堤壩混凝土防滲墻滲透溶蝕演化規(guī)律研究

甘 磊，陳官運(yùn)，沈振中，徐力群

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

我國(guó)堤防工程大多是傍河而建，表現(xiàn)出堤基條件差，堤身質(zhì)量差，堤后坑塘多，覆蓋層薄弱等特點(diǎn)。黃河下游河道是舉世聞名的“善淤、善決、善徙”的地上懸河，其右岸臨黃堤長(zhǎng)624.248 km，左岸臨黃堤長(zhǎng)746.979 km，部分堤段采用混凝土防滲墻進(jìn)行基礎(chǔ)防滲，這些混凝土防滲墻常年受滲流作用，因環(huán)境水作用，其物理、化學(xué)性能改變[1]，導(dǎo)致固相鈣分解析出，孔隙率增大，強(qiáng)度降低，即發(fā)生滲透溶蝕現(xiàn)象。

滲透溶蝕是混凝土結(jié)構(gòu)主要病害之一[2]，我國(guó)許多混凝土壩在運(yùn)行多年后逐漸顯現(xiàn)裂縫、滲透溶蝕等老化病害，其中滲漏及其引起的壩體混凝土溶出性侵蝕較為普遍[3]，如運(yùn)行70多年的豐滿混凝土重力壩，壩體混凝土已遭到了明顯溶蝕破壞。對(duì)壩體鉆孔檢查發(fā)現(xiàn)，壩體內(nèi)部混凝土表現(xiàn)出極強(qiáng)的空間變異性，混凝土抗壓強(qiáng)度一般在15 MPa以上，但局部無(wú)法取芯，實(shí)際強(qiáng)度低于10 MPa。滲漏部位的壩體混凝土強(qiáng)度下降可達(dá) 20%，局部區(qū)域則達(dá) 70%，甚至完全失去強(qiáng)度成為疏松體[4]。羅灣混凝土重力壩，運(yùn)行9年以后，廊道內(nèi)部分排水孔口 CaCO3晶體呈瀑布狀，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，溶蝕部位混凝土后期強(qiáng)度不僅未增長(zhǎng)，反而明顯下降，擋水運(yùn)行10年后僅為設(shè)計(jì)值的83%[5]。

目前，關(guān)于溶蝕現(xiàn)象的研究，多為不考慮滲流作用的接觸溶蝕，鈣離子析出的驅(qū)動(dòng)力是溶液間的濃度梯度[6]。然而，對(duì)于堤壩混凝土防滲墻而言，滲流作用對(duì)溶蝕進(jìn)程的影響不容忽視。滲流作用下滲透溶蝕鈣離子析出的驅(qū)動(dòng)力不僅是濃度梯度，還有水力梯度。在水力梯度作用下，孔隙溶液的運(yùn)移作用加快了固相鈣的分解速率和鈣離子析出速率，加速了溶蝕進(jìn)程[7]。同時(shí)，滲流作用下混凝土產(chǎn)生滲透溶蝕現(xiàn)象，將導(dǎo)致材料孔隙率增加，從而引起滲透系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)增大，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)整體的滲流場(chǎng)，滲流場(chǎng)的改變又反作用于溶蝕場(chǎng)，加速溶蝕進(jìn)程[8-10]。

在水泥基材料滲透溶蝕數(shù)值模型研究方面，Nakarai等[9]將硬化水泥基體中鈣離子的析出模擬為鈣的固-液兩相平衡的過(guò)程，從熱力學(xué)角度推導(dǎo)了鈣離子運(yùn)移過(guò)程。Yokozeki等[10]分析了溫度對(duì)鈣離子浸出過(guò)程的影響，建立了水化產(chǎn)物溶解度平衡模型，結(jié)合溶解度模型和對(duì)流擴(kuò)散模型模擬了混凝土中鈣離子的析出。Ulm等[11]提出了基于固相鈣分解反應(yīng)速率計(jì)算方法的化學(xué)-孔隙-塑性理論。Gawin等[12]在Ulm等理論基礎(chǔ)上，研制了去離子水中的水-力-化學(xué)溶蝕模型。Huo等[13]建立了反映滲流、化學(xué)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)等特征的多場(chǎng)耦合模型，研究滲透溶蝕對(duì)帷幕孔隙率和防滲性能的影響。彭鵬等[14]依據(jù)滲流水力學(xué)及水文地球化學(xué)基本理論，建立了反映帷幕體防滲時(shí)效多場(chǎng)耦合作用模型。現(xiàn)有水泥基材料滲透溶蝕分析模型仍存在一些問(wèn)題，已有研究有的將滲透系數(shù)定義為常數(shù)，忽略溶蝕作用所導(dǎo)致的滲透系數(shù)演變；有的采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，未考慮孔隙率、孔隙結(jié)構(gòu)改變對(duì)滲透系數(shù)的影響，也未對(duì)材料固相鈣含量、滲透系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行分析，存在一定局限[15-16]。目前，堤壩防滲墻滲透溶蝕演化規(guī)律的相關(guān)研究成果尚少，但滲透作用會(huì)加速壩基防滲墻的溶蝕進(jìn)程，縮短壩基防滲墻使用壽命。

本文針對(duì)混凝土防滲墻滲透溶蝕問(wèn)題，考慮混凝土防滲墻滲流-溶蝕耦合效應(yīng)，提出基于孔隙率變化的滲透溶蝕微分控制方程。結(jié)合某土工膜堤壩工程，建立該堤壩多物理場(chǎng)滲透溶蝕數(shù)值模型，研究滲流作用下混凝土防滲墻滲透溶蝕演化規(guī)律，研究成果可為堤壩工程長(zhǎng)效服役性能評(píng)估提供理論依據(jù)。

2 混凝土滲流-溶蝕耦合分析模型

2.1 鈣離子質(zhì)量守恒定律水泥水化物的孔隙溶液中存在一些離子，當(dāng)孔隙內(nèi)外濃度存在差異時(shí)，通過(guò)擴(kuò)散作用而使?jié)舛缺３制胶狻Ｍǔ?，多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散現(xiàn)象通過(guò)表觀擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算，研究混凝土內(nèi)離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，假定骨料不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，考慮骨料對(duì)離子傳輸路徑的影響(傳輸路徑曲折度)，如圖1所示。

圖1 混凝土細(xì)觀孔隙內(nèi)的離子傳輸模型

鈣離子在水泥基體孔隙溶液中的質(zhì)量守恒定律如式(1)，涉及孔隙溶液中鈣離子總質(zhì)量和漿體中固相鈣的總質(zhì)量[9-10，12]。

(1)

考慮擴(kuò)散-對(duì)流情況下鈣離子在多孔介質(zhì)中的傳輸通量為[17-18]

(2)

式中：Deff為基體內(nèi)考慮對(duì)流及孔隙曲折度的鈣離子有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；u為達(dá)西流速，uT=[ux，uy]，m/s。

2.2 孔隙率變化模型硬化的水泥基體中的孔隙可大致分為滯留空氣、夾帶空氣、毛細(xì)孔和凝膠孔，溶蝕過(guò)程中的孔隙率可表示為[19-22]：

θ=Pvol(θgel+θcap)+θleach

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

式中：Pvol為混凝土中水泥基體的體積分?jǐn)?shù)，本文取0.26[10]；θgel為凝膠孔隙率；θcap為毛細(xì)孔隙率；θleach為溶蝕過(guò)程產(chǎn)生的孔隙率增量；hα為水泥水化程度；w/c為水灰比，本文取0.6[10]；MCH為氫氧化鈣的摩爾質(zhì)量，g/mol；ρCH為氫氧化鈣的密度，kg/m3；Cs0為基體中初始固相鈣含量，mol/m3；Cs為溶蝕過(guò)程中基體中固相鈣含量，mol/m3。

混凝土防滲墻內(nèi)可溶解固相鈣主要由氫氧化鈣和水化硅酸鈣組成。在環(huán)境水侵蝕作用下，混凝土內(nèi)的氫氧化鈣和水化硅酸鈣依次溶解，首先氫氧化鈣開(kāi)始溶解，當(dāng)氫氧化鈣全部溶解后，水化硅酸鈣開(kāi)始溶解。本文僅考慮氫氧化鈣的溶解[13，23]，隨著氫氧化鈣的不斷溶解，防滲墻的孔隙率不斷增大，其增長(zhǎng)速率為

(7)

式中：RCH為氫氧化鈣的溶解速率，mol/(m3·s)。氫氧化鈣的溶解速率與溶液中鈣離子濃度有如下關(guān)系[13，23]：

(8)

式中：A為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù)；n為動(dòng)力學(xué)指數(shù)；C(Ca2+)為溶液中鈣離子濃度，mol/m3；C(OH-)為溶液中氫氧根離子濃度，mol/m3；Ksp為氫氧化鈣的溶度積常數(shù)。

2.3 擴(kuò)散系數(shù)變化擴(kuò)散作用下，以孔隙溶液與完全不受基質(zhì)影響的稀溶液作為擴(kuò)散介質(zhì)，其擴(kuò)散系數(shù)有著較大差異。如果認(rèn)為微孔是一組大而均勻的孔隙，且鈣離子在水泥水化物及骨料中不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，則由于曲折度的影響，鈣離子在微孔內(nèi)沿實(shí)際路徑的遷移距離大于基質(zhì)長(zhǎng)度，因此，表觀擴(kuò)散系數(shù)較低。同時(shí)，當(dāng)孔隙數(shù)量增加時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)也隨之增大。因此，取鈣離子在水溶液中的基本擴(kuò)散系數(shù)D0，根據(jù)孔隙率和基質(zhì)曲折度的變化，孔隙溶液的有效擴(kuò)散系數(shù)表示為：

(9)

式中：Gvol為混凝土中粗骨料的體積分?jǐn)?shù)，本文取0.414[10]；Svol為混凝土中細(xì)骨料的體積分?jǐn)?shù)，本文取0.326[10]；ξ和ζ為骨料修正系數(shù)，本文分別取1.5和0.86[24]；Pvol為混凝土中水泥基體的體積分?jǐn)?shù)；f(θ-θgel)為反映微孔曲折度的換算系數(shù)[10]，計(jì)算如下式所示：

f(θ-θgel)=0.001+0.07(θ-θgel)2+1.8H(θ-θgel-0.18)(θ-θgel-0.18)2

(10)

式中H(x)為Heaviside函數(shù)。當(dāng)x>0時(shí)，H(x)=1；當(dāng)x≤0時(shí)，H(x)=0。

考慮對(duì)流及孔隙曲折度的鈣離子有效擴(kuò)散系數(shù)可表示為[15]：

Deff=α·u+Ds

(11)

式中α為彌散度，m。

2.4 滲流-溶蝕耦合分析方程孔隙溶液中溶質(zhì)遷移的對(duì)流速率在無(wú)流動(dòng)水中為零，當(dāng)環(huán)境水存在水力梯度時(shí)，根據(jù)滲流微分方程計(jì)算對(duì)流速率。根據(jù)達(dá)西定律建立的滲流微分方程為：

(12)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；Qm為源匯項(xiàng)，kg/(m3·s)；p為孔隙水壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；k為滲透系數(shù)，m/s。水泥基材料的滲透系數(shù)通常為孔隙率的函數(shù)，根據(jù)Kozeny-Carman(K-C)方程可得滲透系數(shù)的演化方程為[25]：

(13)

式中：k0為初始滲透系數(shù)，m/s；θ0為初始孔隙率，本文取混凝土水化完全時(shí)(hα=1)的孔隙率作為初始孔隙率。

圖2為滲流-溶蝕耦合求解過(guò)程流程圖，通過(guò)式(12)計(jì)算出孔隙溶液對(duì)流速率，進(jìn)而影響式(2)中鈣離子在多孔介質(zhì)中的傳輸通量，改變鈣離子擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鈣離子的遷移擴(kuò)散，混凝土孔隙率增加，滲透系數(shù)變大，從而對(duì)滲流場(chǎng)產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)滲透溶蝕耦合過(guò)程?；阝}離子在水泥基體孔隙溶液中的質(zhì)量守恒定律公式(1)和滲流微分方程式(12)，建立混凝土防滲墻滲透溶蝕耦合非線性偏微分方程組，采用有限元法進(jìn)行數(shù)值求解，運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件中的達(dá)西定律模塊及溶質(zhì)運(yùn)移模塊進(jìn)行滲流場(chǎng)和溶質(zhì)運(yùn)移場(chǎng)的耦合分析。

圖2 滲流-溶蝕耦合求解過(guò)程流程圖

3 試驗(yàn)論證

本文采用文獻(xiàn)[19]混凝土試件溶蝕算例進(jìn)行模型驗(yàn)證，試件橫斷面尺寸為100 mm×100 mm，模擬其全部浸泡在軟水中的溶蝕情況，研究其溶蝕深度演化規(guī)律，混凝土配合比見(jiàn)表1，有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

表1 混凝土配合比

圖3 混凝土試件有限元網(wǎng)格模型

圖4為混凝土試件浸泡360 d后的鈣離子濃度分布圖。從圖4可看出，鈣溶蝕過(guò)程是一個(gè)由表及里的過(guò)程，符合試驗(yàn)規(guī)律。當(dāng)孔隙溶液中鈣離子濃度為19.1 mol/m3時(shí)，氫氧化鈣晶體完全溶解，故以濃度19.1 mol/m3等值線到混凝土表面的垂直距離作為鈣溶蝕深度。不同溶蝕時(shí)間下鈣離子隨溶蝕深度(h)變化規(guī)律如圖5所示，圖中曲線與虛線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)代表混凝土溶蝕深度。圖6為溶蝕深度隨溶蝕時(shí)間的變化曲線。由圖6可知，溶蝕深度隨時(shí)間增大而增大，溶蝕60、120、180、240和320 d后混凝土試件溶蝕深度分別為3.4、4.6、5.4、6.2和7.2 mm，混凝土溶蝕深度與時(shí)間的平方根呈較好線性關(guān)系，與文獻(xiàn)[19]結(jié)果較為吻合。

圖4 試件浸泡360 d鈣離子濃度分布

圖5 不同溶蝕時(shí)間下鈣離子濃度隨溶蝕深度的變化曲線

圖6 溶蝕深度與侵蝕時(shí)間的關(guān)系曲線

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 計(jì)算模型和參數(shù)某堤壩位于黃河干流上，為復(fù)合土工膜砂礫石壩，壩頂高程1883.50 m，最大壩高23.50 m，正常蓄水位1880.50 m，上游壩坡布置1道復(fù)合土工膜防滲，并與上游圍堰中的混凝土防滲墻相接，混凝土防滲墻厚0.6 m，防滲墻設(shè)計(jì)頂高程為1870.00 m，防滲墻底部深入微透水的弱風(fēng)化巖體中。

采用COMSOL Multiphysics軟件建立該堤壩典型斷面有限元計(jì)算模型，考慮壩體主要結(jié)構(gòu)和地層，計(jì)算模型如圖7所示。上游庫(kù)水中鈣離子濃度取1.0 mol/m3[15]，上游水頭邊界取正常蓄水位1880.50 m以下壩體上游面與河床覆蓋層頂部，下游水頭邊界取正常尾水位1862.31 m以下壩體下游面與河床覆蓋層頂部，正常尾水位以上壩體下游面設(shè)置出逸邊界，壩基上游邊界、下游邊界和底邊界設(shè)置為不透水邊界。計(jì)算區(qū)域材料滲透參數(shù)由地勘部門提供；防滲墻初始孔隙率取為0.12，運(yùn)行過(guò)程中由式(3)計(jì)算所得，其它非水泥基材料的孔隙率按工程經(jīng)驗(yàn)選取，運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生變化；考慮到骨料及孔隙對(duì)鈣離子傳輸路徑的影響，防滲墻有效擴(kuò)散系數(shù)D0由式(11)獲得；化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)參照文獻(xiàn)[15]和水庫(kù)年平均溫度20 ℃綜合確定，堤壩計(jì)算模型滲透溶蝕參數(shù)如表2所示。

圖7 計(jì)算模型示意

表2 計(jì)算模型滲透溶蝕參數(shù)

4.2 結(jié)果與討論

(1)鈣離子分布。圖8為不同服役年份下混凝土防滲墻中鈣離子濃度分布圖。由圖8可知，防滲墻頂部和底部鈣離子濃度值較中部低，運(yùn)行20 a時(shí)，防滲墻內(nèi)部鈣離子濃度最大值為5.239 mol/m3，運(yùn)行100 a后，鈣離子濃度最大值僅為2.485 mol/m3，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，防滲墻中鈣離子整體濃度不斷降低，年平均變化速率約為0.03 mol/(m3·a)。

圖8 防滲墻鈣離子濃度分布(單位：mol/m3)

防滲墻3個(gè)典型位置，點(diǎn)A(-1.9，1869.0)、點(diǎn)B(-1.9，1863.0)、點(diǎn)C(-1.9，1856.0)的鈣離子濃度變化如圖9所示。由圖9可知，3個(gè)典型位置的鈣離子濃度隨服役年限增長(zhǎng)均不斷降低，與文獻(xiàn)[15]中所得變化趨勢(shì)和數(shù)量級(jí)較為一致。鈣離子濃度是表征防滲墻溶蝕量的指標(biāo)，鈣離子濃度低說(shuō)明對(duì)流遷移速率大，防滲墻溶蝕反應(yīng)強(qiáng)，溶蝕量高。

圖9 典型位置鈣離子濃度變化

(2)孔隙率變化。圖10為防滲墻不同溶蝕時(shí)刻下的孔隙率分布圖。由圖10可知，隨著Ca(OH)2在混凝土防滲墻中的不斷溶解和地下水的遷移，防滲墻的孔隙率不斷增大，運(yùn)行100 a后混凝土防滲墻孔隙率約為0.33。這種變化在空間和時(shí)間上有一定差異，但由于墻體結(jié)構(gòu)較薄，空間分布差異數(shù)值較小，但分布規(guī)律較明顯，防滲墻頂部和底部溶蝕現(xiàn)象較中部嚴(yán)重，頂部上游側(cè)溶蝕范圍較下游側(cè)更大，底部溶蝕深度較大。這主要是由于這些部位流速較大，且鈣離子濃度較低，反應(yīng)速率較大。本文混凝土防滲墻不同溶蝕時(shí)刻下孔隙率分布規(guī)律與文獻(xiàn)[13，15]研究成果相吻合，但由于防滲體厚度及埋深有所不同，不同位置孔隙率在數(shù)值變化上存在一定差異。

圖10 不同溶蝕時(shí)刻下防滲墻孔隙率分布

(3)滲流特性。初始時(shí)刻，庫(kù)水通過(guò)壩體及防滲體滲向下游，浸潤(rùn)線在土工膜及防滲墻處產(chǎn)生突變，防滲體削減水頭百分比約為97.8%，削減水頭作用明顯，初始時(shí)刻壩體及壩基水頭等勢(shì)線分布如圖11所示。

圖11 初始時(shí)刻壩體及壩基水頭等勢(shì)線分布(單位：m)

隨著溶蝕過(guò)程的發(fā)生，防滲墻內(nèi)孔隙率在不斷增大，孔隙率增加導(dǎo)致滲透系數(shù)增大，進(jìn)而影響防滲墻滲流場(chǎng)分布。分析溶蝕對(duì)防滲墻不同區(qū)域滲透系數(shù)的影響，選取防滲墻上、中和下3個(gè)典型斷面(1-1、2-2和3-3斷面)，各斷面不同時(shí)刻平均滲透系數(shù)變化曲線如圖12所示。由圖12可知，3個(gè)斷面平均滲透系數(shù)均隨時(shí)間呈指數(shù)型增長(zhǎng)，且差異性較小，滲透溶蝕100 a內(nèi)，滲透系數(shù)由最初的1.0×10-9m/s增長(zhǎng)到3.6×10-8m/s，混凝土防滲墻防滲性能逐漸降低。這與流速分布關(guān)聯(lián)密切，防滲墻周圍地下水流速分布如圖13所示。運(yùn)行100 a后防滲墻滲透系數(shù)變化量級(jí)與文獻(xiàn)[16]成果相吻合。由圖13可直觀看出，墻前與底部地下水滲透流速較大，最大流速約為2.5×10-5m/s，對(duì)流作用效應(yīng)較大，導(dǎo)致這些部位鈣離子濃度減少更快，溶蝕作用更強(qiáng)。

圖12 典型斷面不同時(shí)刻滲透系數(shù)變化曲線

圖13 地下水流速分布

隨著運(yùn)行時(shí)間推移，防滲墻后的浸潤(rùn)線不斷抬升，當(dāng)?shù)竭_(dá)100 a時(shí)，防滲體削減水頭百分比從最初的97.8%減小至95.1%。大壩滲流量也在增加，堤壩、防滲墻單寬流量及防滲墻單寬流量占比變化曲線如圖14所示。由圖14可以看出，流量隨時(shí)間呈明顯增大的趨勢(shì)，初始時(shí)刻堤壩單寬流量為2.23 m2/d，運(yùn)行100 a后單寬流量為3.35 m2/d，較初始時(shí)刻增大了約50%，初始時(shí)刻防滲墻單寬流量為0.04 m2/d，運(yùn)行100 a 后單寬流量為1.28 m2/d，較初始時(shí)刻增大了31倍，與其防滲墻滲透系數(shù)增大倍數(shù)相當(dāng)。防滲墻單寬流量占堤壩總單寬流量的百分比隨堤壩運(yùn)行年份增加呈指數(shù)函數(shù)增加，從初始時(shí)刻的1.6%提高至運(yùn)行100 a后的38.3%，說(shuō)明防滲墻滲透溶蝕對(duì)其防滲性能劣化效應(yīng)隨運(yùn)行時(shí)間逐年增強(qiáng)，防滲墻防滲性能不斷衰減，庫(kù)區(qū)滲漏量顯著增加。

圖14 堤壩、防滲墻單寬流量及防滲墻單寬流量占比變化曲線

(4)混凝土防滲墻使用年限估算。從防滲墻溶蝕和防滲性能兩個(gè)方面對(duì)混凝土防滲墻使用年限進(jìn)行估算，不同溶蝕時(shí)間下混凝土防滲墻中鈣離子濃度和滲透系數(shù)變化曲線如圖15所示。一方面結(jié)合已有文獻(xiàn)[26]成果，將氧化鈣溶出量達(dá)25%作為混凝土防滲墻溶蝕年限，本文將混凝土防滲墻中鈣離子濃度峰值折減25%作為混凝土防滲墻使用年限。由圖15可知，溶蝕初期，混凝土中的膠凝材料發(fā)生水化反應(yīng)使得防滲墻中鈣離子濃度增大，隨溶蝕歷時(shí)增大，水化反應(yīng)逐漸減弱，在滲透水流作用下防滲墻中鈣離子不斷被遷移出，當(dāng)防滲墻中鈣離子濃度下降至峰值的75%，即3.614 mol/m3時(shí)，認(rèn)定混凝土防滲墻溶蝕年限為44.0 a。

圖15 防滲墻中鈣離子濃度和滲透系數(shù)隨溶蝕時(shí)間的變化曲線

另一方面，考慮堤壩壩基混凝土防滲墻有一定的防滲要求，防滲墻混凝土防滲等級(jí)需根據(jù)防滲墻承受的水頭、墻體厚度和建筑物重要性，并滿足一定安全系數(shù)儲(chǔ)備和滲透系數(shù)要求進(jìn)行設(shè)定。一般塑性混凝土防滲墻防滲等級(jí)要求比常規(guī)混凝土要低，其滲透系數(shù)一般控制在n×10-9m/s范圍(n∈(1，10))，本文以1.0×10-8m/s作為混凝土防滲墻滲透系數(shù)控制指標(biāo)。由圖15可知，防滲墻滲透系數(shù)隨溶蝕歷時(shí)呈指數(shù)增加，當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)增大至1.0×10-8m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的溶蝕時(shí)間為66.4 a。

綜合混凝土防滲墻鈣離子遷移和滲透系數(shù)變化規(guī)律，認(rèn)定該堤壩混凝土防滲墻使用年限為44.0 a。文獻(xiàn)[26]開(kāi)展了12個(gè)塑性混凝土試件長(zhǎng)期滲透溶蝕試驗(yàn)，測(cè)定了塑性混凝土滲透系數(shù)和氧化鈣含量，計(jì)算得出塑性混凝土防滲墻使用年限為37.1～60.7 a。新疆烏拉泊水庫(kù)大壩已經(jīng)運(yùn)行了33.0 a，通過(guò)埋設(shè)的測(cè)壓管觀測(cè)，暫未發(fā)現(xiàn)壩基滲流異常情況，其塑性混凝土防滲墻運(yùn)行良好。本文計(jì)算成果與文獻(xiàn)[26]研究成果的變化規(guī)律和數(shù)值均較為吻合，說(shuō)明本文提出的混凝土防滲墻滲透溶蝕耦合分析模型合理，適用于模擬堤壩混凝土防滲墻滲透溶蝕演化進(jìn)程，研究成果亦可推廣應(yīng)用于土石壩壩基防滲結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期滲透溶蝕特性分析。

5 結(jié)論

本文建立了考慮擴(kuò)散-滲流-化學(xué)作用的混凝土滲流-溶蝕耦合分析模型，模擬了某復(fù)合土工膜砂礫石堤壩防滲墻滲透溶蝕進(jìn)程，研究了防滲墻防滲性能演化規(guī)律，主要結(jié)論如下：(1)混凝土鈣溶蝕算例表明當(dāng)孔隙溶液中鈣離子濃度為19.1 mol/m3時(shí)，氫氧化鈣晶體完全溶解，溶蝕60、180和320 d后混凝土試件溶蝕深度分別為3.4、5.4和7.2 mm，混凝土溶蝕深度與時(shí)間的平方根呈線性關(guān)系，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)值較為一致。(2)防滲墻中鈣離子濃度降低會(huì)引起防滲墻孔隙率變化，不同部位變化情況略有不同，防滲墻頂部和底部溶蝕現(xiàn)象較中部嚴(yán)重，頂部上游側(cè)溶蝕范圍較下游側(cè)更大，底部溶蝕深度較大，固相鈣溶蝕量也較高。(3)隨著運(yùn)行時(shí)間推移，防滲墻孔隙率不斷增大，滲透系數(shù)會(huì)呈指數(shù)型增大，防滲墻后浸潤(rùn)線不斷抬升。運(yùn)行100 a后混凝土防滲墻孔隙率約為0.33，滲透系數(shù)增大了35倍，堤壩單寬滲流量增大了50%，混凝土防滲墻防滲性能顯著降低。(4)結(jié)合混凝土防滲墻鈣離子遷移和滲透系數(shù)成果，綜合認(rèn)定該堤壩混凝土防滲墻使用年限為44.0 a。本文提出的混凝土防滲墻滲流-溶蝕耦合分析模型合理，研究成果可為堤壩工程長(zhǎng)效運(yùn)行和修補(bǔ)加固提供理論依據(jù)。