水利水电工程合理使用年限及其耐久性设计问题

陆忠民，刘志明

（1.上海勘测设计研究院，200434，上海；2.水利部水利水电规划设计总院，100120，北京）

一、问题由来

我国现行《建设工程质量管理条例》《建设工程勘察设计管理条例》对建设工程设计文件作出了要注明工程合理使用年限的规定。当前，我国各行业对制定工程合理使用年限的标准不一。水利水电工程合理使用年限对于广大设计人员来说是一个新问题，由于水利水电工程类型多且结构复杂，制定统一的合理使用年限标准有较大难度。

自2001年以来，水利部水利水电规划设计总院会同上海勘测设计研究院对水利水电、交通、铁路、建筑等行业关于工程合理使用年限工作开展了深入调查研究，通过典型实例，分析工程功能构成的关键部位或控制因素，研究提出了水利水电工程合理使用年限定义、不同等别工程和不同级别建筑物的合理使用年限值及其在各种环境条件下的耐久性设计要求，编制了水利行业标准《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL 654—2014），用以指导当前及今后一个时期的设计工作，并在今后的实践中不断总结和完善。

二、合理使用年限的定义和年限的确定

1.合理使用年限的定义

建设工程由不同的建筑物组成，而各个建筑物又由不同的结构组成。对于一个工程、一个建筑物、一个结构，在规定的使用条件和正常的维修条件下，应有一个能正常发挥设计功能、保证安全使用的时期，这个时期就是其合理使用年限。工程、建筑物和结构三者之间的合理使用年限存在一定的关系，对于同一个工程，结构设计应满足其所在建筑物的合理使用年限要求，而建筑物的合理使用年限又由其工程的合理使用年限决定。对于结构的使用年限，各行业有各种各样的定义，对水利水电工程及其建筑物的使用年限定义需要体现水利行业的特点。有关标准对结构使用年限的定义表述见表1。

表1 有关标准对结构使用年限的定义

对于水利水电工程，可根据其不同的功能划分为防洪、治涝、灌溉、供水、发电等工程，建筑物有大坝、泄洪建筑物、调（输）水建筑物、发电建筑物、过坝建筑物、水闸、泵站、堤防、渠道等，各类建筑物由混凝土、土、石、金属等材料结构组成，运行环境条件有“室内正常、潮湿环境，露天环境，水位变化、水下和地下环境，氯化物环境，化学侵蚀环境，冻融环境，冲刷、气蚀和磨蚀环境，淤积环境”等，工程建成后建筑物需要进行正常的运行维修。工程和建筑物的使用年限与运行使用条件、维修条件密切相关，因此水利水电工程及建筑物的合理使用年限定义为“水利水电工程及其建筑物建成投入运行后，在正常运行使用和规定的维修条件下，能按设计功能安全使用的最低要求年限”。

表2 国内外标准对建筑结构使用年限的规定

2.国内外标准对合理使用年限的规定

经对国内外建筑、市政、港口、铁路等结构设计使用年限的调查分析，对于房屋建筑设计使用年限，临时性建筑结构为5年，易于替换的结构构件为25年，普通房屋建筑为50年，标志性建筑和特别重要的建筑结构为100年。对于港口工程，临时性建筑物为5～10年，永久性建筑物为50年；对于铁路桥涵，可更换的小型构件为30年，路基防护结构为50年，主体结构为100年；对于公路桥涵，小桥、涵洞为30年，中桥、重要小桥为50年，特大桥、大桥、重要中桥一般为100年，有的达120～150年；对于大坝，使用年限一般为100年，荷兰一些重要的挡潮闸、堤防设计使用寿命要求达到200年。国内外标准对建筑结构使用年限的规定见表2。

3.合理使用年限的确定

从表2可以看出，工程建筑物的合理使用年限与其作用及重要程度密切相关，对于重要建筑物，一般不小于100年，有的甚至高达150～200年，而一般永久建筑物往往不低于30年，对于临时和可更换的结构其使用年限可以低些。

我国现有的水利水电工程大多数建于20世纪70年代之前，由于受当时的技术和物质条件限制等原因，对工程耐久性认识不足，对工程建设基本没有提出明确的耐久性要求。之后到近年所制定的设计、施工和运行管理标准，对材料、强度等级、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、抗裂等提出了要求，尽管还不够详细，但对提高工程的耐久性已经发挥了重要作用。据初步统计，20世纪50—60年代我国大规模兴建的水库和水电站，至今已运行50年以上，一些工程尽管存在病险，但经过除险加固后仍能投入正常运行。

随着我国经济实力的提高和对工程建筑物耐久性认识的深入，对新建的水利水电工程耐久性使用年限要求更高，技术上也是可能的。我国水利建设有着悠久的历史，举世闻名的都江堰水利工程已运行了2 200多年，早期的水闸运行也有80多年。世界水电建设已有100多年的历史，1878年在法国建成了第一座水电站。我国最早建设的水电站是1905年建成的台湾龟山水电站（1943年拆除），1912年建成的石龙坝水电站至今还在运行。

水利水电工程等别和建筑物级别是衡量其重要程度的一个十分重要的指标。我国根据工程规模、效益以及在国民经济中的重要性，将水利水电工程划分为5个等别，根据其所在工程的等别和建筑物的重要性，将对永久性建筑物分成5个级别。为了与我国现行标准相协调，水利水电工程合理使用年限也按以上原则分级确定。因此水利水电工程合理使用年限，根据工程类别、等别按表3的年限确定。其中，Ⅰ等水库工程的合理使用年限为150年，Ⅳ、Ⅴ等防洪、治涝、灌溉、供水、发电工程为30年，其余为50～100年。对综合利用的水利水电工程，当按各综合利用项目确定的合理使用年限不同时，其合理使用年限应按其中最高的年限来确定。

对于水利水电工程各类水工建筑物的合理使用年限，根据其所属工程的建筑物类别和级别按表4确定。其中，考虑到水库壅水建筑物的重要性，1级水库壅水、泄洪建筑物的合理使用年限为150年；考虑到堤防和灌溉渠道线路长、条件复杂等因素，5级堤防、灌溉渠道的合理使用年限可比沿线水闸、泵站、灌排建筑物低，降到20年。当泄洪、调（输）水、发电、过坝等建筑物与壅水建筑物共同挡水时，其挡水部分建筑物的合理使用年限按同级别壅水建筑物的规定执行。水工建筑物中各结构或构件的合理使用年限可不同，次要结构和构件或需要大修、更换的构件的合理使用年限可比主体结构的合理使用年限短，缺乏维修条件的结构或构件的使用年限应与工程的主体结构的合理使用年限相同。

表3 水利水电工程合理使用年限 单位：年

表4 水利水电工程各类永久性水工建筑物的合理使用年限 单位：年

三、耐久性设计原则和主要设计内容

1.耐久性设计原则

我国水利水电工程建筑物运行环境条件多种多样，除了一般环境条件外，北方寒冷地区还受到冰冻作用，沿海、盐碱地区受到氯化物影响，西部一些地区存在硫酸盐、酸类物质侵蚀，凝灰岩、玄武岩等有可能与水泥发生碱—骨料反应，溢洪道、输水洞会受到高速水流冲刷、气蚀，多沙河道存在泥沙淤积影响等。因此，水利水电工程及其建筑物的耐久性设计必须根据工程的重要程度确定其合理使用年限，调查分析实际工程的建设环境状况，提出设计、施工、运行管理等方面的耐久性要求。

结构的耐久性设计可分为传统的经验方法和定量计算方法。目前，环境作用下耐久性设计的定量计算方法尚未成熟到能在工程中直接应用的程度。在各种劣化机理的计算模型中，可供使用的还只局限于定量估算混凝土碳化、钢筋开始发生锈蚀的年限。在国内外现行的结构设计规范中，所采用的耐久性设计方法仍然是传统方法或改进的传统方法。

水利水电工程建筑物所处环境复杂，应用的材料多种多样，耐久性设计可采用传统的经验方法。对混凝土结构，除了划分侵蚀环境的类别和作用等级外，在耐久性设计要求中，既要规定不同环境类别与作用等级下的混凝土强度等级、最大水胶比和原材料组成，又要提出混凝土电量指标、氯离子在混凝土中的扩散系数等量值指标；同时从耐久性要求出发，对结构构造、施工控制以及运行管理作出了规定。其耐久性设计主要原则如下：

（1）水利水电工程及其建筑物的耐久性，应根据其合理使用年限和所处的环境侵蚀、泥沙淤积等条件进行设计。对同一建筑物中的不同部位，如所处的局部环境条件不同，可分别设计其耐久性。

（2）水利水电工程及其建筑物耐久性设计应有利于减轻环境作用的侵蚀破坏，高速水流、风沙对建筑物表面的冲刷、气蚀、磨损作用以及振动等因素对结构的影响。

（3）水利水电工程建筑物设计应控制泥沙淤积引起的对工程功能、安全、效益和环境的影响，根据其合理使用年限、河道来沙情况采取预留必要的沉沙容积、设置必要的排（冲）沙设施等措施，制定相应的调度运行方式。

（4）工程地质勘察的内容和深度应符合水利水电工程地质勘察规范规定，并满足建筑物耐久性设计所需的地质基本资料要求。建筑物基础处理措施、基础结构应根据合理使用年限、环境条件进行耐久性设计，满足主体结构合理使用年限要求。

（5）对于膨胀性土、湿陷性土等不良地基条件，其建筑物基础的耐久性设计应作专门论证。

（6）混凝土结构的耐久性设计应考虑混凝土可能发生的碱—骨料反应、钙矾石延迟反应和软水对混凝土的溶蚀，在设计中采取相应的措施。

（7）水工金属结构的耐久性设计除考虑环境作用条件下的腐蚀、磨蚀因素外，还应考虑气蚀、振动、冰冻、疲劳等因素对结构的影响。

2.耐久性设计主要内容

在水利水电工程及其建筑物耐久性设计中，不仅要强调其材料的耐久性能指标与钢筋的混凝土保护层厚度，适当的构造措施也能够非常有效地减轻环境作用。同时，建筑物的耐久性还需要规范的建设施工、运行管理来保证。对于水利水电工程各类建筑物开展耐久性设计的主要工作内容有如下几个方面：

（1）根据工程的功能、等别等因素分析确定工程的合理使用年限，按照工程中各类建筑物的类别和级别确定建筑物的合理使用年限。提出其合理使用年限内需要维修或更换的结构构件、周期及其为维修或更换所需具备的条件。

（2）根据对气象（包括气温、湿度、干燥度、盐雾等）、水文和地质（包括氯化物、硫酸盐、酸浓度等）等的调查、勘察，分析确定建筑物所处的侵蚀环境类别。对于严重环境作用下的建筑物，除勘察资料外，宜有相同或类似的周边工程的耐久性现状调查和检测资料。

（3）提出有利于减轻环境作用的结构措施和材料的耐久性要求，包括结构布置、接缝处理、钢筋保护层厚度、预应力锚固、混凝土裂缝控制、防渗与排水、抗冰冻、抗冲磨措施，闸门门槽体型和通气、闸门防振动、金属结构的腐蚀厚度，土石质量和填筑标准，混凝土强度等级、抗渗等级、最大水胶比、含气量、氯离子最大含量、抗氯离子侵入性指标、原材料（包括水泥、掺合料、外加剂、骨料、水）要求等。

（4）对处于严重环境作用下的结构，必要时应采取防腐蚀附加措施，如表面涂层、防腐蚀面层、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂、阴极保护等。

（5）对于多泥沙河流上建设的工程，应根据其来沙量、使用年限，分析提出保持工程正常功能和效益的泥沙淤积控制要求，包括沉沙容积、排/冲沙设施、疏浚周期、调度方式等。

（6）对工程施工，需提出耐久性方面的施工技术要求和施工质量验收要求，包括施工工艺、原材料和施工质量控制、温控措施、材料和施工质量验收要求等。

（7）对工程运行管理，提出正常使用运行原则和管理过程中需要进行正常维护、检测、修理或更换的要求，包括日常安全监测、耐久性检测、安全鉴定要求等。

四、耐久性设计需注意的几个方面

针对一般环境、冻融环境、氯化物环境、化学腐蚀环境、泥沙淤积环境等，各类水利水电工程及其建筑物的耐久性设计应在以下几个方面予以重视。

1.一般环境

正常大气和温度、湿度（水分）作用下表层混凝土碳化引发的内部钢筋锈蚀，是混凝土结构中最常见的劣化现象，也是耐久性设计中的首要问题。因此，其耐久性设计应控制在正常大气作用下混凝土碳化后的钢筋锈蚀。在一般环境作用下，依靠混凝土本身的耐久性质量、适当的保护层厚度和有效的防/排水措施，就能达到所需的耐久性，一般不需考虑防腐蚀附加措施。

用于填筑堤（坝）的土、砂、石料等当地材料，在堤（坝）体中所起作用不同、部位不同，则对材料的具体要求也不同。当地材料填筑的堤（坝）结构应具有抗渗、抗风化和抗冲刷的长期性能。当某种材料不能完全适应使用目的时，需要进行加工处理。

2.冻融环境

寒冷地区混凝土结构的耐久性设计，应控制混凝土遭受长期冻融循环作用引起的损伤。发生反复冻融的混凝土结构，应考虑冻融环境的作用。因此，需要提出混凝土强度和抗冻等级、混凝土中的含气量、最大水胶比、钢筋最小保护层厚度等要求，及水工建筑物、防渗结构的抗冻要求（包括埋置、排水等）。

3.氯化物环境

环境中的氯化物以水溶氯离子的形式通过扩散、渗透和吸附等途径从混凝土构件表面向混凝土内部迁移，引起混凝土内钢筋的锈蚀。氯离子引起的钢筋锈蚀难以控制，后果严重，氯化物对于混凝土材料也有一定的腐蚀作用，因此是混凝土结构耐久性面临的重要问题。

氯化物环境中的混凝土结构的耐久性设计，应控制氯离子引起的钢筋锈蚀，需要提出混凝土强度等级、最大水胶比、钢筋最小保护层厚度等要求。

低水胶比的大掺量矿物掺合料混凝土，在长期使用过程中的抗氯离子侵入能力要比相同水胶比的硅酸盐水泥混凝土高得多，所以在氯化物环境中，为了增强混凝土早期的强度和耐久性发展，通常在矿物掺合料中加入少量硅灰。

混凝土的密实性是其抵抗环境中水、气以及溶解于水中的有害物质侵入混凝土的第一道防线。一般来说，抗渗等级比较适合于判定低强度等级混凝土的密实性，如大坝混凝土和低强度等级的结构混凝土，而对强度等级超过C30的混凝土，单靠抗渗等级已难以表征高性能混凝土的密实性能。国内外研究表明，混凝土电量指标和氯离子扩散系数可作为评价结构混凝土抗氯离子侵入性的指标。

4.化学腐蚀环境

常见腐蚀性化学物质包括土中和地表水、地下水中的硫酸盐及酸类等物质，以及大气中的盐分、硫化物、氮氧化合物等污染物质。这些物质对混凝土等材料的腐蚀主要是化学腐蚀。化学腐蚀环境下混凝土结构的耐久性设计，应控制混凝土遭受化学腐蚀性物质长期侵蚀引起的损伤。

在混凝土中加入适量的矿物掺合料对于提高混凝土抵抗化学腐蚀的能力有良好的作用。研究表明，在合适的水胶比下，矿物掺合料及其形成的致密水化产物可以改善混凝土的微观结构，提高混凝土抵抗水、酸和盐类物质腐蚀的能力，提高抵抗碱—骨料反应的能力。

5.泥沙淤积环境

泥沙淤积环境下工程建筑物的耐久性设计，应控制泥沙淤积引起的对工程建筑物功能、安全和效益的不利影响。水工建筑物的位置宜选择在河道来沙量较小的区域，以减少泥沙的淤积。在多泥沙河流建设拦河坝（闸），应进行专门的论证。同时，应提出淤积控制措施（包括库容淤积控制、上游洪水位抬高控制、坝前泥沙与水流控制、下游河道冲刷控制等）。设计中，应根据实际情况采取一种或多种方法解决泥沙淤积问题。

五、结 语

工程及其建筑物合理使用年限的规定及其耐久性设计是我国水利水电工程建设的一项重要工作。在总结水利水电、建筑、市政、铁路等行业的工程建设和耐久性设计经验的基础上，通过分析研究，形成了适合我国水利行业特点的工程合理使用年限确定和耐久性设计准则。

（1）水利水电工程功能多样，水工建筑物类别不一。借鉴相关行业经验和当前科技发展的总体水平，提出了根据工程功能、等别确定工程合理使用年限，根据工程建筑物的类别和级别确定建筑物合理使用年限的方法，可与我国现行水利行业的标准体系相协调。

（2）水利水电工程运行环境复杂，建筑材料多种多样。针对各类环境条件、各类建筑物，提出了耐久性设计原则、主要内容及其重点。

（3）工程耐久性设计问题十分复杂，目前尚缺乏完善的定量分析评价方法，需要今后加强研究，不断完善。

[1]地铁设计规范(GB 50157—2013)[S].2013.

[2]铁路混凝土结构耐久性设计规范（TB 10005—2010）[S].2010.

[3]海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范（JTJ 275—2000）[S].2000.

[4]公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范（JTG/T B07—01—2006）[S].2006.

[5]山东省混凝土结构耐久性设计规程（DB J14-S6—2005）[S].2005.