李樹武，劉 昌，付建偉

(1.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心，陜西 西安 710065；2.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

混凝土是一種經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的人工耐久性材料，是大壩主要的建筑材料之一。我國絕大多數(shù)混凝土壩是新中國成立之后修建的，據(jù)對109座大中型水電站混凝土壩的統(tǒng)計，截至2020年，壩齡超過40年的有67座，最長的將近80年[1]。隨著混凝土本身的老化和地下水及空氣等介質(zhì)的長期侵蝕作用，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了各種不同程度的腐蝕缺陷或腐蝕損傷，致使其耐久性、安全性降低，甚至引起結(jié)構(gòu)失效，造成巨大損失。當(dāng)前大壩混凝土耐久性問題已成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外對混凝土腐蝕方面的研究多集中在對混凝土腐蝕類型[2-3]、水對混凝土的腐蝕機(jī)理及腐蝕能力[4-5]、混凝土析出物的成分及來源[6- 8]等方面，而對混凝土遭受腐蝕造成耐久性損失程度研究較少，且針對該類問題的檢測分析國內(nèi)目前尚無明確的規(guī)程規(guī)范指導(dǎo)說明。為此，本文利用勘察手段，從庫壩區(qū)具體的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及實(shí)際的運(yùn)行工況出發(fā)，通過現(xiàn)場調(diào)查及測試、鉆探取芯結(jié)合孔內(nèi)數(shù)字?jǐn)z像及孔內(nèi)超聲波檢測，并綜合壩基混凝土滲水水化學(xué)分析、混凝土物理力學(xué)的試驗(yàn)成果，以系統(tǒng)分析的理論和方法，將由多手段測試方法獲得的多源信息加以融合，對壩基混凝土的腐蝕狀態(tài)、腐蝕程度進(jìn)行科學(xué)的識別和評估，總結(jié)并提出了壩基混凝土遭受腐蝕程度的評價、分級標(biāo)準(zhǔn)，對于評價及預(yù)防大壩病變、災(zāi)變，以及延長大壩服役壽命具有指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)場調(diào)查與測試

1.1 工程環(huán)境調(diào)查

由于壩基混凝土位置特殊，其工作環(huán)境較一般大氣中的混凝土結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，開展其腐蝕狀況調(diào)查前，必須首先對工程所處的環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，初步分析可能造成混凝土腐蝕的各種不利因素。調(diào)查內(nèi)容主要包括：

(1) 地質(zhì)環(huán)境與氣候條件。搜集已有資料，對工程區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、物理與化學(xué)風(fēng)化等地質(zhì)環(huán)境條件，以及工程所在地區(qū)的主要?dú)夂蛱卣?、凍融條件等作初步了解。

(2) 大壩基本情況。包括壩型、壩高、建基面條件、材料設(shè)計強(qiáng)度、荷載、沉降、傾斜、裂縫情況等。搜集有關(guān)設(shè)計資料及竣工資料，如平面圖、剖面圖、立面圖、設(shè)計報告、竣工報告等，并對工程的歷史沿革及現(xiàn)狀等作基本了解。

(3) 地下水環(huán)境特點(diǎn)。包括地下水水位、水的物理化學(xué)特征、污染情況，以及環(huán)境水的補(bǔ)給、排泄、循環(huán)和滯留條件等。

1.2 表觀腐蝕調(diào)查

混凝土腐蝕破壞現(xiàn)象一般表現(xiàn)為局部的剝落、隆起、凹陷、甚至垮塌或掉塊，混凝土呈現(xiàn)出酥松、軟化等特征，結(jié)構(gòu)表部出現(xiàn)色染或析出物富集等現(xiàn)象。因此，表觀腐蝕情況檢查是調(diào)查混凝土質(zhì)量或評估其損傷程度的最直觀、有效的方法。

表觀腐蝕情況調(diào)查主要是對混凝土的腐蝕狀態(tài)、特征、部位以及浸水狀態(tài)、干燥程度等進(jìn)行詳細(xì)描述，從而獲得混凝土結(jié)構(gòu)表面損傷的整體分布情況，并對損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行初步的分區(qū)。

圖1 強(qiáng)度推定值的計算基本流程

1.3 現(xiàn)場測試

2 鉆孔勘探及孔內(nèi)測試

鉆孔勘探是壩基混凝土腐蝕程度檢測的一項(xiàng)重要技術(shù)手段，具有直觀、準(zhǔn)確、破壞性小等優(yōu)點(diǎn)，通過鉆探取芯可以直接觀察混凝土的內(nèi)部性狀，并對不同深度混凝土的物理、力學(xué)性能和指標(biāo)進(jìn)行分析研究。在鉆孔內(nèi)可直接取得壩基地下水水樣，使地下水化學(xué)分析更具針對性。同時，也可為混凝土內(nèi)部測試(孔內(nèi)攝像、孔內(nèi)波速測試)提供條件。

2.1 鉆孔勘探

鉆孔布置應(yīng)統(tǒng)籌考慮，兼顧一般，對重點(diǎn)研究部位及腐蝕嚴(yán)重部位加大勘探密度，必要時可布設(shè)斜孔或少量槽探，勘探布置原則及技術(shù)要求如下：

(1) 確定鉆孔位置。根據(jù)混凝土腐蝕程度初步分區(qū)成果，結(jié)合原設(shè)計資料，確定鉆孔位置，結(jié)合實(shí)際需要可布設(shè)鉛垂孔或斜孔，孔深至基巖接觸面以下3～5 m。

(2) 鉆進(jìn)工藝及技術(shù)參數(shù)。勘探孔采用金剛石雙管單孔回轉(zhuǎn)取芯鉆進(jìn)，孔徑不小于90 mm，孔斜每10 m不大于0.1°；按采取率≥95%要求取得完整芯樣，對芯樣要準(zhǔn)確量測、順序排列、編號、清理、拍照、編錄，最后裝箱并妥善保管。

(3) 技術(shù)要求。對混凝土顏色、骨料級配、膠結(jié)狀態(tài)、芯樣表部粗糙程度、氣泡孔洞及微裂隙發(fā)育情況，以及內(nèi)部配筋的銹蝕情況等進(jìn)行詳細(xì)描述；對鉆進(jìn)過程中遇到的特殊情況、巖芯的腐蝕狀態(tài)、巖芯的完整性、混凝土與基巖的接觸狀態(tài)等進(jìn)行統(tǒng)計分析，并繪制鉆孔柱狀圖；施工過程中必須對鉆孔返水等施工廢水進(jìn)行沉淀過濾后方可排出。

(4) 終孔測試及封孔。終孔前應(yīng)將鉆孔孔壁清洗干凈，以便進(jìn)行孔內(nèi)數(shù)字?jǐn)z像和孔內(nèi)超聲波檢測；鉆孔取樣、測試及終孔驗(yàn)收檢查結(jié)束后進(jìn)行全孔水泥砂漿封孔，封孔應(yīng)從下而上，適當(dāng)加壓或振搗，封孔水泥應(yīng)與原設(shè)計混凝土型號相同。

2.2 孔內(nèi)數(shù)字?jǐn)z像

孔內(nèi)數(shù)字?jǐn)z像使用智能鉆孔電視成像儀，該儀器主要由主機(jī)(包括顯示器、控制器、嵌入式電腦)、絞車系統(tǒng)、攝像頭和輔助光源等組成。工作時，通過絞車系統(tǒng)將攝像頭送入孔內(nèi)，由步進(jìn)電機(jī)控制攝像頭連續(xù)拍攝360°的孔壁照片；最后，把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為攝像頭的位移，拼接出完整、連貫的孔壁展開圖?？變?nèi)攝像工作展開前，孔壁要經(jīng)高壓沖洗干凈，保證孔壁無巖屑覆蓋、孔內(nèi)水質(zhì)清澈，否則會影響攝像的清晰度。

采用孔內(nèi)數(shù)字?jǐn)z像可直接觀測到孔壁混凝土的近原始狀態(tài)剖切圖信息，包括孔壁的完整性、孔壁裂縫或微裂隙、剝蝕或缺陷的位置及發(fā)育情況，滲水或較大的水運(yùn)移通道，混凝土與基巖接觸部位的膠結(jié)情況等。通過進(jìn)一步直觀查看鉆孔孔壁的腐蝕現(xiàn)狀，分析判斷不同部位混凝土的腐蝕程度。同時，判斷混凝土遭腐蝕后的薄弱部位，為查明腐蝕來源及研究腐蝕形成的機(jī)理提供一定依據(jù)。

2.3 孔內(nèi)超聲波檢測

孔內(nèi)超聲波檢測是由超聲脈沖發(fā)射源在混凝土(或基巖)內(nèi)激發(fā)高頻彈性脈沖波，并用高精度的接收系統(tǒng)記錄該脈沖波在混凝土內(nèi)傳播過程中表現(xiàn)的波動特征。當(dāng)混凝土內(nèi)存在不連續(xù)或破損界面時，缺陷面形成波阻抗界面，波到達(dá)該界面時，產(chǎn)生波的透射和反射，使接收到的透射能量明顯降低；當(dāng)混凝土內(nèi)存在松散、蜂窩、孔洞等嚴(yán)重缺陷時，將產(chǎn)生波的散射和繞射，根據(jù)波的初至到達(dá)時間和波的能量衰減特征、頻率變化及波形畸變程度等特性，獲得測試范圍內(nèi)混凝土的強(qiáng)度及腐蝕損傷特征，從而為下一步分析判斷混凝土內(nèi)部的腐蝕范圍、腐蝕程度提供依據(jù)。

孔內(nèi)超聲波檢測應(yīng)從孔底由下至上沿孔壁連續(xù)測試，觀測點(diǎn)距為0.2 m，探頭與孔壁采用水耦合。對外業(yè)采集的原始波形數(shù)據(jù)用專業(yè)軟件進(jìn)行處理，計算出波速VP，并繪制波速曲線圖。聲波測試原始資料的自檢及測試精度應(yīng)符合DL/T 5010—2019《水電水利工程物探規(guī)程》中的相關(guān)要求。公式如下

(1)

式中，L為第1道與第2道接收探頭之間的距離；t1、t2分別為第1道、第2道接收探頭的讀時。

混凝土質(zhì)量與波速之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系[9]，以此為基礎(chǔ)結(jié)合筆者多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，得到大壩常態(tài)混凝土平均波速與混凝土腐蝕程度及混凝土質(zhì)量間的對應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1 混凝土質(zhì)量與波速關(guān)系

3 試驗(yàn)設(shè)計

3.1 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1.1混凝土強(qiáng)度推定值

為了能更科學(xué)地得到壩基混凝土的力學(xué)參數(shù)，現(xiàn)場按上、中、下部位對各鉆孔內(nèi)混凝土取原狀樣做單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)所得的各樣本的單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足正態(tài)分布，試驗(yàn)資料處理時應(yīng)通過GB 4883—1985《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋正態(tài)樣本異常值的判斷和處理》中奈爾(Nair)檢驗(yàn)法的重復(fù)使用，在取檢出水平為5%、剔除水平為1%的情況下判斷和處理后，對樣本中的異常值進(jìn)行剔除，再將剔除后的試驗(yàn)成果對比設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，對混凝土進(jìn)行強(qiáng)度衰減程度分析。為提高鉆芯檢測混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果的可靠性，應(yīng)計算出檢驗(yàn)批混凝土的強(qiáng)度推定值。檢驗(yàn)批的混凝土強(qiáng)度推定值應(yīng)計算推定區(qū)間，推定區(qū)間的上限值和下限值按下式計算[10]

fcu，e1=fcu，cor，m-k1Scu

(2)

fcu，e2=fcu，cor，m-k2Scu

(3)

(4)

(5)

式中，fcu，cor，m為芯樣試件抗壓強(qiáng)度平均值；fcu，cor，i為單個芯樣試件抗壓強(qiáng)度值；fcu，e1為混凝土抗壓強(qiáng)度推定上限值；fcu，e2為混凝土抗壓強(qiáng)度推定下限值；k1、k2分別為推定區(qū)間上限值系數(shù)和下限值系數(shù)；Scu為芯樣試件抗壓強(qiáng)度樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

fcu，e1和fcu，e2所構(gòu)成推定區(qū)間的置信度宜為0.90，當(dāng)采用小直徑芯樣試件時，推定區(qū)間的置信度可為0.85。fcu，e1與fcu，e2之間的差值不宜大于5.0 MPa和0.10fcu，cor，m兩者的較大值，且宜以fcu，e1作為檢驗(yàn)批混凝土強(qiáng)度的推定值，以fcu，e1作為混凝土工程施工質(zhì)量的評定界定界限，應(yīng)符合GB 50300—2013《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于錯判概率不大于0.05的規(guī)定。由此計算出在置信度為0.90(或0.85)條件下壩基混凝土的推定抗壓強(qiáng)度值，對比設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，判定壩基混凝土當(dāng)前強(qiáng)度是否符合設(shè)計要求。

3.1.2混凝土強(qiáng)度的檢驗(yàn)評定

實(shí)際檢測過程中，除了通過定量化計算出混凝土的推定強(qiáng)度，并比較推定強(qiáng)度與設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的大小關(guān)系外，仍需通過統(tǒng)計方法及非統(tǒng)計方法對混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)評定[11]。當(dāng)檢驗(yàn)結(jié)果滿足下述的規(guī)定時，則該批混凝土強(qiáng)度評定為合格，否則為不合格。

(1)統(tǒng)計方法評定。當(dāng)試驗(yàn)樣本容量不少于10組時，其強(qiáng)度應(yīng)同時滿足下列要求

mfcu≥fcu，k+λ1Sfcu

(6)

fcu，min≥λ2fcu，k

(7)

同一檢驗(yàn)批混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)按下式計算

(8)

式中，mfcu為同一檢驗(yàn)批混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的平均值；fcu，k為混凝土試樣抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fcu，i為單個混凝土試樣抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fcu，min為同一檢驗(yàn)批混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的最小值；Sfcu為同一檢驗(yàn)批混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)Sfcu計算值小于2.5 N/mm2時，應(yīng)取2.5 N/mm2；n為本次試驗(yàn)檢測的樣本容量；λ1、λ2為合格評定系數(shù)，當(dāng)n=10～14時，λ1取1.15、λ2取0.90，當(dāng)n=15～19時，λ1取1.05、λ2取0.85，當(dāng)n≥20時，λ1取0.95、λ2取0.85。

(2)非統(tǒng)計方法評定。當(dāng)用于評定的樣本容量小于10組時，采用非統(tǒng)計方法評定混凝土強(qiáng)度，其強(qiáng)度應(yīng)同時符合下列規(guī)定

mfcu≥λ3fcu，k

(9)

fcu，min≥0.95fcu，k

(10)

式中，λ3為合格評定系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級

(3)強(qiáng)度衰減程度與腐蝕程度的關(guān)系。為了表達(dá)混凝土已遭受到的腐蝕程度，引用GB 50287—2016《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中環(huán)境水對混凝土的腐蝕程度分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，見表2。

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度的衰減程度與腐蝕程度的關(guān)系

3.2 水化學(xué)試驗(yàn)

為了能進(jìn)一步掌握混凝土的腐蝕因素及腐蝕機(jī)理，在對地下水進(jìn)行常規(guī)水化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對混凝土芯樣做圖譜分析、電鏡掃描和能譜微區(qū)元素分析等測試。

3.2.1水質(zhì)檢測

3.2.2析出物化學(xué)成分檢測

為揭示混凝土的基本物質(zhì)組成，對混凝土樣品做X射線熒光光譜分析，以確定所含的常量組分和微量組分，以及不同孔位、不同深度所取的樣品之間的化學(xué)成分及含量的變化。對樣品混凝土內(nèi)基本元素及相關(guān)氧化物的含量進(jìn)行對比，分析其相關(guān)性，進(jìn)而確定影響混凝土腐蝕的主要指標(biāo)，為判定腐蝕原因及腐蝕機(jī)理提供依據(jù)。

3.2.3主要礦物相及腐蝕產(chǎn)物測試與分析

對取芯孔內(nèi)不同深度的混凝土芯樣做X射線衍射分析，以揭示其基本的礦物相；并對部分芯樣做電鏡掃描以及能譜微區(qū)元素測試，以揭示混凝土受到腐蝕后可能形成的新礦物相及其基本元素組成，并確定其含量。

根據(jù)對水樣及混凝土芯樣的多手段測試成果，重點(diǎn)分析具指示意義的各項(xiàng)指標(biāo)隨孔深及孔位的變化，進(jìn)而確定發(fā)生腐蝕的空間分布特征，最后綜合分析在滲流水作用下混凝土腐蝕的形成機(jī)理及影響因素。

4 腐蝕程度分級

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、鉆孔勘探、孔內(nèi)測試及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果等，對壩基混凝土遭受腐蝕程度進(jìn)行分級。分級標(biāo)準(zhǔn)見表3?；诖搜芯克悸愤M(jìn)行混凝土腐蝕狀況分析研究已成功應(yīng)用于李家峽水電站壩基混凝土腐蝕狀況檢測，取得了良好效果，評價成果得到了專家的肯定與好評。

表3 壩基混凝土腐蝕程度分級標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié) 語

本文針對壩基混凝土的工作環(huán)境特點(diǎn)，利用多種勘察方法，從庫壩區(qū)具體的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及實(shí)際的運(yùn)行工況出發(fā)，對壩基混凝土腐蝕程度檢測分析方法及腐蝕程度分級進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1)通過現(xiàn)場調(diào)查、回彈測試及碳化深度測試對腐蝕程度進(jìn)行初步分區(qū)，可為勘探布置提供依據(jù)。

(2)通過鉆孔勘探、孔內(nèi)數(shù)字?jǐn)z像及孔內(nèi)超聲波檢測，以及混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及強(qiáng)度衰減程度分析，查明腐蝕范圍及影響程度，并對腐蝕程度進(jìn)行詳細(xì)分區(qū)、分類。

(3)結(jié)合水質(zhì)分析及析出物化學(xué)成分分析成果，對腐蝕原因及腐蝕機(jī)理進(jìn)行分析，并依據(jù)腐蝕程度分級標(biāo)準(zhǔn)，繪制出腐蝕情況平、剖面分區(qū)圖，并提出處理建議。

本研究思路未考慮凍融作用、水流沖刷作用等因素，實(shí)際調(diào)查中需針對不同工程所處的環(huán)境特點(diǎn)，分清主次，有針對性的對腐蝕狀況展開調(diào)查分析。