工程耐久性設計水利水電論文

前言：本站為你精心整理了工程耐久性設計水利水電論文范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

一、合理使用年限的定義和年限的確定

1.國內(nèi)外標準對合理使用年限的規(guī)定經(jīng)對國內(nèi)外建筑、市政、港口、鐵路等結構設計使用年限的調(diào)查分析，對于房屋建筑設計使用年限，臨時性建筑結構為5年，易于替換的結構構件為25年，普通房屋建筑為50年，標志性建筑和特別重要的建筑結構為100年。對于港口工程，臨時性建筑物為5~10年，永久性建筑物為50年；對于鐵路橋涵，可更換的小型構件為30年，路基防護結構為50年，主體結構為100年；對于公路橋涵，小橋、涵洞為30年，中橋、重要小橋為50年，特大橋、大橋、重要中橋一般為100年，有的達120~150年；對于大壩，使用年限一般為100年，荷蘭一些重要的擋潮閘、堤防設計使用壽命要求達到200年。國內(nèi)外標準對建筑結構使用年限的規(guī)定見表2。3.合理使用年限的確定從表2可以看出，工程建筑物的合理使用年限與其作用及重要程度密切相關，對于重要建筑物，一般不小于100年，有的甚至高達150~200年，而一般永久建筑物往往不低于30年，對于臨時和可更換的結構其使用年限可以低些。我國現(xiàn)有的水利水電工程大多數(shù)建于20世紀70年代之前，由于受當時的技術和物質(zhì)條件限制等原因，對工程耐久性認識不足，對工程建設基本沒有提出明確的耐久性要求。之后到近年所制定的設計、施工和運行管理標準，對材料、強度等級、抗?jié)B、抗凍、抗沖刷、抗侵蝕、抗裂等提出了要求，盡管還不夠詳細，但對提高工程的耐久性已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。

2.據(jù)初步統(tǒng)計，20世紀50—60年代我國大規(guī)模興建的水庫和水電站，至今已運行50年以上，一些工程盡管存在病險，但經(jīng)過除險加固后仍能投入正常運行。隨著我國經(jīng)濟實力的提高和對工程建筑物耐久性認識的深入，對新建的水利水電工程耐久性使用年限要求更高，技術上也是可能的。我國水利建設有著悠久的歷史，舉世聞名的都江堰水利工程已運行了2200多年，早期的水閘運行也有80多年。世界水電建設已有100多年的歷史，1878年在法國建成了第一座水電站。我國最早建設的水電站是1905年建成的水電站（1943年拆除），1912年建成的石龍壩水電站至今還在運行。水利水電工程等別和建筑物級別是衡量其重要程度的一個十分重要的指標。我國根據(jù)工程規(guī)模、效益以及在國民經(jīng)濟中的重要性，將水利水電工程劃分為5個等別，根據(jù)其所在工程的等別和建筑物的重要性，將對永久性建筑物分成5個級別。為了與我國現(xiàn)行標準相協(xié)調(diào)，水利水電工程合理使用年限也按以上原則分級確定。因此水利水電工程合理使用年限，根據(jù)工程類別、等別按表3的年限確定。其中，Ⅰ等水庫工程的合理使用年限為150年，Ⅳ、Ⅴ等防洪、治澇、灌溉、供水、發(fā)電工程為30年，其余為50~100年。對綜合利用的水利水電工程，當按各綜合利用項目確定的合理使用年限不同時，其合理使用年限應按其中最高的年限來確定。對于水利水電工程各類水工建筑物的合理使用年限，根據(jù)其所屬工程的建筑物類別和級別按表4確定。其中，考慮到水庫壅水建筑物的重要性，1級水庫壅水、泄洪建筑物的合理使用年限為150年；考慮到堤防和灌溉渠道線路長、條件復雜等因素，5級堤防、灌溉渠道的合理使用年限可比沿線水閘、泵站、灌排建筑物低，降到20年。當泄洪、調(diào)（輸）水、發(fā)電、過壩等建筑物與壅水建筑物共同擋水時，其擋水部分建筑物的合理使用年限按同級別壅水建筑物的規(guī)定執(zhí)行。水工建筑物中各結構或構件的合理使用年限可不同，次要結構和構件或需要大修、更換的構件的合理使用年限可比主體結構的合理使用年限短，缺乏維修條件的結構或構件的使用年限應與工程的主體結構的合理使用年限相同。

二、耐久性設計原則和主要設計內(nèi)容

1.耐久性設計原則我國水利水電工程建筑物運行環(huán)境條件多種多樣，除了一般環(huán)境條件外，北方寒冷地區(qū)還受到冰凍作用，沿海、鹽堿地區(qū)受到氯化物影響，西部一些地區(qū)存在硫酸鹽、酸類物質(zhì)侵蝕，凝灰?guī)r、玄武巖等有可能與水泥發(fā)生堿—骨料反應，溢洪道、輸水洞會受到高速水流沖刷、氣蝕，多沙河道存在泥沙淤積影響等。因此，水利水電工程及其建筑物的耐久性設計必須根據(jù)工程的重要程度確定其合理使用年限，調(diào)查分析實際工程的建設環(huán)境狀況，提出設計、施工、運行管理等方面的耐久性要求。結構的耐久性設計可分為傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法和定量計算方法。目前，環(huán)境作用下耐久性設計的定量計算方法尚未成熟到能在工程中直接應用的程度。在各種劣化機理的計算模型中，可供使用的還只局限于定量估算混凝土碳化、鋼筋開始發(fā)生銹蝕的年限。在國內(nèi)外現(xiàn)行的結構設計規(guī)范中，所采用的耐久性設計方法仍然是傳統(tǒng)方法或改進的傳統(tǒng)方法。水利水電工程建筑物所處環(huán)境復雜，應用的材料多種多樣，耐久性設計可采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法。對混凝土結構，除了劃分侵蝕環(huán)境的類別和作用等級外，在耐久性設計要求中，既要規(guī)定不同環(huán)境類別與作用等級下的混凝土強度等級、最大水膠比和原材料組成，又要提出混凝土電量指標、氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)等量值指標；同時從耐久性要求出發(fā)，對結構構造、施工控制以及運行管理作出了規(guī)定。其耐久性設計主要原則如下：水利水電工程及其建筑物的耐久性，應根據(jù)其合理使用年限和所處的環(huán)境侵蝕、泥沙淤積等條件進行設計。對同一建筑物中的不同部位，如所處的局部環(huán)境條件不同，可分別設計其耐久性。水利水電工程及其建筑物耐久性設計應有利于減輕環(huán)境作用的侵蝕破壞，高速水流、風沙對建筑物表面的沖刷、氣蝕、磨損作用以及振動等因素對結構的影響。水利水電工程建筑物設計應控制泥沙淤積引起的對工程功能、安全、效益和環(huán)境的影響，根據(jù)其合理使用年限、河道來沙情況采取預留必要的沉沙容積、設置必要的排（沖）沙設施等措施，制定相應的調(diào)度運行方式。工程地質(zhì)勘察的內(nèi)容和深度應符合水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范規(guī)定，并滿足建筑物耐久性設計所需的地質(zhì)基本資料要求。建筑物基礎處理措施、基礎結構應根據(jù)合理使用年限、環(huán)境條件進行耐久性設計，滿足主體結構合理使用年限要求。對于膨脹性土、濕陷性土等不良地基條件，其建筑物基礎的耐久性設計應作專門論證。混凝土結構的耐久性設計應考慮混凝土可能發(fā)生的堿—骨料反應、鈣礬石延遲反應和軟水對混凝土的溶蝕，在設計中采取相應的措施。水工金屬結構的耐久性設計除考慮環(huán)境作用條件下的腐蝕、磨蝕因素外，還應考慮氣蝕、振動、冰凍、疲勞等因素對結構的影響。

2.耐久性設計主要內(nèi)容在水利水電工程及其建筑物耐久性設計中，不僅要強調(diào)其材料的耐久性能指標與鋼筋的混凝土保護層厚度，適當?shù)臉嬙齑胧┮材軌蚍浅Ｓ行У販p輕環(huán)境作用。同時，建筑物的耐久性還需要規(guī)范的建設施工、運行管理來保證。對于水利水電工程各類建筑物開展耐久性設計的主要工作內(nèi)容有如下幾個方面：根據(jù)工程的功能、等別等因素分析確定工程的合理使用年限，按照工程中各類建筑物的類別和級別確定建筑物的合理使用年限。提出其合理使用年限內(nèi)需要維修或更換的結構構件、周期及其為維修或更換所需具備的條件。根據(jù)對氣象（包括氣溫、濕度、干燥度、鹽霧等）、水文和地質(zhì)（包括氯化物、硫酸鹽、酸濃度等）等的調(diào)查、勘察，分析確定建筑物所處的侵蝕環(huán)境類別。對于嚴重環(huán)境作用下的建筑物，除勘察資料外，宜有相同或類似的周邊工程的耐久性現(xiàn)狀調(diào)查和檢測資料。提出有利于減輕環(huán)境作用的結構措施和材料的耐久性要求，包括結構布置、接縫處理、鋼筋保護層厚度、預應力錨固、混凝土裂縫控制、防滲與排水、抗冰凍、抗沖磨措施，閘門門槽體型和通氣、閘門防振動、金屬結構的腐蝕厚度，土石質(zhì)量和填筑標準，混凝土強度等級、抗?jié)B等級、最大水膠比、含氣量、氯離子最大含量、抗氯離子侵入性指標、原材料（包括水泥、摻合料、外加劑、骨料、水）要求等。對處于嚴重環(huán)境作用下的結構，必要時應采取防腐蝕附加措施，如表面涂層、防腐蝕面層、環(huán)氧涂層鋼筋、鋼筋阻銹劑、陰極保護等。對于多泥沙河流上建設的工程，應根據(jù)其來沙量、使用年限，分析提出保持工程正常功能和效益的泥沙淤積控制要求，包括沉沙容積、排/沖沙設施、疏浚周期、調(diào)度方式等。對工程施工，需提出耐久性方面的施工技術要求和施工質(zhì)量驗收要求，包括施工工藝、原材料和施工質(zhì)量控制、溫控措施、材料和施工質(zhì)量驗收要求等。對工程運行管理，提出正常使用運行原則和管理過程中需要進行正常維護、檢測、修理或更換的要求，包括日常安全監(jiān)測、耐久性檢測、安全鑒定要求等。

三、耐久性設計需注意的幾個方面

1.一般環(huán)境正常大氣和溫度、濕度（水分）作用下表層混凝土碳化引發(fā)的內(nèi)部鋼筋銹蝕，是混凝土結構中最常見的劣化現(xiàn)象，也是耐久性設計中的首要問題。因此，其耐久性設計應控制在正常大氣作用下混凝土碳化后的鋼筋銹蝕。在一般環(huán)境作用下，依靠混凝土本身的耐久性質(zhì)量、適當?shù)谋Ｗo層厚度和有效的防/排水措施，就能達到所需的耐久性，一般不需考慮防腐蝕附加措施。用于填筑堤（壩）的土、砂、石料等當?shù)夭牧希诘蹋▔危w中所起作用不同、部位不同，則對材料的具體要求也不同。當?shù)夭牧咸钪牡蹋▔危┙Y構應具有抗?jié)B、抗風化和抗沖刷的長期性能。當某種材料不能完全適應使用目的時，需要進行加工處理。凍融環(huán)境寒冷地區(qū)混凝土結構的耐久性設計，應控制混凝土遭受長期凍融循環(huán)作用引起的損傷。發(fā)生反復凍融的混凝土結構，應考慮凍融環(huán)境的作用。因此，需要提出混凝土強度和抗凍等級、混凝土中的含氣量、最大水膠比、鋼筋最小保護層厚度等要求，及水工建筑物、防滲結構的抗凍要求（包括埋置、排水等）。

2.氯化物環(huán)境環(huán)境中的氯化物以水溶氯離子的形式通過擴散、滲透和吸附等途徑從混凝土構件表面向混凝土內(nèi)部遷移，引起混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕。氯離子引起的鋼筋銹蝕難以控制，后果嚴重，氯化物對于混凝土材料也有一定的腐蝕作用，因此是混凝土結構耐久性面臨的重要問題。氯化物環(huán)境中的混凝土結構的耐久性設計，應控制氯離子引起的鋼筋銹蝕，需要提出混凝土強度等級、最大水膠比、鋼筋最小保護層厚度等要求。低水膠比的大摻量礦物摻合料混凝土，在長期使用過程中的抗氯離子侵入能力要比相同水膠比的硅酸鹽水泥混凝土高得多，所以在氯化物環(huán)境中，為了增強混凝土早期的強度和耐久性發(fā)展，通常在礦物摻合料中加入少量硅灰。混凝土的密實性是其抵抗環(huán)境中水、氣以及溶解于水中的有害物質(zhì)侵入混凝土的第一道防線。一般來說，抗?jié)B等級比較適合于判定低強度等級混凝土的密實性，如大壩混凝土和低強度等級的結構混凝土，而對強度等級超過C30的混凝土，單靠抗?jié)B等級已難以表征高性能混凝土的密實性能。國內(nèi)外研究表明，混凝土電量指標和氯離子擴散系數(shù)可作為評價結構混凝土抗氯離子侵入性的指標。化學腐蝕環(huán)境常見腐蝕性化學物質(zhì)包括土中和地表水、地下水中的硫酸鹽及酸類等物質(zhì)，以及大氣中的鹽分、硫化物、氮氧化合物等污染物質(zhì)。這些物質(zhì)對混凝土等材料的腐蝕主要是化學腐蝕。化學腐蝕環(huán)境下混凝土結構的耐久性設計，應控制混凝土遭受化學腐蝕性物質(zhì)長期侵蝕引起的損傷。在混凝土中加入適量的礦物摻合料對于提高混凝土抵抗化學腐蝕的能力有良好的作用。研究表明，在合適的水膠比下，礦物摻合料及其形成的致密水化產(chǎn)物可以改善混凝土的微觀結構，提高混凝土抵抗水、酸和鹽類物質(zhì)腐蝕的能力，提高抵抗堿—骨料反應的能力。

3.泥沙淤積環(huán)境泥沙淤積環(huán)境下工程建筑物的耐久性設計，應控制泥沙淤積引起的對工程建筑物功能、安全和效益的不利影響。水工建筑物的位置宜選擇在河道來沙量較小的區(qū)域，以減少泥沙的淤積。在多泥沙河流建設攔河壩（閘），應進行專門的論證。同時，應提出淤積控制措施（包括庫容淤積控制、上游洪水位抬高控制、壩前泥沙與水流控制、下游河道沖刷控制等）。設計中，應根據(jù)實際情況采取一種或多種方法解決泥沙淤積問題。五、結語工程及其建筑物合理使用年限的規(guī)定及其耐久性設計是我國水利水電工程建設的一項重要工作。在總結水利水電、建筑、市政、鐵路等行業(yè)的工程建設和耐久性設計經(jīng)驗的基礎上，通過分析研究，形成了適合我國水利行業(yè)特點的工程合理使用年限確定和耐久性設計準則。水利水電工程功能多樣，水工建筑物類別不一。借鑒相關行業(yè)經(jīng)驗和當前科技發(fā)展的總體水平，提出了根據(jù)工程功能、等別確定工程合理使用年限，根據(jù)工程建筑物的類別和級別確定建筑物合理使用年限的方法，可與我國現(xiàn)行水利行業(yè)的標準體系相協(xié)調(diào)。水利水電工程運行環(huán)境復雜，建筑材料多種多樣。針對各類環(huán)境條件、各類建筑物，提出了耐久性設計原則、主要內(nèi)容及其重點。工程耐久性設計問題十分復雜，目前尚缺乏完善的定量分析評價方法，需要今后加強研究，不斷完善。

作者：陸忠民劉志明單位：上海勘測設計研究院水利部水利水電規(guī)劃設計總院