水利工程中新型超疏水材料應用前景展望

孫文奇 王亞坤

摘要：2017年10月，中共中央總書記、國家主席習近平同志在黨的“十九大”報告中提出：要把人與自然和諧共生納入新時代堅持和發展中國特色社會主義的基本方略，要把水利擺在九大基礎設施網絡建設之首。“十九大”報告中關于水利建設方面的論述，不僅為我國基層水利事業的發展進一步深化了工作內涵，明確了工作方向，也為水利工作者們指明了水利行業未來的發展趨勢和著力根基，同時也積極要求人們繼續合理開發研制尖端技術、新型材料等，服務并應用于傳統水利行業。水利工程的大力發展離不開牢固可靠的水工建筑物，然而，當下我國水工建筑物的滲漏病害現象非常的普遍，僅以我國水利工程中常見的面板堆石壩為例：據不完全統計，我國在建和已經建成的面板堆石壩數量約為300座，占世界面板堆石壩數量的一半以上。我國自20世紀80年代開始陸續引進現代面板堆石壩技術以來，建設至今已有30余年的技術應用歷史。經過引進消化、自主創新和不斷的突破發展，我國的壩工事業已經積累了大量的工程經驗，進入了頂峰狀態，逐步形成了具有鮮明中國特色的面板堆石壩筑壩技術，蒙江雙河口電站等工程為世界壩工界所驚嘆。可在這風光背后，我國的大壩卻普遍遭受著滲漏問題的威脅侵擾，成為亟待解決的一個重要工程問題。

關鍵詞：水利工程；新型超疏水材料；應用前景展望

1.超疏水材料簡介

超疏水材料是一種新型材料，它可以自行清潔需要干凈的地方，還可以放在金屬表面防治水的腐蝕生銹，目前行業內將其特點定義為表面穩定接觸角大于150°，滾動角小于10°。超疏水材料因其普遍具有顯著的疏水、脫附、防粘、自清潔等功能，被廣泛應用于防水、防污、自清潔、流體減阻、抑菌等領域。超疏水材料上的微茸毛由乳突及蠟狀物構成，其為微米結構，乳突為納米結構，當水與超疏水材料表面接觸時，會有空氣存在于微小突起之間，從而大大減小水與超疏水材料表面的接觸面積。又由于水的表面張力作用，使得水滴在這種粗糙表面的形狀接近于圓形，其接觸角可達150°以上，這種納米與微米相結合的雙微管結構正是起到表面防水防污作用的根本原因。具有大觸角和較小滾動角的超疏水性材料表面結構為微米級及納米級結構的雙微復合結構，這種結構可以直接影響水滴的運動趨勢。超疏水材料的表面結構通常有用兩種形式，一是在疏水材料表面上構建微觀結構，二是在粗糙表面上修飾低能表面物質。由于降低表面自由能在技術上比較容易實現，因此超疏水材料表面的制備技術的關鍵就在于構建合適的表面微細結構。當前，已報道的超疏水材料表面制備技術主要有溶膠—凝膠法、模板法、自組裝法及化學刻蝕法等。

2.混凝土壩和漿砌石壩滲漏成因與對策分析

水工混凝土壩和漿砌石壩的主要滲漏類型有壩基滲漏和壩體滲漏兩種，其滲漏的原因有以下幾個方面：①由于勘探工作做的不周，地基留有隱患，水庫蓄水后引起滲漏；②由于設計考慮不周，在某種應力作用下，使混凝土產生裂縫，引起滲漏；③因施工溫差或本身干縮等原因，產生裂縫而引起滲漏；④設計施工中采取的防滲措施不良或運行期間由于物理、化學因素的作用，使原來的防滲措施失效或遭受破壞而引起滲漏；⑤遭受強烈地震及其他破壞作用，使混凝土建筑物或基礎產生裂縫，引起滲漏。混凝土壩和漿砌石壩滲漏病害通常處理的基本原則是“上截下排，以截為主，以排為輔”，根據滲漏的層次部位，危害程度，施工狀況以及修補條件等實際情況制定合理可靠的處理措施，通常我們的處理方式為：①對于建筑物本身的處理，以上游面封堵為主；②對于基礎滲漏的處理，以截為主，輔之以排；③對于接觸滲漏或繞壩滲漏的處理，應先封堵，以排補救。

3.應用前景展望

在水利工程中，滲漏是常見的壩體病害之一，傳統滲漏的處理措施有表面涂抹、表面貼補、鑿槽嵌補、灌漿、構筑防滲層等。雖然這些措施能在短期內達到預期的使用目的，但其普遍具有工作量大，影響混凝土完整性及強度，作用較小等局限性。目前技術允許范圍內，標本兼治的最佳措施就是將超疏水材料覆蓋在與水接觸的混凝土表面，形成一層空氣膜，避免壩面直接與水摩擦接觸，減少浸泡，從而達到有效防止發生滲漏的現象，此技術也充分符合“以截為主”的滲漏主要處理原則。同時，在溢洪道溢流面上覆蓋一層高強度超疏水材料，可減小水流對陡坡段和出口處的沖刷，避免溢洪道陡坡段內墻被沖刷，底板被掀起、下滑或局部接縫破壞以及消能設施的破壞；采用高強度超疏水材料還能防止氣蝕破壞，避免產生蜂窩、麻面及混凝土脫落現象，在彎道處布設高強度疏水材料，可以減小阻力而防止翼墻沖刷破壞。在超疏水材料與建筑物兩種材料的粘結性方面，潘洪波等專家對超疏水材料粘結效果進行分析，通過150多次試驗發現，硅氧烷與超疏水材料的粘結性能十分理想，為超疏水材料的應用起到積極作用。值得注意的是，水工建筑物所處的水環境十分復雜多樣，受不同地域內氣候、水文、地質等因素影響，水中沙石、冰凌、水生物、礦物質等均會對材料產生不同程度的破壞，這就對超疏水材料在水利工程中的推廣應用形成制約：①混凝土壩上游迎水面面積廣，材料需求量大；②水工建筑物運行周期長，建筑材料要求具有足夠強度的耐久性；③風吹日曬使得壩體混凝土在不同程度上會出現裂縫，若使用剛性材料，會伴隨混凝土開裂而開裂，導致失去疏水作用。

4.結論

荷葉效應為超疏水材料的研究提供了現實依據，而超疏水材料在水工建筑物領域的應用目前仍處于空白狀態，若能有效解決材料強度、價格等限制因素，并加以推廣利用，將在壩體防滲、溢洪道沖刷、漏水、水閘腐蝕、渠系輸水建筑物的防滲等方面起到良好的作用，為建設新型智慧水利工程做出貢獻。

參考文獻：

[1]任金成.水利工程輸水隧洞施工開挖砼襯砌技術[J].農業科技與信息，2017（11）：127-128.

[2]周建興.水利工程輸水隧洞施工開挖混凝土襯砌技術[J].農業科技與信息，2017（07）：120-121.

[3]武正壯.淺析水利工程輸水隧洞施工技術[J].農業科技與信息，2017（07）：127-128.

[4]姜天宇.我國輸水工程信息化建設的難點與對策[J].水利技術監督，2017，25（01）：32-34.

作者簡介：

孫文奇（1998-）、男、漢、學生、河南平頂山、身份證號：41042219980726761x、研究方向：水利工程的前景.

王亞坤（1994-）、男、漢、學生、河南、身份證號：412726199411180896.