第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
众所周知，我国水资源呈现出时空分布不均的特点，形成了“南方多、北方少”的分布现状，水资源匮乏成为限制一些北方城市发展的关键性要素，缺水问题严重制约着社会经济的发展和人民生活水平的改善。为了确保社会经济可持续发展，解决水资源在空间、地域等各方面的不均衡性问题显得尤为重要，而大型输水工程正是解决这一问题的有效举措。
为了实现发展水利和减小水害的目的，我国兴建了不少利国利民的水利工程。例如，邗沟工程，公元前486年修建的引长入淮水利工程；都江堰水利工程，公元前256年修建的引岷江水入成都平原水利工程；京杭大运河，开始于春秋完成于隋朝的水利工程等。随着我国社会经济的快速发展，水资源短缺问题越来越严重，而长距离输水工程在解决我国水资源时空分布不均方面发挥着重要作用。为此，我国实施修建了一系列长距离、大规模的输水工程，如南水北调、引黄入京、引滦入津、引黄入晋和引大入秦等工程。此类跨流域以及跨区域的大型长距离输水工程不仅对水资源短缺地区的经济及社会发展起到了重要作用，同时也对改善该区域人民生活水平作出了巨大贡献。
根据专家统计，全球已有350余项在建或已建的调水工程，分布于40多个国家及地区，年调水规模相当于半条长江，年调水量达5000亿m3。美国的中央河谷工程、秘鲁的马赫斯调水工程、巴基斯坦的西水东调工程和利比亚的大人工河工程均闻名于世，都在正常运行，为其国家的经济发展和社会繁荣提供支撑。世界各地的大型流域中都有着或大或小的调水工程。
(1)美国中央河谷工程。美国中央河谷工程始建于1937年，并于1940年开始投入使用，且目前仍在运行。该工程运行的20座水库、11座水电站及800km的输水渠道年调水量达37亿m3，将水源从萨克拉门托输送至旧金山湾地区的过程中向35个县供水，促进了中央河谷地区的经济发展和社会繁荣。
(2)秘鲁马赫斯调水工程。秘鲁马赫斯调水工程于1971年开工建设，是目前全球海拔*高的引调水工程。该工程不仅灌溉面积达5.7万km2，还具备发电功能，有效促进了当地经济发展。
(3)巴基斯坦西水东调工程。巴基斯坦西水东调工程于1960年开工建设，1977年正式完成，是供水规模位于世界前列的长距离引水工程。该工程建设完成的2座水库、6座大型拦河闸及8条引水渠以灌溉为主，将水源从印度河及其支流输送至东三河区域，截至目前运行良好，受到广泛好评。
(4)利比亚大人工河工程。利比亚大人工河工程为目前全球规模*大的长距离管道输水工程，其总长度约为4000km。该工程调水量达25亿m3，均用于灌溉，其中70%用于农业灌溉，其余用于城市和工业灌溉。
1.1.2 各输水系统构筑物研究目的及意义
在长距离输水工程中，输水系统建筑物主要由明渠、隧洞及渡槽组成。由于输水工程跨越地域较广，任何一个输水系统建筑物出现问题，都会影响水量输送以及输水效率。因此，为了让大型长距离输水工程实现长期的安全输水和高效供水，确保引水工程中输水明渠、引水隧洞和渡槽的安全性是长效发挥引水工程效益的重要工作。
1.输水明渠
输水明渠作为输水工程的一部分，一般情况下为线性工程，但其跨越区域较广，途经地域的地质条件和环境状况较复杂，因此该工程运行风险种类多且管理难度较大。有效识别长距离输水明渠运行过程中的安全风险，对其进行分析、合理评价，并制定一系列有效的风险应对措施对输水明渠的安全运行意义重大。此外，输水明渠长期处于干湿交替、温度正负交替以及盐渍化的环境中，导致其衬砌受到水力侵蚀、暴晒、冰冻以及有害离子侵蚀带来的损伤。不利的环境使得输水明渠耐久性下降，发生失稳破坏。因此，对多种因素作用下的混凝土明渠衬砌的耐久性展开研究，可以为该地区类似工程的设计、施工以及运营过程提供一定的理论依据，对该地区的经济发展也有指导意义。
2.引水隧洞
引水隧洞是输水系统建筑物中不可或缺的一部分，隧洞常跨越多种地层结构，地形地质条件复杂，在运行过程中，引水隧洞衬砌会遭受水流冲刷、温度变化引起的冷热循环以及地下水中盐离子的侵蚀等一系列破坏影响，长期作用下势必会影响引调水工程的正常运行。据了解，引大入秦工程中的引水隧洞经过多年运行，出现衬砌边壁破损、裂缝、渗漏水以及不均匀沉降等病害险情，不能完全满足工程的设计需求。因此，结合寒旱地区自然特征，研究提高隧洞衬砌混凝土耐久性的方法，并提出经济合理的改善措施是寒旱地区引水隧洞健康运营的关键。
3.渡槽
渡槽作为输水工程的串联节点工程，是输水工程中的关键性建筑物，其安全性备受关注。在长时间运行过程中，受周围环境的影响，自身结构在各种不利环境因素作用下产生病害，给渡槽运行安全带来一定隐患。通过理论结合实际、主观结合客观，构建评价指标体系和评价模型，分析影响渡槽运行期槽身结构安全的不利因素并采取合理有效的处理措施，不仅可以显著提高渡槽的使用寿命，还能*大化发挥渡槽的经济效益。
1.2 寒旱地区长距离输水工程研究现状
1.2.1 输水明渠工程研究现状
输水明渠作为关键线路工程，同时也是输水串联工程中的一部分，具有不可替代的作用。这里从输水明渠混凝土衬砌的耐久性、氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀、干湿循环耐久性以及冻融循环耐久性五个方面分别阐述其研究现状。
1.输水明渠混凝土衬砌耐久性研究
寒旱地区输水明渠混凝土衬砌常会出现一些耐久性的问题，如衬砌板破损、边坡出现渗漏、衬砌板勾缝脱落、明渠底板剥蚀、卵石出露等，因此输水明渠混凝土衬砌的可靠性影响着整个输水工程的安全。Suto等(2012)通过对输水明渠实际结构切块截面的观察，明确了注浆法对输水明渠混凝土结构的裂缝修补效果有明显的提高；王兵(2014)研究了输水明渠衬砌结构防冻胀破坏措施，发现对处于地下水位较高的地区埋设排水设施能够提高其抗冻胀能力；巩永红(2015)通过总结引大入秦工程明渠段渠道破坏原因，进一步提出了浇筑的措施，为渠道除险加固提供了技术参考；孙佑光和王兵(2018)对输水明渠衬砌结构的破坏进行分析归类，从设计、施工、管理方面提出了提高耐久性的对策。
2.输水明渠混凝土衬砌氯盐侵蚀研究
氯盐侵蚀对输水明渠混凝土衬砌破坏很大，主要是内部结构的侵蚀破坏。针对输水明渠混凝土衬砌结构氯离子侵蚀破坏问题，国内外相关领域的学者通过建立混凝土破坏模型，探索氯盐侵蚀过程和侵蚀机理，取得了大量研究成果。赵高文等(2018)对比分析了现浇混凝土在干湿循环下的离子扩散规律，研究发现氯盐参与的干湿循环侵蚀更为剧烈；张舒柳等(2019)开展了室内加速试验，发现并总结了多因素耦合作用下的混凝土劣化规律；王宇航等(2019)研究发现，在氯盐侵蚀作用下，采用单面冻融带来的破坏程度要远大于纯冻融破坏；毛以雷等(2019)开展了高强灌浆料在冻融循环和氯盐侵蚀下的破坏试验，结果表明，二者共同作用下的损伤相对于单纯水体冻融破坏性更大，损失更严重；薛军鹏(2019)开展了海水、硫酸盐、氯盐以及二者结合的复合盐对高性能混凝土、钢筋混凝土的破坏试验，结果发现氯离子对硫酸根离子的侵蚀有一定的抑制作用；丁娅等(2019)分析发现，有机阻锈剂对处于氯盐-干湿循环环境下的混凝土破坏有抑制作用，也就是说，有机阻锈剂对保护混凝土结构有益，可以延长建筑物寿命。
3.输水明渠混凝土衬砌硫酸盐侵蚀研究
输水明渠混凝土衬砌产生硫酸盐侵蚀破坏，实质上就是土体和水体中的硫酸根离子与混凝土中某些物质发生膨胀反应，导致混凝土膨胀开裂，产生裂缝。随着反应的进一步加深，生成的产物越来越多，开裂程度加剧。Alyami等(2019)对在不同浓度、温度和相对湿度循环的硫酸钠溶液中部分和完全浸泡的混凝土混合物进行测试，得到了水泥基材料抗物理盐侵蚀的标准测试方法；Zhang等(2019)对再生骨料混凝土在硫酸盐侵蚀和干湿循环作用下的性能进行了试验研究，结果表明，在侵蚀产物相同的情况下，硫酸盐离子在再生骨料混凝土中的累积速度快于天然骨料混凝土；刘赞群等(2020)将水泥净浆浸泡在高浓度的硫酸盐溶液中，发现经过浸泡的试件发生了严重破坏，并检测到Na2SO4晶体；Bisht等(2020)将混合色饮料瓶产生的废玻璃骨料用于混凝土中，发现*大掺量的混凝土耐酸性*好；肖前慧等(2020)对再生骨料混凝土进行快冻法冻融循环试验，发现再生骨料混凝土在高浓度硫酸盐下的损伤*严重；方小婉等(2020)通过研究不同工况下水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，并测试分析了不同类型侵蚀下的侵蚀机理，发现硫铝酸盐水泥表现效果*佳；Du等(2020)对混凝土进行了硫酸盐侵蚀试验，发现随着硫酸盐侵蚀次数的增加，混凝土的相对动弹性模量和抗压强度腐蚀系数逐渐减小。
4.输水明渠混凝土衬砌抗干湿循环耐久性研究
干湿循环是指混凝土材料受到空气干燥状态和浸泡湿润状态交替作用的过程。在西北干寒地区，输水明渠混凝土衬砌不仅仅受到干湿循环的破坏，更多的是伴随着有害离子侵蚀。“干”状态下收缩，“湿”状态下膨胀，长期的循环累积加剧破坏了其内部的结构体系。因此，混凝土衬砌在干湿循环作用下的耐久性问题被广泛重视。王涛和洪雷(2019)探究预应力加固梁在干湿循环作用下的抗弯性能，发现长期循环作用会对预应力加固梁造成明显的伤害；秦杰(2019)研究沥青混凝土在干湿循环作用下的高温性能，发现循环次数与流动性、抗碾压能力有一定的相关关系；王萧萧等(2019)探究不同外加剂、不同强度的浮石混凝土在干湿-盐侵作用下的宏观规律，发现随着循环次数的增加，耐久性指标出现了先增长后降低的趋势；李悦等(2019)测试了不同干湿循环次数下的试件孔隙率、抗压强度等，通过压汞试验和单轴压缩试验，发现抗压强度有先增大后减小的趋势，而孔隙率的变化过程与之相反；潘波等(2020)研究了纤维混凝土在干湿循环作用下的抗剪特性，发现干湿循环次数较少时，抗剪强度有先增大后减小的趋势，随着干湿循环次数增多，抗剪强度明显降低。
5.输水明渠混凝土衬砌抗冻融循环耐久性研究
有害离子在冻融循环作用下的传递会导致混凝土耐久性降低，*直观的表现是混凝土物理性能下降，而冻融循环次数对混凝土结构破坏的影响*大。冻融循环*主要的破坏特征在于混凝土表面水泥浆剥落、骨料外漏甚至脱落，整体结构稳定性也会随之降低。Qiu等(2020)研究了海水冻融循环0次、25次、50次、75次、100次和125次后混凝土的应力、应变和损伤变量，结果表明，在不同的冻融循环次数下，升温再降温的过程中，其刚度退化趋势基本一致；Algin和Gerginci(2020)研究了宏观合成纤维对碾压混凝土抗冻融性能和透水性能的影响，结果表明，在碾压混凝土生产中使用宏观合成纤维能明显提高其抗冻融能力；Wang等(2020)研究了冻融循环对C30混凝土力学性能和氯离子渗透性的影响，结果表明，随着*低冻结温度的降低，动弹性模量损失明显增加，二者表现出良好的线性关系；Ge等(2020)对钢筋混凝土-混凝土组合梁在冻融循环作用下的抗弯性能进行了试验和理论研究，发现加固后的试件刚度提高，裂缝扩展，抗弯承载力增大；杨晓明和孙国君(2020)通过冻融循环试验，发现混凝土试件的损伤速度在初期较快，在后期变缓；解国梁等(2021)利用不同梯度的再生骨料掺量探究了盐冻耦合作用下的混凝土劣化规律，发现其破坏程度随着再生骨料替代率的增大而减小。
1.2.2 引水隧洞工程研究现状
由于引水隧洞运营环境的特殊性，针对该部分的国内外研究涉及多层次、多维度、多学科交叉融合。因此，本小节从隧道病害检查与量测、隧道病害成因分析、隧道及隧洞结构安全状态评价、引水隧洞衬砌运营期安全四个方面分别进行阐述其研究现状。
1.隧道病害检查与量测研究
准确识别病害信息是病害成因分析、病害健康诊断和安全性评价
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