聚氨酯保溫層對重力拱壩服役性能的影響

鄢 濤，陳 波

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098；3.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

截至2017年底，全國已建成各類水庫98 795座，總庫容9 035億m3，其中大型水庫732座，總庫容7 210億m3，占全部總庫容的79.8%[1]。壩高超過60 m的水庫大壩約950座，100 m以上的大壩223座，200 m以上的23座，250 m以上的10座[2]。這些水庫的選址大多在冬季氣溫較低的山區(qū)，且低溫時間長，年內(nèi)溫差大，壩體混凝土受熱脹冷縮效應(yīng)影響，容易出現(xiàn)裂縫和表面剝蝕等病害，影響大壩安全運行和正常使用[3]。建設(shè)在新疆西北高寒地區(qū)的混凝土高壩常因受到巨大溫差影響而在大壩表面產(chǎn)生眾多裂縫，如新疆石門子碾壓混凝土拱壩、布爾津山口大壩等混凝土高壩。為減小混凝土壩受變溫作用的熱脹冷縮效應(yīng)，工程師常在大壩除險加固工程中，噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫作為大壩的表面保溫層。如三峽三期大壩、拉西瓦水電站大壩、佛子嶺水庫、山西汾河二庫大壩、新疆石門子碾壓混凝土拱壩和新疆伊犁托海水電站等均采用聚氨酯做壩面保溫層[4-10]。目前，已有學者對混凝土壩增設(shè)聚氨酯保溫層后的保溫效果開展了相關(guān)研究[11-13]。然而，已有研究中關(guān)于聚氨酯保溫層對實際混凝土高壩工程的溫度荷載，尤其是大壩變形的影響研究較少，主要原因是缺乏增設(shè)聚氨酯保溫層后的混凝土高壩的多年原型監(jiān)測資料。而保溫前后的大壩性能研究對于聚氨酯保溫效果的分析和大壩整體安全具有重大意義。

為此，本文以響洪甸重力拱壩在增設(shè)聚氨酯保溫層前后的服役性能為研究對象，分析了大壩增設(shè)聚氨酯保溫層前后的原型監(jiān)測資料，研究了聚氨酯保溫層對大壩溫度荷載和大壩變形的消減效應(yīng)，以期為有關(guān)工程提供依據(jù)。

1 聚氨酯材料

聚氨酯全稱為氨基甲酸酯高聚物，具有良好的保溫保濕性能，即使在外界溫度大幅升降變化條件下，聚氨酯的保溫效果依舊良好，并能有效阻止外界雨水滲入混凝土[11-12]。其主要物理化學性能見表1。

表1 聚氨酯的主要物理化學性能

2 工程概況及測點布置

2.1 工程概況

響洪甸水庫位于安徽省六安市，校核洪水位為143.37 m，總庫容為26.1億m3，工程規(guī)模為大(1)型。大壩為等半徑定圓心混凝土重力拱壩，壩頂高程143.4 m，最大壩高87.5 m，壩頂寬6 m，最大底寬43 m。2003年經(jīng)大壩安全鑒定，原水庫在死水位+溫升工況下，計算壩體拉應(yīng)力值大于規(guī)范允許值，而且大壩裂縫眾多，危及大壩安全。2004年，水利部大壩管理中心確認響洪甸水庫為三類壩。2008年12月～2012年7月，安徽省水利廳組織有關(guān)單位對響洪甸水庫進行了除險加固，大壩壩身采用了聚氨酯保溫材料加固，其噴涂范圍為：上游壩面從水位變動區(qū)118 m高程至壩頂防浪墻下，噴涂厚度為5 cm；下游壩面從壩腳至壩頂，其中壩腳至118.0 m 高程噴涂厚度為5 cm，118.0 m高程至壩頂噴涂厚度為3.5 cm，涂層總面積24 180 m2。

2.2 監(jiān)測點布置

為全面了解壩體不同部位的溫度變化情況，合理地進行了溫度監(jiān)測點的布置，以降低外界干擾因素的影響。響洪甸重力拱壩的壩體溫度監(jiān)測點布置在15號壩段內(nèi)，其中141.5、132.5、117.5、102.5 m高程處分別布置3支混凝土溫度計，87.5 m和70.5 m高程處分別布置5支混凝土溫度計，共計22支溫度計。變形監(jiān)測包括水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測。水平位移監(jiān)測點布置在拱冠13號壩段內(nèi)，布置一條正垂線和一條倒垂線，分別用“拱冠正”和“拱冠倒”表示。大壩垂直位移監(jiān)測一共布置了40個測點，其中，壩頂布置25個測點，每個壩段設(shè)一個監(jiān)測點；壩下游面約86.5 m高程處7～19號壩段，每個壩段各設(shè)一個監(jiān)測點，共13個測點，23號壩段下游壩腳設(shè)置2個監(jiān)測點。

3 大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

壩體溫度是影響大壩工作性態(tài)的重要因素，其監(jiān)測資料是掌握和分析運行期壩體位移、應(yīng)力變化的重要參數(shù)。選取典型壩體溫度測點進行分析，得增設(shè)聚氨酯保溫層前后的壩體溫度特征值統(tǒng)計見表2。由表2可知：在增設(shè)聚氨酯保溫層后，各測點的壩體溫度最大變幅、最大年變幅及最小年變幅均明顯減小。增設(shè)聚氨酯保溫層前，壩體溫度最大年變幅在13.10～27.65 ℃之間浮動，最小年變幅在7.30～23.15 ℃之間浮動；增設(shè)聚氨酯保溫層后，壩體溫度最大年變幅在2.17～13.58 ℃之間浮動，最小年變幅在1.86～10.69 ℃之間浮動；壩體溫度最大變幅、最大年變幅以及最小年變幅的最大消減率均超過90%，平均消減率約為50%，說明在增設(shè)聚氨酯保溫層后，壩體溫度變化區(qū)間較小，壩體溫度變化更趨于穩(wěn)定，大壩溫度應(yīng)力得到了有效改善。這是因為聚氨酯發(fā)泡材料的導熱系數(shù)較低，當外界氣溫變化時，壩身混凝土不易與大氣進行熱交換，從而使壩身混凝土溫度變化梯度平緩。

選取增設(shè)聚氨酯保溫層前后的四個季節(jié)中典型時段的壩體溫度分析，得到各壩體溫度等值線。圖1、2分別為增設(shè)聚氨酯保溫層前后壩體溫度等值線。分析圖1、2可知，大壩增設(shè)聚氨酯保溫層前，壩體內(nèi)部溫度在14～21℃之間浮動；增設(shè)聚氨酯保溫層后，壩體內(nèi)部溫度在16.5～19 ℃之間浮動。由此可知，在大壩外部增設(shè)聚氨酯保溫層后，有效降低了外界溫度對壩體內(nèi)部溫度的影響，壩體內(nèi)部溫度場更加趨于穩(wěn)定。

表2 壩體溫度特征值統(tǒng)計 ℃

圖1 2006年典型時段壩體溫度等值線(單位：℃)

圖2 2016年典型時段壩體溫度等值線(單位：℃)

3.2 大壩位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

增設(shè)聚氨酯保溫層前后的壩頂垂直位移特征值和水平位移特征值見表3、4。由表3可知，壩頂測點垂直位移的最大變幅、最大年變幅及最小年變幅均明顯減小，其中，最大變幅量的平均消減率約為35%；最大年變幅量的平均消減率約32%；最小年變幅量的消減率約為25%。增設(shè)聚氨酯保溫層前，壩頂垂直位移最大年變幅在3.19～4.35 mm之間浮動，最小年變幅在0.95～2.72 mm之間浮動；增設(shè)聚氨酯保溫層后，壩頂垂直位移最大年變幅在2.01～3.1 mm之間浮動，最小年變幅在0.59～1.91 mm之間浮動。由表4可知，大壩徑向位移最大年變幅較增設(shè)聚氨酯保溫層前有所減小，切向位移變化不大，徑向位移最大年變幅的消減率約為44%。由此說明，聚氨酯保溫層能有效減小大壩變形幅度，改善大壩整體沉陷狀態(tài)。

表3 壩頂垂直位移特征值分析統(tǒng)計 mm

表4 壩頂水平位移最大年變幅值統(tǒng)計 mm

4 結(jié) 論

(1)壩體溫度特征值分析可知：各測點壩體溫度特征值較增設(shè)聚氨酯保溫層前均有所減小；保溫前壩體內(nèi)部溫度變化區(qū)間為7℃，保溫后壩體內(nèi)部溫度變化區(qū)間縮小為2.5℃。表明，增設(shè)聚氨酯保溫層后壩體溫度變化幅度將減小，大壩應(yīng)力狀態(tài)將得到有效改善。

(2)壩體變形特征值分析可知：增設(shè)聚氨酯保溫層后大壩的水平位移和垂直位移總體上均有所減小；保溫前壩頂垂直位移最大年變幅在3.19～4.35 mm區(qū)間變化，保溫后區(qū)間為2.01～3.1 mm；保溫前徑向位移為20.36 mm，保溫后為11.38 mm。表明，增設(shè)聚氨酯保溫層后壩體變形將減小，大壩沉陷狀態(tài)將得到有效改善。

(3)綜合增設(shè)聚氨酯保溫層前后的壩體溫度和壩體變形分析結(jié)果可知，聚氨酯保溫層能有效改善大壩工作性能，提高大壩整體安全度，但該材料的穩(wěn)定性仍需進一步監(jiān)測和分析。