張樂文，王 磊，張翔宇，李曉靜，李 坤，潘振勇，竇忠山

(1.山東大學(xué)海洋研究院，山東 青島 266237；2.萬華節(jié)能科技集團(tuán)股份有限公司，山東 煙臺 264002)

0 引 言

在高寒地區(qū)，混凝土大壩在冬季使用過程中容易受到氣溫驟降、冰拔、滲漏等影響而發(fā)生破壞?；炷链髩卧谑褂弥刑貏e是在施工后固結(jié)硬化過程中會由于外部環(huán)境氣溫驟降，在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部或表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。冰拔破壞是水庫發(fā)電因蓄水作業(yè)而降低或者升高水位時，固結(jié)在壩體上的冰層對壩體造成向上或者向下的破壞[1]，水位變化越快，冰拔破壞越嚴(yán)重。滲漏破壞是由于混凝土含有大量微孔，水會滲透進(jìn)入，在結(jié)冰時，這些水體積會膨脹，膨脹壓力作用孔隙上，破壞混凝土內(nèi)部孔隙，同時，在結(jié)冰過程中，冷水還會沿著內(nèi)部孔隙遷移，出現(xiàn)滲透壓力[2]。如阿克蘇新井子水庫內(nèi)溝通渠道的節(jié)制閘，在運(yùn)行第三年就被推倒在渠內(nèi)，船舶碼頭經(jīng)過一個冬季的運(yùn)行，下埋2 m深的鋼筋混凝土墩就被冰推傾斜，鋼筋混凝土板錯位隆起；新疆勝利水庫庫水位上漲1.2～1.5 cm，庫容增加100萬m3，冰拔、冰推速度為1.5～2 cm，庫水位增加1 cm，冰推、冰拔位移為1 cm。

為解決氣溫驟降、冰拔、滲漏等對混凝土大壩的破壞問題，國內(nèi)外學(xué)者做出了許多研究。崔業(yè)武[3]分別從工程措施、物理措施、管理措施等幾方面提出了防治土壩護(hù)坡凍害的措施；那文杰等[4]對冰推力、動冰壓力與靜冰壓力進(jìn)行受力分析提出了防冰措施；魏劍波[5]針對新疆平原型水庫積水面積大，壩線長、平均壩高較低、壩體土質(zhì)較輕等特點(diǎn)，提出了防治冰推、冰拔破壞的措施；曹登云等[6]將聚氨酯防水涂料作為抗冰拔層來防止冰拔力對水庫壩體的破壞。但是以上方法均不能同時解決冰推、冰拔對壩體的破壞，防治效果較弱，且主要是針對冰拔、冰推破壞，對于壩體的防護(hù)并沒有提及。而壩體除了會遭受到冰推、冰拔破壞，應(yīng)力開裂如溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力也是一個嚴(yán)重的問題。多年來，在解決氣溫驟降引起的表面裂縫問題上，大壩工程的保溫防裂一般采用泡沫塑料板、紙板、泡沫塑料板加聚氯乙烯薄膜、聚苯乙烯泡沫塑料板、保溫被、聚乙烯氣墊薄膜、聚乙烯泡沫塑料被等保溫，但或存在施工工藝復(fù)雜，或存在保溫效果不穩(wěn)定等問題。解決冰拔破壞的措施一般采用撓動水面防凍法，即通過措施使水面不斷流動，阻止庫面結(jié)冰[7]，或者加熱防凍法，即通過安裝相應(yīng)加熱裝置，使水面溫度高于冰點(diǎn)，阻止水面結(jié)冰等，這些措施需要大量的能源消耗來維持，且效果不盡如人意。解決滲漏破壞的措施一般有：①混凝土施工時，加入引氣劑或減水劑來改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過改變混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，來提高混凝土抗凍性的方法；②采用低吸濕性原料配制混凝土減少整體吸水性的方法；③采用提高施工質(zhì)量，力求混凝土表面平整、光滑、密實的方法。但這些措施只能盡量減少滲漏破壞帶來的影響，并不能徹底消除滲漏破壞。

以上措施都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其是在水位變動區(qū)，壩體外面的防滲、保溫層更容易受到冰拔、滲漏的破壞，從而影響大壩的安全運(yùn)行。本文提出的抗冰拔保溫防滲體系是將防滲層、保溫層、抗冰拔層合并為同一體系，對壩體尤其是新建壩體起到保溫、防滲、抗冰推冰拔的作用，同時在豐滿大壩上進(jìn)行多處試驗，證明保溫、防滲、抗冰推冰拔效果較好。

1 抗冰拔保溫防滲體系

抗冰拔保溫防滲體系從內(nèi)到外結(jié)構(gòu)依次為壩體、底涂/防滲層、噴涂聚氨酯硬泡、界面層、找平層、抗冰拔層。其底涂/防滲層可以為聚氨酯防滲底涂(如多層氰凝防滲層)[8-10]，也可以使用噴涂聚脲(施工順序依次為環(huán)氧底漆、環(huán)氧膩?zhàn)?可選)、聚氨酯底漆、噴涂聚脲)。另外，為了美觀和加強(qiáng)抗老化也可以在抗冰拔層外統(tǒng)一進(jìn)行面漆罩面施工。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 抗冰拔保溫防滲體系結(jié)構(gòu)

2 抗冰拔保溫防滲體系材料與物理性能測試

2.1 抗冰拔層物理性能測試

以吉林某水庫為例，其在冬季最冷時平均氣溫為-17～20 ℃，湖面結(jié)冰厚度可達(dá)1 m以上，冰層重量可達(dá)幾噸甚至幾十噸。在發(fā)電時防水水位下降，冰層會因重力作用下落。抗冰拔層作為一種合理有效的措施，減少了冰與大壩表面的粘接性，防止了冰層下落引起的壩體表面破損。表1為應(yīng)用于大壩水位變動區(qū)的抗冰拔層物理性能測試結(jié)果。

表1 抗冰拔層物理性能測試結(jié)果

抗冰拔層是一種改性復(fù)合自潔材料，不僅具有優(yōu)異的脫冰效果，使冰塊在水位下降或上升的過程中，不會附著在壩體表面破壞壩體，而且具有很高的強(qiáng)度、韌性、耐候性，在結(jié)冰過程中，會隨著壓力變大出現(xiàn)輕微形變，而當(dāng)壓力消失后，可緩慢恢復(fù)原樣，不影響第二年的使用。同時其通過了按照飲用水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了環(huán)保檢測，不會對水質(zhì)造成污染。

2.2 抗冰拔層脫冰性能測試

抗冰拔層要具有優(yōu)異的脫冰性能才能起到抗冰拔破壞的作用。本文設(shè)計了抗冰拔實驗箱來驗證抗冰拔層和體系的脫冰性能，如圖2所示。

圖2 抗冰拔實驗箱

抗冰拔箱水箱箱體上部開口，模擬水庫開放結(jié)冰狀態(tài)。右側(cè)箱體使用抗冰拔層/體系樣板代替。冰體膨脹時，箱體四周均有約束力，迫使冰面抬升，同時膨脹壓力作用于抗冰拔層/體系樣板，模擬抗冰拔體系在受壓情況下的脫冰性能。實驗步驟如下：①組裝箱體，在右側(cè)箱體固定抗冰拔層/體系樣板，螺栓處使用密封膠密封。②注水，水位高度為距離上沿約10 cm處。③放入冰柜，進(jìn)行-20 ℃、72 h冰凍，保證水分完全結(jié)冰。④72 h冰凍后，拆卸右側(cè)箱體樣板固定螺栓，輕晃箱體，觀察右側(cè)樣板與冰面的粘接情況，觀察樣板脫落后表面是否有冰膜殘留。

經(jīng)過72 h滲漏之后，拆卸樣板時螺栓除去之后，抗冰拔層/體系樣板可以依靠自身重力自動與冰塊脫落，且冰塊與樣板的粘接面非常光滑，沒有冰膜殘留。由此判斷，抗冰拔層脫冰性能合格，水沒有滲透進(jìn)入抗冰拔層內(nèi)部。

針對同一樣板進(jìn)行40次重復(fù)脫冰實驗，結(jié)果顯示抗冰拔層脫冰效果沒有出現(xiàn)明顯的下降。

2.3 噴涂聚氨酯硬泡保溫層性能測試

噴涂聚氨酯硬泡保溫材料是目前的所有保溫方法中最適合大壩保溫的材料之一，其不僅具有優(yōu)異的保溫性能(導(dǎo)熱系數(shù)0.023 W/(m·K)，25 ℃)，而且施工簡單、快捷，能夠做到無縫噴涂，整體覆蓋大壩表面。應(yīng)用于某大壩的噴涂聚氨酯硬泡保溫材料參考性能見表2。

表2 大壩聚氨酯硬質(zhì)泡沫層性能測試結(jié)果

聚氨酯硬質(zhì)泡沫層對于新建大壩來說，能夠消減大壩因混凝土水化產(chǎn)生的溫度以及濕度梯度，控制大壩溫度以及濕度應(yīng)力，防止大壩危害性裂縫的產(chǎn)生[11]。如果對壩體表面美觀及平整度要求不高，可以省略掉界面層和找平層，直接在噴涂聚氨酯硬泡保溫材料上面做抗冰拔層。

2.4 抗冰拔保溫防滲體系耐候性實驗測試

抗冰拔體系為一次性施工，多年有效，因此抗冰拔體系的耐候性非常重要。為了盡可能增加抗冰拔保溫防滲體系可靠性能，進(jìn)行了抗冰拔體系的耐候性實驗。使用混凝土墻模擬基層壩體，寬度不應(yīng)小于2 500 mm，高度不應(yīng)小于2 000 mm，面積不應(yīng)小于6 m2?；炷翂ι辖翘帒?yīng)預(yù)留一個寬400 mm、高600 mm的洞口，洞口距離邊緣400 m?？贡伪胤罎B體系包住混凝土墻的側(cè)邊。

試驗步驟如下：

(1)高溫-淋水循環(huán)80次，每次6 h。升溫3 h，使試樣表面升溫至70 ℃，并恒溫在(70±5)℃；淋水1 h，向試樣表面淋水，水溫為(15±5)℃，水量為1.0～1.5 L/(m2·min)；靜置2 h。

(2)狀態(tài)調(diào)節(jié)至少48 h。

(3)加熱-冷凍循環(huán)5次，每次24 h。升溫8 h，使試樣表面升溫至50 ℃，并恒溫在(50±5)℃；降溫16 h，使試樣表面降溫至-20 ℃，并恒溫在(-20±5)℃。

(4)試驗進(jìn)行中，每隔48 h，查看一次墻面狀態(tài)，觀察由于鼓泡、表層脫落的情況。分別在進(jìn)行完高溫-淋水、加熱-冷凍以及凍融循環(huán)之后，對系統(tǒng)進(jìn)行拉拔測試。耐候性實驗結(jié)果見表3。

表3 抗冰拔保溫防滲體系拉拔強(qiáng)度測試性能測試結(jié)果

(5)加熱一冷凍循環(huán)實驗結(jié)束后，進(jìn)行抗沖擊性試驗，分別測試3J以及10J兩級，每級試驗沖擊10個點(diǎn)，3J試驗采用質(zhì)量為500 g的鋼球，在距離試樣上表面0.61 m的高度處自由降落至沖擊試樣。10J沖擊試驗采用質(zhì)量為1 000 g的鋼球，在距離試樣上表面1.02 m高度自由降落。測試結(jié)果見表4。

表4 抗沖擊性測試結(jié)果

(6)實驗結(jié)束后，檢查外觀有無破壞以及空鼓情況，并且進(jìn)行破壞性取樣測試。結(jié)果見表5。

耐候性試驗后抗冰拔層和聚氨酯強(qiáng)度沒有出現(xiàn)明顯下降，而且抗冰拔界面層與聚氨酯層的粘結(jié)強(qiáng)度均高于聚氨酯泡沫層的強(qiáng)度。外層抗冰拔界面層強(qiáng)度較高，具有優(yōu)異的抗沖擊性?？贡伪胤罎B體系性能能夠達(dá)到耐候性的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 抗冰拔保溫防滲體系在高寒混凝土壩的應(yīng)用及跟蹤

3.1 抗冰拔保溫防滲體系在高寒混凝土壩的抗冰拔應(yīng)用情況

抗冰拔保溫防滲體系近年來在新疆阿勒泰混凝土壩、東北吉林混凝土壩分別施工800 m2和600 m2左右進(jìn)行了多次驗證，抗冰拔保溫防滲體系在冬季抗冰拔效果良好。在環(huán)境溫度-18 ℃，壩體抗冰拔層與冰界面圖片如圖3所示，可以看出冰面與抗冰拔層接觸面分層明顯，沒有粘接。

圖3 壩體抗冰拔層與冰界面細(xì)節(jié)

3.2 抗冰拔保溫防滲體系壩段保溫效果的長期跟蹤

以冬季東北吉林某混凝土壩段抗冰拔體系施工數(shù)據(jù)為例。豐滿地區(qū)多年平均氣溫為4.9 ℃，極端最高氣溫37 ℃，極端最低氣溫-42.5 ℃[12]。施工環(huán)境最高溫度4 ℃，最低溫度-13 ℃。施工過程中，將溫度傳感器放在混凝土表面與聚氨酯泡沫層之間，跟蹤測試混凝土表面實時溫度?；炷翂味尾煌课粶囟葌鞲衅髟诳贡误w系施工前20 d和施工后150 d的溫度變化見圖4。

圖4 混凝土壩段不同部位溫度傳感器在抗冰拔體系施工后反饋數(shù)據(jù)

從圖4可以看出：①施工前混凝土壩段不同部位溫度在10月份每天波動有20℃左右；②施工后150 d時間段內(nèi)，混凝土壩段不同部位溫度曲線趨向平緩并靠近，即使在最冷的12月、1月，溫度整體波動在3 ℃左右；③施工前后幾天混凝土壩段不同部位溫度波動較大，是由于施工時泡沫成型放熱反應(yīng)對溫度傳感器的影響，施工后溫度慢慢趨向平緩。

綜上，抗冰拔保溫防滲體系施工完成后，混凝土壩面溫度趨于平穩(wěn)，特別是在天氣最為嚴(yán)寒的12月與1月，根據(jù)當(dāng)?shù)?1月～2月吉林環(huán)境溫度變化曲線，環(huán)境溫度一天最大溫差為25 ℃，而壩段表面混凝土溫度變化范圍在3 ℃左右，墻面溫度趨于平穩(wěn)，效果非常理想。

4 結(jié) 語

抗冰拔保溫防滲體系通過實驗室各層材料的物理性能測試與體系的脫冰性能、耐候性測試后，近年來分別在新疆阿勒泰混凝土壩、東北吉林某混凝土壩施工了800 m2和600 m2左右，并進(jìn)行了多次驗證。通過以上實驗測試及施工跟蹤結(jié)果，抗冰拔保溫防滲體系在抗冰拔、防止壩體氣溫驟降方面表現(xiàn)優(yōu)異，能夠有效解決高寒地區(qū)冬季氣溫驟降、冰拔、滲漏對壩體造成的破壞，保證高寒地區(qū)大壩冬季的安全運(yùn)行。