，导致混凝土的保护层失去了效果，降低了钢筋防腐能力，使得内部钢筋生锈，降低了钢筋的强度，从而导致整个水工结构工程的安全使用年限减少。 

　　2 基于DuraCrete的混凝土寿命预测 

　　DuraCrete主要是运用多个分项系数来反映混凝土的可靠指标，以性能表达式为它的计算模型，这种设计方法主要是依靠性能和可靠度为基础的耐久性。计算主要分为两个阶段，第一阶段是钢筋锈蚀的初期阶段，氯离子从混凝土的保护层进入到内部，使得钢筋开始发生锈蚀，第二阶段为钢筋腐蚀的发展阶段，钢筋锈蚀发展导致裂缝达到一定的宽度。除了在水环境中，第二阶段的腐蚀过程比较短，所以一般只考虑第一阶段，即指在保护层深度处的混凝土中氯离子浓度C（x，t）达到钢筋锈蚀的临界浓度时作为极限状态，根据Fick第二定律可以列出预测混凝土寿命的方程式如下： 

　　如式子（1）所示，g是一个大于或等于0的值；表示的是氯离子临界浓度设计值；表示保护层厚度设计值；表示混凝土对氯离子抗力的设计值；t表示时间值； 

　　令g=0，即可解得与极限状态相应的使用年限。 

　　3 水电站水工结构耐久性的设计要点 

　　根据上一章节对混凝土寿命的预测，可以知道水电站水工结构使用年限具有一定的限制，以下将从三个方面对水工结构耐久性设计进行探讨： 

　　3.1 选取合适的原材料 

　　骨料是水工结构混凝土的主要原材料，因此骨料的好坏会对混凝土的耐久性产生直接的影响。比较好的混凝土骨料是灰岩骨料，这种骨料的有线胀系数比较低，不易开裂，一般的大型水电站水工结构工程往往需要选择这类骨料。但是在我们实际的大型水电站水工工程的施工过程中，在选择骨料时，往往会遵循就地取材的原则。在水电站水工工程中，需要使用大量的骨架，所以我们需要更加注意选取质量好的骨料加工仪器，优化骨料的粒子与匹配，从根本上提高混凝土的整体性能。同时在水电水工工程中，也需要选取优质的水泥，水泥的好坏也会影响到混泥土的强度和耐久性。 

　　3.2 优化设计指标 

　　在大型水电站水工结构混凝土的设计中，应该采用28d的强度设计，严格遵循混凝土的设计标准，考虑裂缝和耐久性之间的关系。采用28d龄期强度设计能够有效的提高混凝土的负载量，但是对于需要承载较长时间的部分结构，如果一味的使用28d龄期强度设计，就需要使用更多的混凝土水泥，使得混凝土温度上升的速度变快，所以在这种情况下，应该在水泥中多掺入一些粉煤灰等物质，适当的减少水泥的用量，合理的设计混凝土的强度，降低混凝土温度上升的速度，减小混凝土出现裂缝的概率，提高混凝土的耐久性。在抗冲磨的水利施工中，一些工程还会采用100d以上龄期强度的设计标准，有能够有效的控制混凝土水泥的用量，能够提高混凝土耐久性和综合性能。 

　　3.3 合理的控制混凝土的用水量 

　　混凝土的用水量对混凝土的性能有着重要的影响，它是混凝土技术的关键所在。选用合适的工艺对混凝土骨料进行加工，优化混凝土骨料粒子的大小，减少其针片颗粒的含量，可以有效的减少混凝土单位用水量。在某些工程中，由于地形的限制使得人工砂无法达到标准脱水的状态，这也会对混凝土的质量产生不同程度的影响。 

　　4 结束语 

　　混凝土原材料的好坏会直接影响混凝土抗裂性和耐久性，所以施工前应该对原材料进行优选，使混凝土的原材料符合技术指标，应采用28d的强度设计，严格遵循混凝土的设计标准，同时还应该改善骨料粒形和级配，掺加优质粉煤灰和外加剂等措施降低混凝土的单位用水量，合理的控制混凝土的用水量，最大程度的减少大型水电站混凝土开裂的几率。 

　　参考文献： 

　　[1]李美丹.关于桥梁混凝土结构耐久性试验研究[J].混凝土世界，2016（08）：92-95.