电厂水工结构工程耐久性设计应用初探

【摘要】耐久性对于电厂水工结构而言具有重要意义。由于电厂水工结构的特殊性质，必须要重视结构耐久性设计，避免耐久性失效，导致安全事故的发生。本文对电厂水工结构工程中的耐久性设计及其应用进行简单分析。

【关键词】电厂水工结构；水工结构耐久性；结构耐久性；耐久性设计

一.引言

电厂水工结构属于电厂水利工程的重要组成部分，在电厂水工结构设计年限内，水工结构必须要能够安全运作，要满足抗拉、抗冻、抗渗、抗压以及抗风化、抗侵蚀和抗冲耐磨等耐久性要求。在电厂水工结构工程中，必须要重视耐久性设计。

二.电厂水工结构耐久性概述

电厂水工结构耐久性是水工结构抵抗气候变化、化学侵蚀、磨损或其它破坏过程的能力，主要包括：抗碳化能力、抗冻性、钢筋锈蚀、抗渗性。水工结构由于水的渗入、冲刷、冻融、侵蚀等因素使其工作环境比其它建筑物更为恶劣，不仅要承受正常的使用荷载，还要承受环境水的各种作用。因此，提高水工结构的耐久性，比保证强度更有意义。水工结构的耐久性提高需从使用材料、结构形式、环境条件、施工工艺、保护措施等方面综合考虑，其主要措施是原材料的优化选择。

1.裂缝

电厂水工结构中，水工混凝土体积大，在硬化初期容易产生大量水化热，形成温度应力，而此时混凝土抗拉能力弱导致裂缝的形成；同时大体积混凝土还产生收缩裂缝，引起如渗漏溶蚀、环境水侵蚀、冻融破坏和钢筋锈蚀等病害的发生，这些病害与裂缝形成恶性循环，对建筑物的耐久性产生极大危害。

2.冻融循环

冻融破坏是混凝土在浸水饱和或潮湿状态下，温度正负交替变化使其内部孔隙水冻结膨胀、融解收缩产生疲劳应力，导致混凝土由表及里逐渐削蚀的破坏现象。经调查，我国有22%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题。

3.碳化与钢筋锈蚀

空气中的CO2和水中的碳酸组分都可能与水泥水化物发生反应，使之碳化，产生裂缝，使CO2等进入混凝土内部，加速碳化。碳化使混凝土中性化，导致钢筋失去保护膜而产生锈蚀，使结构承载力逐渐丧失。

三.电厂水工结构工程中耐久性设计及应用

1.砼原材料质量检测的内容和方法

（1）水泥。在水泥厂家统一采购1-2种水泥。运至工地的每一批水泥，应有生产厂的出厂合格证和出厂试验报告，进场水泥应立即进行复验，同一批次，同品种、同强度等级的水泥为样本。以200吨袋装水泥为一检验批，而散装水泥则500吨为一检验批。如不足200t或500t也作为一个检验批。常规检测项目有：细度、凝结时间、胶砂强度、比表面积、胶砂流动度等。

（2）细骨料。细骨料是指粒径为0.16-5mm颗粒，有天然砂及人工砂两类。细骨料应清洁、级配良好、质地坚硬。人工砂的细度模数应控制在2.4-2.8的范围内，天然砂的细度模数宜在2.2-3.0范围内。以400t或600m3为一检验批。常规检测项目有：颗粒级配、含泥量、泥块含量、表观密度等。

（3）粗骨料。粒径大于5mm的骨料叫粗骨料。普通砼通常采用的粗骨料有卵石和碎石两种。常规检测项目有：含泥量、泥块含量、针片状含量、压碎指标、颗粒级配等。

（4）水。凡符合国家标准的饮用水，都可用于拌合与养护砼。地表水、地下水和其他类型水在首次用于拌合与养护砼时，须按现行有关标准，经检验合格方可使用。常规检测项目有：PH值、不溶物、可溶物、氯化物、硫酸盐的含量。

（5）掺合料。在电厂水工结构中，普遍的使用掺合料。如：粉煤灰、硅粉、粒化高炉矿渣及各种天然火山灰质混合料等。掺合料的品质必须符合现行的行业和国家的标准。

2.水工混凝土结构极限

水工混凝土的结构极限可以分为承载能力与正常使用两种极限状态。水工混凝土的承载力极限状态是指结构材料强度超过了破坏的最大承载力，或由于变形严重而导致的不能继续承载。在使用水工建筑作为挡水结构时，要将受压破坏极限值来作为设计根据。设定最低的应力限值，使最大的拉力要低于此值。所以在水工混凝土结构设计中要确定好应力约束极限状态，来测定混凝土的不连续点，减少裂缝的产生。

3.裂缝的控制

裂缝控制是水工混凝土结构设计中的重要环节。水利工程中，多数结构都是受裂缝要求控制，而不只是承载力的控制。要通过一些办法来减少裂缝的出现。要确定出容许裂缝的宽度，要根据当地的潮湿环境、荷载性质以及水压力的变化等参数来进行确定，综合考虑。一般而言，不同的安全等级的水工建筑，耐久性指标也会不同。现代工程中，裂缝的控制适用于一些标准弯拉构件上，在水工建筑结构中多数使用的是非常规的杆件，所以如何控制好裂缝的宽度是水工混凝土结构设计中的难点与要点。对裂缝的设定要根据钢筋混凝土构件的裂性评估后结论，根据断面的作用力变形情况所导致的裂纹开度制定相应的标准。

4.抗冲蚀材料应用

对于水工泄水结构的抗磨防蚀设计，抗冲蚀材料的性能也是其中的一项重要指标。其中材料的硬度对于其抗磨防蚀性能至关重要，若材料的韧性良好则可以吸收一定的冲击能量，从而减少其因疲劳破坏而产生断裂破坏。常见的抗磨防蚀材料有混凝土类、砂浆类、护面板材类和抗冲蚀涂层等。混凝土类包括钢纤维混凝土、高标号混凝土以及微纤维多元复合混凝土等，砂浆类包括钢纤维砂浆、硅粉砂浆和聚合物砂浆等，护面板材类包括钢板、高铝陶瓷和铸石板等，抗冲蚀涂层包括聚脲弹性体材料、双组分合成橡胶等。而对于抗冲蚀材料的使用，要针对含沙水流对于结构破坏作用的复杂性，并结合相应水流的具体情况，进行全方面的分析和设计，选用最合理的材料。

5.设计指标的确定

根据相应的规范进行抗冲磨混凝土厚度的估算，但要考虑工程正常运行的需要，充分分析其存在的隐患和效益损失，进行及时的维修，并且在具体的工程实践中进行相应的调整，如果有明显的不合理情况要及时重新选择设计方案。设计指标的控制，主要是对于混凝土抗压强度和抗冲磨防空蚀性能的研究，这两项指标的影响因素很多，主要包括水灰比、骨料种类和骨料配合比等，还有混凝土的抗冲磨性能和耐久性的结构指标，往往会伴随着其他的破坏形式，如碳化、渗透以及冻融等。因此，既要注意对于结构的强度指标的控制，也要注意其耐久性相关指标的观测控制

6.结构外形

一个合理的结构外形对于水工泄水结构的抗磨防蚀性能有着至关重要的作用，并且鉴于结构的一次性，结构一旦成形，对于其抗磨防蚀性能很难在技术上再加以改善，并且费用也会进一步提高，因此应该在结构建设之前就对结构外形进行缜密的设计。分水导墙等薄壁结构，对于结构的作用性以及水流流速的防御要求很高而且费用会占很大比例，要通过水弹性模型试验来研究水流的脉动壁压作用，进行合理的结构外形设计，确保在动态的影响情况下，对结构的共振进行合理的控制，从而来解决流激振动破坏的影响。而为了防止空蚀对泄水结构的破坏，要对结构的边界轮廓形状进行改进，从而使泄水运行过程中各个部位的水流空化数大于其初生的空化数。另外，在泄水结构选择和水力设计过程中，应该注意沿程动水压强的分布，限制测压管水头出现负压的范围和绝对值，从而间接地控制水流空化数。从而控制合理的过流边壁体形，对含沙高速水流的冲磨和空蚀形成进行有效控制。

四.结束语

电厂水工结构工程中的耐久性设计是确保电厂水工结构整体安全的必须措施，结合电厂水工结构实际特点，开展针对性设计，确保电厂水工结构安全。

参考文献：

[1]张开军，鲁航线.耐久性设计在电厂水工结构工程中的应用探讨[J].城市道桥与防洪，2014，（4）：242-244

[2]邢林生.佛子岭连拱坝耐久性分析[J].水力发电，2006，32（10）：98-101

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