考虑长期服役性能的水工结构耐久性设计方法研究

一、引言

随着水利工程建设规模不断扩大，水工结构服役年限日益增长，其长期服役性能成为保障水利工程安全运行的关键。耐久性设计直接影响水工结构的使用寿命与功能发挥，然而，现有设计方法在应对复杂环境与长期性能劣化方面存在不足。研究考虑长期服役性能的耐久性设计方法，对提高水工结构安全性、降低维护成本具有重要意义。

二、水工结构耐久性影响因素分析

2.1 环境因素

水工结构长期处于复杂水环境中，受到水流冲刷、冻融循环、化学侵蚀等多重环境作用。水流冲刷会磨损混凝土表面，降低结构尺寸精度；冻融循环致使混凝土内部孔隙水结冰膨胀，产生微裂缝；化学侵蚀则通过水中酸碱盐等物质与混凝土成分发生化学反应，破坏结构内部微观结构 ，加速结构劣化。

2.2 材料因素

材料性能是决定水工结构耐久性的基础。混凝土的配合比、骨料质量、水泥品种等直接影响其抗渗性、抗冻性和抗侵蚀性。钢材的锈蚀问题也不容忽视，在潮湿环境下，钢材表面易发生电化学腐蚀，导致截面削弱，承载能力下降。材料老化会随着服役时间增长而加剧，进一步威胁结构安全。

2.3 结构设计与施工因素

不合理的结构设计会导致应力集中、排水不畅等问题，为耐久性劣化埋下隐患。施工过程中，混凝土振捣不密实、养护不到位，以及钢筋保护层厚度不足等，都会降低结构的初始质量，使得结构在服役初期就存在缺陷，在外界环境作用下，这些缺陷会加速结构性能退化。

三、考虑长期服役性能的耐久性设计方法

3.1 基于可靠度理论的设计方法

可靠度理论通过定量分析结构失效概率，为耐久性设计提供科学依据。在水工结构耐久性设计中，可将环境作用、材料性能、荷载效应等作为随机变量，建立结构耐久性极限状态方程，通过可靠度指标评估结构在设计使用年限内的耐久性水平，从而优化设计参数，确保结构具有足够的耐久性储备。

3.2 全寿命周期设计方法

全寿命周期设计方法从结构规划、设计、施工、运营到退役的全过程考虑耐久性问题。在设计阶段，综合分析不同设计方案的初期建设成本与全寿命周期维护成本，选择经济合理且耐久性良好的方案；在运营阶段，建立长期监测系统，根据结构性能变化及时采取维护措施，延长结构使用寿命，实现全寿命周期内结构性能与成本的最优平衡。

3.3 耐久性优化设计方法

在耐久性优化设计实践中，数值模拟与试验研究的协同应用成为关键技术路径。利用 ANSYS、ABAQUS 等专业有限元分析软件，通过构建精细化三维模型，模拟水工结构在温度场、渗流场与应力场耦合作用下的性能演变过程。以某大型水坝为例，在模型中精准输入坝体材料参数、环境侵蚀边界条件及长期荷载数据，模拟结果显示坝体廊道转角处、坝踵部位在长期硫酸盐侵蚀与冻融循环作用下，混凝土损伤因子年均增长 0.05，显著高于其他区域，成功定位耐久性薄弱环节，为结构补强设计提供依据。室内试验则聚焦新材料与新工艺的性能验证。针对水工结构面临的化学侵蚀问题，开展新型抗硫酸盐水泥基复合材料试验，通过调整矿物掺合料（如硅灰、矿渣微粉）比例，对比不同配合比试件在模拟硫酸盐溶液中的抗压强度损失率、质量变化率及微观结构演变。

四、案例分析与应用

4.1 案例选取

选取我国西南地区某大型碾压混凝土重力坝作为研究案例，该水坝自1998 年建成投入使用，至今已服役超 25 年。坝体全长 1200 米，最大坝高 185 米，在长期运行过程中，受高水头压力、强水流冲刷及季节性冻融循环影响，坝体上游面出现多条宽度在 0.2-0.5 毫米的混凝土裂缝，部分区域钢筋锈蚀导致混凝土保护层剥落。通过实地勘察与资料收集发现，该水坝坝址位于喀斯特地貌区域，地下水中硫酸根离子含量高达 800mg/L ，远超普通地表水标准，对混凝土产生持续化学侵蚀。同时，水坝原设计中未充分考虑特殊地质条件下的防侵蚀措施，施工阶段混凝土浇筑层间结合不良，进一步加剧了耐久性问题。

4.2 耐久性评估

在对该水坝进行耐久性评估时，组建专业技术团队采用多种检测手段获取关键数据。利用超声回弹综合法对坝体不同部位混凝土强度进行检测，共布置 120 个测区，检测结果显示，坝体下游面混凝土平均强度较设计值下降 18‰ 。通过酚酞试剂法测定混凝土碳化深度，发现坝体迎水面碳化深度最大值达 45mm ，已接近钢筋保护层厚度。采用半电池电位法对钢筋锈蚀情况进行普查，结果表明，坝体水位变动区钢筋锈蚀率平均达到 12% ，局部区域超过 20‰ 。结合该地区气象站近 30 年的环境监测数据，统计冻融循环次数、水中化学物质浓度变化等参数，将这些实测数据与材料劣化模型相结合，基于可靠度理论建立水坝耐久性评估模型。经计算，当前水坝结构在正常使用极限状态下的可靠度指标为 2.8，低于设计基准值 3.2，预测在未来 10 年内，若不采取有效措施，结构失效概率将从当前的 3.5% 上升至 12% ，直观反映出该水坝耐久性劣化的严峻形势。

4.3 优化设计与应用效果

针对评估发现的问题，项目团队制定了全方位的耐久性提升方案。在混凝土表面防护方面，采用硅烷浸渍技术对坝体迎水面进行处理，形成厚度约 0.5mm 的憎水膜，有效阻止水分及有害离子侵入；对于裂缝修复，对宽度小于 0.3mm 的裂缝采用低压注胶技术，注入环氧树脂胶液进行封闭，宽度大于 0.3mm 的裂缝则开槽填充聚合物砂浆并粘贴碳纤维布增强。在钢筋防腐处理上，对锈蚀钢筋进行除锈后，涂抹环氧富锌底漆并增设不锈钢护套管，同时在混凝土中添加钢筋阻锈剂。从全寿命周期角度出发，将这些维护措施的初期成本与未来 30 年的预期维护成本进行综合测算，对比多种方案后选择最优组合。方案实施后，连续 3 年对水坝进行跟踪监测，数据显示，混凝土碳化速度降低 60% ，钢筋锈蚀率基本控制在 3% 以内，结构振动频率等力学性能指标趋于稳定，年均维护成本从优化前的800 万元降至 350 万元，显著验证了基于全寿命周期和耐久性优化设计方法的有效性与经济性。

五、结论

本文系统研究了考虑长期服役性能的水工结构耐久性设计方法。分析了环境、材料、结构设计与施工等影响耐久性的关键因素，探讨了基于可靠度理论、全寿命周期等设计方法，并通过实际案例验证了这些方法的可行性与有效性。研究成果可为水工结构耐久性设计提供理论支持与实践指导，有助于提高水工结构长期服役性能，保障水利工程安全稳定运行。

参考文献

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