关键词 病险大坝 病变机理 碱集料反应摘 要 对老坝普遍存在的裂缝、碱集料反应和环境等病变机理进行重点探讨，为21世纪老坝补强加固提供源头的技术支持。
我国是世界筑坝大国，现有堤坝约87万座，其中50年代末至70年代修建的大坝约8万座，由于历史原因，相当一部分大坝是边勘测、边设计、边施工的，加之管理不善，不少大坝成为病险大坝，少数大坝甚至溃坝失事。据不完全统计，在3100多座大中型水库大坝中，病险大坝约占20%，小型水库大坝中约有40%也是病险的。80年代以来，我国加强了大坝安全管理和病险大坝的补强加固，对大坝定期检查或鉴定，不少病险大坝安全得到改进。然而，由于这些工程先天不足，并随着运行时间的增长，仍然需要对他们的病变和安全机理进行分析研究，以便进一步采取措施，提高其安全性和使用寿命。同时，为在建和规划设计中的大坝提供借鉴。
一、老坝的不安全因素及其成因
老坝的不安全因素主要有以下几个方面。
1 防洪设计标准偏低
70年代以前，设计标准主要采取原苏联的设计规范，没有考虑中国的洪水特点，加之水文资料不足，相当一部分大坝的洪水设计标准偏低。如1996年水电站大坝的第一轮定期检查中，发现有38座存在洪水设计标准偏低的问题，约占总数的39.6%。
2 坝基及库岸地质问题
由于当时地质勘测水平的限制和人为因素等方面的影响，对坝基和库岸地质勘测不足，甚至未发现危及大坝安全的地质构造包括断层破碎带、软弱夹层和库区滑坡等，对已发现的也未认真处理。在水电站大坝第一轮定期检查中有14座大坝存在地质问题，如某大坝在#7～#17支墩间有91ｍ水平夹层，设计时未发现，在施工中发现后，相应的工程措施也未跟上，至今影响了大坝的安全运行。
3 设计问题
应该说，我国大坝的设计水平还是相当高的。这里要总结的是，以往设计，通常用稳定和强度控制，而对耐久性往往不够重视。在相当一部分大坝运行中发现，混凝土结构物普遍存在溶出型溶蚀、碳化和环境腐蚀等损伤，土工建筑物存在管涌和流失，岩土边坡存在流变性破坏，等等。根据国内外有关资料，一般混凝土结构物在超过50年以后逐渐老化，并随时间的增加，老化程度加快。土工建筑物随时间的增长，固结逐渐完成，强度和稳定性增加。然而，我国有的大坝，在运行30年，甚至更短的时间，普遍存在裂缝，下游面碳化加剧，白色的碳酸钙(即白浆)在廊道中普遍存在，扬压力增大，漏水普遍，防渗帷幕部分失效等。因此，在今后设计中，耐久性应作为大坝设计的控制标准之一。
4 施工质量
在50年代末至70年代末，大坝的施工质量是令人担忧的。主要表现在坝体混凝土的水泥质量，混凝土浇筑、温控和养护，土石坝填筑材料和碾压，基础的处理，等等。因为没有较好地按施工规程进行施工，所以使一些大坝在施工期就已出现较多裂缝，运行初期出现大量漏水等。
5 管理问题
在80年代前，普遍存在“重建轻管”、“重电轻机不管水”等现象，大坝的监测设施也很不完善，对监测资料又不进行及时分析，使大坝运行过程中出现的不安全征兆得不到及时发现，即使发现了也不能及时处理，结果不安全因素逐渐发展甚至导致恶果。
在80年代后，管理水平虽不断提高，但是对管好老坝来说还是任重道远的。
二、老坝的若干病变机理分析
综合分析大坝病变的机理，是当前坝工界亟待解决的重要课题。作者依据对几十座大坝安全分析的成果，对老坝的病变机理归纳为以下几个主要问题。
1 大坝裂缝的机理分析
大坝存在裂缝十分普遍，可以讲有坝就有缝。据水电站大坝第一次定检的96座大坝中，有70多座大坝存在不同程度的裂缝问题，因此对大坝的裂缝机理分析，是老坝安全评价和加固的主要问题之一。
(1) 混凝土坝的裂缝
混凝土坝的裂缝大致可分为施工期和运行期出现的裂缝。
施工期裂缝：施工期裂缝主要是由于混凝土质量差、标号低、温控、施工程序、浇筑、养护等引起的裂缝，这方面以朱伯芳院士为代表做了大量的研究工作，其成因和机理分析，可见有关文献。
运行期裂缝：
①不利荷载引起施工缝的扩展。原有施工缝在不利荷载作用下，在裂缝尖端的应力强度因子超过混凝土的断裂韧度而引起裂缝扩展。如佛子岭连拱坝在低温高水位作用下，使支墩的纵缝缝端扩展；陈村重力拱坝在高温低水位作用下，105ｍ高程下游面水平缝扩展；等等。
②在不利荷载作用下产生的再生缝。在不利荷载作用下，在应力超标部位，产生再生缝。如佛子岭、梅山连拱坝在低温低水位作用下产生的垛尾缝；丹江岸转变坝段143ｍ高程在高温低水位时产生水平裂缝，并扩展；等等。
③后期温度和渗漏产生裂缝的扩展和再生缝。这类裂缝在碾压混土坝最为典型。由于这种坝的水泥用量少约50ｋｇ/ｍ3，掺入大量粉煤灰，又不用水管冷却，且大面积碾压，使水化热散发推迟，引起后期温度产生水平向的超应力，使坝体产生横向裂缝与横缝方向一致并与水平碾压层面相交引起渗漏，产生渗透压力，加剧裂缝的发生。如加拿大的雷威尔斯托克重力坝、美国的德沃德克重力坝、中国的水东重力坝等，在施工期出现表面裂缝或者未出现裂缝，但在运行数年后，分别出现横向裂缝。见图。
④周期温度引起温度疲劳而产生的裂缝。在长期的日和旬周期温度的循环荷载作用下，产生温度疲劳效应所引起的裂缝。这种裂缝最典型的是连拱坝两岸拱筒裂缝与支持体接近45°的裂缝以及下游面和坝顶的裂缝等。
(2) 土石坝的裂缝
①不均匀沉陷引起的裂缝。土石坝为散粒体组成的挡水建筑物，防渗体用黏土心墙或斜墙、钢筋混筋土面板等，由于建基面的地形不规则、地质不均匀、碾压质量不同干容重的差别等，使断面间的沉陷包括固体沉陷不同，引起水平向包括垂直河向与顺河向的拉应力，从而引起接近垂直坝轴向和平行坝轴线方向的裂缝或面板止水的开裂。如碧口左岸上游坡平行坝轴线的裂缝和毛尖山右岸的裂缝等。其中以接近垂直坝轴线方向的裂缝危害较大，它使防渗体产生裂缝或面板止水开裂等，引起渗透破坏。
②后期变形不均匀引起的裂缝。以往土石坝设计时，以强度、稳定和施工期、蓄水初期变形作为控制，其中施工期和蓄水期变形往往占总变形的60%～70%，而忽略后期变形的影响。由土石坝原型观测资料分析表明，后期变形对土石坝的防渗体的强度、稳定和裂缝有显著影响。因此，研究后期变形对强度、稳定和裂缝的影响是今后的一个重要课题。
③生物的影响。主要包括老鼠等动物和树木等植物造成的土体洞穴，引起的渗透破坏。
2 碱集料反应的破坏机理
碱活性反应对混凝土建筑物的破坏，被称为混凝土的“癌症”。它是影响混凝土结构物耐久性和寿命的重要因素，是当前材料学科的研究前沿。目前主要有两大学派，一种认为是碱硅酸反应，另一种认为是碱碳酸盐反应。两者的共同点是碱活性反应，导致混凝土中骨料的体积增大，从而导致混凝土或整个建筑物发生附加应力而破坏。
①碱硅酸反应(ASR)。混凝土中含有二氧化硅(SiO2)，其活性SiO2指无定形SiO2和隐晶质、微晶质及玻璃质的SiO2。由热分析试验发现，石英结晶度越差，活性越大，并由正电子湮没测定，碱活性的膨胀率。当活性指数：
K=[X(CaO)+X(Al2O3)]/X(SiO2)+X(Na2O)]
式中：k为活性指数；X(CaO)、X(Al2O3)、X(SiO2)、X(Na2O)分别为CaO、Al2O3、SiO2、Na2O的摩尔分数。
当ｋ小于0.2时，为活性骨料，ｋ大于0.3时为非活性骨料。
活性指数越小，SiO2的结晶缺陷越强，如磷石英，则碱活性的膨胀率也越大，对混凝土的破坏也就越强；反之越小。
②碱酸盐反应(ACR)。1957年Swenson发现在加拿大金斯敦地区混凝土破坏是由于碱碳酸盐反应引起的，继后在美国的伊利诺伊、印第安那等州均发现这种破坏现象，当然并非所有的碳酸盐均发生这种破坏作用，主要发生在泥质白云石质石灰石黏土质量分数为5%～20%的混凝土结构物中。其碱活性的膨胀机理与碱硅酸盐反应完全不同。
根据Gillott研究，白云石的菱形晶体粒径在50μｍ以下时，由微晶方解石和黏土组成，紧密包裹白云石微晶，在白云石化反应：
CaMg(CO3)2+2NaOH=Mg(OH)2+CaCO3+Na2CO3
使菱形白云石晶体遭受破坏，从而使黏土暴露造成吸水而膨胀。因此，白云石化是膨胀的前提，而干黏土吸水是膨胀的本质原因。
然而，邓敏等学者，选用纯白云岩破碎与水泥制成混凝土块体，同样产生碱活性膨胀。这说明不含微晶石英的碱碳酸盐反应也同样膨胀。
综上所述，碱集料反应，不管是碱硅酸反应或碱碳酸盐反应都引起膨胀，引起混凝土的碱活性破坏。今后应将此问题作为重要研究课题，深入弄清碱集料反应的机理，以便为老坝加固和设计大坝选择混凝土的材料提供科学依据。
3 环境的破坏机理
主要包括溶出型水和大气的侵蚀作用的破坏。
(1) 溶出型水的溶蚀破坏机理。库水或地下水在环境影响下，如库区的工厂排污等，库水逐渐变为酸性(ｐH＜7.0)或者原为酸性水，且含有侵蚀性CO2，这些水质的水流经大坝和坝基的渗流或沿裂缝、裂隙的渗漏，对坝体混凝土及坝基防渗帷幕和固结灌浆等将产生下列主要化学反应：
Ca(OH)2＋Ca(HCO3)2→2CaCO3＋2H2O
CaCO3＋H2O→Ca2+＋HCO3－＋OH－
CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2
显然坝体混凝土或帷幕和固结灌浆中的Ca(OH)2被析出，受CO2的作用，变成碳酸钙白色沉淀物，这就是廊道或下游面常见的“白浆”。长期作用下，混凝土或帷幕中的水泥或骨料等被析出，这种溶蚀性破坏使混凝土和固结灌浆的强度降低，帷幕防渗效应下降。溶出型水质当然还起到其他的腐蚀破坏作用，如对金属结构的腐蚀破坏作用。
这里要指出的是，对碾压混凝土坝，这种溶蚀性作用危害更大，因为这种坝水泥用量很少(50ｋｇ/ｍ3左右)，对坝体混凝土的强度降低和帷幕防渗效应降低更为显著。因此，笔者认为，对碾压混凝土坝必须将溶蚀性控制与强度和稳定同等对待。
(2) 大气污染的破坏机理。大气污染，使空气的CO2增加，在降雨时，作用在下游面和坝顶，并使库水也逐渐变成酸性，从而也产生上述的化学反应，使混凝土和帷幕中的水泥或骨料产生溶蚀，从而降低强度和防渗效应。
三、结语
70年代以前修建的大坝，由于多种原因，日趋老化，呈现多种病变的迹象，可以预计，21世纪是老坝加固的高潮期。因此，对老坝的病变机理研究，并采取快速监测、检测技术和补强加固新技术是坝工界和监测界的重要课题。
老坝的病变机理极其复杂，并随各座大坝的实际情况而不同，具有较强的个性。今后尚需坝工界和监测界的同行们共同努力，进一步深入地研究老坝的病变机理，为补强加固老坝提供源头技术支持。
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