寒冷環境下國內大壩混凝土的保溫抗冰技術現狀

趙成先，孫紅堯，羅建華，李紅鑫，潘旭勇，裴成元

(1. 新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2. 南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

水庫大壩起到統籌防洪、發電、供水和灌溉等功能。我國已擁有水庫大壩9.8萬余座（2017年統計），是世界上擁有水庫大壩最多的國家。我國大壩95%以上是20世紀80年代以前建設的[1]，95%以上是土石壩，其他是混凝土重力壩和拱壩。混凝土重力壩是指壩身用混凝土澆筑的壩，其結構簡單，施工方便，是一種整體性較好的剛性壩，中、高壩常采用這種壩型。重力壩壩高已超過300 m。拱壩是一種建筑在峽谷中的攔水壩，做成水平拱形，凸面向上游，兩端緊貼著峽谷壁，能把一部分水平荷載傳給兩岸。拱壩壩高已經超過290 m。大壩混凝土澆筑屬于大體積混凝土施工，水泥水化反應會放出大量熱量，因此必須采取溫控措施以確保混凝土內外溫差較小，從而避免產生混凝土溫度裂縫。溫控措施包括內部冷卻方式和外部保溫隔熱方式。外部保溫又包括臨時保溫和永久保溫措施。迎水面混凝土還需要考慮結冰和融冰對混凝土或保溫材料的破壞影響。

1 冰對壩體混凝土和接水部位保溫防護材料的作用機理

混凝土內部含有大量毛細孔隙，其內吸附的水從液態轉變為固態時體積增加產生向外的膨脹力，當冰充滿孔隙后如其膨脹力大于水泥水化物之間的黏結力，則混凝土毛細孔隙就會被破壞。圖1是未加任何添加劑的普通混凝土凍融前后的外觀狀態。由圖1可見，經過75次凍融循環后，混凝土表面砂漿全部脫落，露出石子，強度損失大。寒冷環境下的水工結構如大壩混凝土，常通過添加引氣劑等方式提高混凝土的抗凍 性能。

如果大壩混凝土表面采取了保溫措施，則在大壩迎水面還存在冰對基體的推力、拉拔力和冰對基面的剪切力（見圖2）。水域越大冰的質量越大，水位變化時冰對保溫材料的作用力就越大。水結冰過程中體積膨脹造成對基體保溫材料的冰推力。當冰體已經形成，水位下降時，冰體在自重的作用下會下沉，這時附著在基體微孔隙中的冰會對保溫材料基面形成剪切力和向外的拉拔力。保溫材料的抗壓強度和抗撕裂強度均較低，在這3種力的聯合作用下，會發生較大程度的破壞。水的壓強與水體高度成正比，所以隨著水深的增加，保溫材料受到的水壓作用也增加。

圖 1 普通混凝土凍融試驗前后的外觀狀態Fig. 1 Appearance of ordinary concrete before and after freeze-thaw test

圖 2 大壩迎水面冰對保溫材料基體作用力示意Fig. 2 Schematic diagram of forces of ice acting on thermal insulation materials at the upstream of dam

寒冷環境下的大壩，在冬季澆筑時為了保證混凝土內外溫差在控制范圍內，需要采取臨時保溫措施，而大壩在運行時為了避免凍融給大壩造成不可挽回的損失，則會在大壩混凝土表面采取永久保溫措施。所以在寒冷環境下，未進行永久保溫的混凝土會經受凍融作用而發生破壞，而進行永久保溫的混凝土結構，保溫材料尚不能承受冰的推力、剪切力和拉拔力的聯合作用。目前保溫抗冰技術包括保溫材料技術和保溫措施外加抗冰設備技術。

2 保溫措施和保溫材料的種類

2.1 臨時保溫措施和材料

大壩在冬季澆筑時通常采用臨時保溫措施。最早采用草袋和草簾保溫，但其易燃、易腐爛、不耐用，保溫效果差。后來在恒仁、白山等東北地區也用過木絲板，在太平哨大壩噴涂過水泥-膨脹珍珠巖，但這些材料易受潮且受潮后保溫效果降低，木絲板還存在掩蓋混凝土表面缺陷和不易拆除等問題[2]。也有采用棉被套在塑料薄膜內進行臨時保溫的工程。20世紀80年代后泡沫塑料成為主要的保溫材料。此時，可用聚乙烯保溫被、聚乙烯氣墊薄膜、泡沫塑料板（聚乙烯和聚苯乙烯等）等進行臨時保溫。以上方法均屬于在混凝土表面覆蓋保溫層進行臨時保溫，工藝上要求臨時保溫材料要牢固緊貼在混凝土表面，要防風、防雨，且不能存在覆蓋遺漏的區域。

2.2 永久保溫措施和材料

在北方寒冷環境下的混凝土大壩運行期間，混凝土大壩通常采取永久性抗凍保溫保護措施。首先，混凝土配合比設計時就需要考慮混凝土本身具有一定的抗凍融性能，可通過摻加混凝土引氣劑的方式解決，還可在表面澆筑泡沫混凝土和膨脹珍珠巖發泡等保溫材料。但這些材料易吸水且吸水后保溫效果降低。膨脹珍珠巖經過改進發泡工藝，封閉泡沫孔，降低了發泡珍珠巖的吸水率而繼續得到應用。泡沫塑料的出現已經基本可以替代泡沫混凝土材料。聚苯乙烯板（模塑板EPS、擠塑板XPS）、聚氨酯硬質泡沫（噴涂、灌注和板材）、聚乙烯泡沫均可以作為大壩永久保溫材料，通過粘貼方式覆蓋在混凝土表面。

2.3 常用保溫材料的性能比較

永久性保溫材料通常為珍珠巖發泡保溫材料、聚苯乙烯板和聚氨酯泡沫保溫材料。它們的主要理化性能見表1[2-3]。

表 1 幾種保溫材料的性能比較Tab. 1 Performance comparison of several thermal insulation materials

由表1可以看出，聚氨酯硬泡導熱系數最低，發泡珍珠巖的壓縮強度和耐燃性最好，但發泡珍珠巖的體積吸水率最高。幾種常見保溫材料的保溫性能[2]如下：磚、混凝土、珍珠巖、纖維板、軟木、EPS、XPS和聚氨酯的保溫厚度分別為86.0、38.0、19.3、6.5、5.0、4.0、3.2和2.5 cm。可見，聚苯板（EPS和XPS）和聚氨酯硬泡作為大壩混凝土表面保溫材料最合適，它們也是目前水工結構大壩混凝土常用的保溫材料。

3 大壩混凝土的保溫抗冰技術現狀

以前大壩混凝土通常只采用保溫技術而忽視了迎水面的冰對保溫材料的破壞，所以近幾年才出現了大壩混凝土迎水面水位變動區抗冰技術的研究，且多體現在專利技術中，而極少體現在研究論文中。

3.1 大壩混凝土保溫技術現狀

通過資料檢索可以得到許多關于大壩混凝土保溫的研究成果，這里只選擇具有代表性的案例進行引用，并根據所采用措施的種類和方式來說明目前的技術現狀。

3.1.1 臨時保溫措施 豐滿水電站大壩[4]處于年平均氣溫為4.9 °C，冬季持續低溫，極端最低氣溫?42.5°C的冬季嚴寒環境中。2015年冬季重建時屬于冬歇期，壩塊越冬方案包括：壩頂越冬側面采用8 cm厚XPS板進行保溫（鋪設方法：1層塑料薄膜+8 cmXPS板+1層三防帆布，停澆面以下3 m范圍內XPS板厚度改為16 cm）；大壩停澆面采取9層2 cm厚橡塑海綿保溫被進行保溫，鋪設方法與側面相似，將XPS板換成橡塑海綿即可，并在上部采用沙袋壓蓋，局部位置采用15層海綿；其中，左岸7＃、8＃、9＃壩段是重點保溫防裂區域，為加強該區域越冬保溫措施，同時進行人工造雪覆蓋保溫研究，并對保溫效果進行跟蹤監測。

某水電站重力壩[5]位于西藏自治區山南地區桑日、加查縣境交界處，處于高海拔、低氣溫環境中，混凝土澆筑時采取內部水冷卻和外部5 cm厚聚苯板表面保溫措施來降低壩體混凝土施工期的表面應力。

喀臘塑克水利樞紐RCC壩[6]壩址區10月中、下旬開始進入冬季，隨后逐漸進入冬季嚴寒階段， 一直到次年的4月初才開始逐步進入混凝土施工期，有記載的極端最低氣溫為?49.8 °C，此階段混凝土施工進入冬休期。越冬面保溫措施類似豐滿水電站大壩，即：1層0.6 mm厚塑料薄膜+2層2 cm厚聚乙烯保溫被+13層2 cm厚棉被+1層三防帆布。為加強保溫及防止側面進風，在越冬面上下游側用砂袋壘1.0 m高、0.8 m寬的防風墻，在保溫被周邊及越冬面以下2.6 m范圍內噴涂10 cm厚聚氨酯硬質泡沫。

臨時保溫措施不但適用于寒冷氣候條件，還在華南地區得到應用，如地處華南亞熱帶地區、氣候溫暖濕潤的壩美水電站，壩面上下游混凝土表面粘貼高強聚苯板泡沫板進行保溫保濕，施工縫頂面采用塑料氣墊薄膜覆蓋[7]。施工期出現寒潮時，壩體溫度大幅下降、拉應力明顯降低。盡管聚苯板在物體撞擊下易破損、易碎，但價格便宜。

所以，凡是混凝土施工需要經歷低溫環境（小于5 °C）時，為了降低混凝土表面由于內外溫差造成的拉應力，通常采用臨時保溫措施；保溫材料大多是XPS聚苯板、聚乙烯保溫被、棉被、聚氨酯硬泡等；保溫材料的厚度可以根據材料的導熱系數和溫度場的變化通過有限元計算獲得。

3.1.2 永久保溫措施 只采用聚氨酯保溫材料的工程[8-10]如汾河二庫、新疆石門子大壩和新疆山口水電站。

汾河二庫位于太原市西北30 km的汾河干流上，是一座以防洪、供水為主，兼具發電、旅游、養殖等綜合效益的大Ⅱ型水利樞紐工程。為了確保大壩安全，防止裂縫的產生，在大壩上游面采取噴涂聚氨酯泡沫和在泡沫表面噴涂單組分氯磺化聚乙烯涂料的保溫抗裂措施[8]。

新疆塔西河石門子碾壓混凝土拱壩壩址地區冬季寒冷，月平均氣溫在零度以下長達5個月，多年平均氣溫4.1 °C，極端最高氣溫33.2 °C，極端最低氣溫?31.5 °C，日氣溫波動較大，屬典型的高寒劇變氣溫地區。在壩面噴涂聚氨酯保溫材料，第一年冬季在外界氣溫約?20 °C時，聚氨酯保溫層下混凝土表面溫度為6～8 °C，第二年夏季聚氨酯保溫層可降低7 °C的內外溫差，保溫效果良好，可大大減少高寒地區拱壩溫度應力[9]。

新疆山口水電站位于寒冷干旱地區，極端最高氣溫39 °C，極端最低氣溫?32 °C，具有春秋季短，夏季炎熱、干燥、風大，冬季寒冷、寒潮頻繁，晝夜溫差大，年溫度變化幅度大，年溫差超過60 °C的氣候特點。為減少碾壓混凝土重力壩壩體裂縫，大壩上、下游混凝土表面采用噴涂5 cm厚聚氨酯硬質泡沫保溫保濕防裂措施[10]。

只采用聚苯板保溫的工程如拉西瓦水電站[11]、三峽大壩工程[12]和喀拉塑克水利樞紐工程[13]。

可見，上述工程永久保溫措施所用的保溫材料以噴涂聚氨酯泡沫保溫材料和XPS聚苯板為主，聚苯板保溫方案中輔助以防滲底涂和外涂防滲抗裂砂漿構成保溫體系。經過多年的工程實踐發現，下游面的保溫措施基本能達到預期的效果，能夠有效降低混凝土表面因為溫差造成的拉應力。聚苯板施工簡單、價格便宜，但隨著粘接劑的失效，聚苯板易脆斷和脫落，影響保溫效果和外觀。噴涂聚氨酯與混凝土粘結強度高，盡管價格較貴，但沒有拼縫，不脆斷、不脫落。所以，在施工條件允許的情況下，保溫工程建議優先選用聚氨酯泡沫保溫材料。

3.2 大壩混凝土抗冰技術現狀

大壩混凝土的抗凍性能在配合比設計時即要考慮，可通過在混凝土拌合物中添加外加劑以提高其抗凍性能。但混凝土本身抗凍性能的提高并不能完全解決其開裂問題，需要采取附加抗凍手段來預防混凝土的開裂。除了前述在混凝土表面鋪設一定厚度的保溫材料以保證混凝土表面溫度在0 °C以上外，還可在表面附加抗冰手段或抗冰材料來抵抗冬季水庫結冰對大壩上游面混凝土的影響。關于大壩混凝土抗冰技術的研究還比較少，效果沒有預期的好，僅僅處在嘗試攻關階段。下面簡單介紹國內專利中提到的抗冰技術。

3.2.1 表面覆蓋砂漿或涂層 現有研究主要在保溫層上覆蓋抗冰拔的材料，如塑料、砂漿和涂料等。普通塑料易老化發脆，所以更多的研究集中在涂層上。

CN201710341749.6“一種復合保溫板及基于復合保溫板的混凝土壩保溫系統”的發明中提出，利用在保溫板上的硅橡膠、有機硅樹脂或三元乙丙橡膠組成的橡膠層起抗冰拔作用。CN201711441893.3“一種大壩防水保溫結構及制造方法”的發明提出在保溫層外面涂裝抗冰涂層，但未說明是何種類涂層。

CN201811601197.9“一種防冰拔涂層的制備方法”的發明提出了氟樹脂改性聚天門冬氨酸酯的涂層來增強防冰拔效果。專利中介紹，整個冬季未出現冰拔現象。CN201821756719.8“一種水利建筑設施的分層結構”的發明提出了利用氟碳面漆或聚天門冬氨酸酯面漆來抗冰拔。CN201910361661.X“嚴寒區大壩保溫整體式抗冰拔結構層”的發明提出了用氟碳涂層抗冰拔。CN201910416309.1“嚴寒地區大壩保溫防滲防冰拔保護體系及其施工方法”的發明也提出了用氟改性聚脲來抗冰拔作用。CN201910315372.6“一種嚴寒地區混凝土壩抗冰拔保溫防滲結構及其施工方法”的發明提出了用預制清水混凝土板起抗冰拔作用。布爾津沖乎爾水電站大壩[2]則是在保溫層表面噴涂聚酯聚氨酯砂漿保護層來起抗冰拔作用。

可見，涂層通常由具有柔性和疏水性的橡膠、聚脲或氟樹脂改性聚脲構成。這些專利的應用效果未見報道，但可以預見的是厚度較小的涂層難以承受冰推力、冰剪切力和冰拔力聯合作用下的破壞。

3.2.2 設置抗冰裝置 CN201611088608.X“用于嚴寒地區碾壓混凝土壩體保溫層防冰拔力破壞的結構”的發明提出，水庫結冰前在結冰水位處預置鑄鐵塊，用纜繩吊住并可以手動或自動根據水位變化做出調整（見圖3），抗冰原理是通過水位下降時用纜繩和鑄鐵塊的拉力拉住冰體以避免冰對壩體基面的損害。但冰體質量很大時，該裝置是否能有效抗冰未知。

CN201620420456.8“一種面板堆石壩防冰裝置”的發明提到，在水體中放置帶有很多氣孔的管道，用纜繩吊住，冰凍期時用壓縮空氣產生氣泡擾動水體，使擾動部分的水體不能結冰，從而保護壩體表面，產氣裝置見圖4。根據調研結果，水體擾動裝置在冬季連續無故障運行期間能夠起到壩面抗結冰的效果。

圖 3 專利CN201611088608.X中防冰拔力破壞的結構Fig. 3 Ice-resistant structure in patent CN201611088608. X

圖 4 專利CN201620420456.8中的產氣裝置Fig. 4 Gas-generating unit in patent CN201620420456.8

CN201820460178.8“一種高寒地區冰(水)庫簡易曝氣除冰裝置”的發明提出了一種在水庫里安裝的曝氣除冰裝置。與CN201620420456.8“一種面板堆石壩防冰裝置”的發明的思路相近，但裝置不同。CN201910574097.X“一種高寒區混凝土壩掛花管抗冰拔系統及方法”的發明提出，在水中布置噴水花管和潛水泵的方式來阻止壩面結冰。

CN201711476113.9“一種蜂巢式壩坡防護結構”的發明提出了一種蜂巢式壩坡防護結構，包括安裝在壩坡上的底板，在底板上設有防護結構。防護結構由蜂巢式橡膠壩袋、充氣式橡膠壩袋和錨固墩組成，蜂巢式橡膠壩袋位于防護結構的中部，充氣式橡膠壩袋位于蜂巢式橡膠壩袋的兩端，充氣式橡膠壩袋一端與蜂巢式橡膠壩袋焊接，充氣式橡膠壩袋另一端固定在岸坡的錨固墩上，蜂巢式橡膠壩袋和充氣式橡膠壩袋上均設有充排氣系統。該裝置能有效降低水庫冬季結冰產生的冰推力、冰拔力和流冰撞擊等對大壩上游壩坡的破壞作用，有效保護大壩壩坡面板，同時可實現冰蓋的自動脫落，避免人工鑿冰的危險。這相當于在混凝土表面覆蓋一層緩沖袋，但該緩沖袋需要克服水的浮力和耐久性的問題。

以上幾種裝置各有優缺點，最終效果還需要經過實際工程檢驗。

3.3 西北某區域大壩混凝土保溫抗冰現狀調研

2019年對中國西北某區域幾座大壩混凝土的保溫抗冰情況進行了調研，總結如下：

（1）保溫材料和保溫效果 保溫材料采用XPS擠塑聚苯板和噴涂聚氨酯泡沫材料，厚度范圍從5 cm到15 cm。經過工程運行檢驗，這2種材料的總體保溫效果均達到預期目標，但上游面接水區域由于水體有水頭壓力，深水處的泡沫塑料會存在壓擠變形，這說明如果不用高強度材料隔絕水與泡沫塑料，則需要提高泡沫塑料的抗壓強度性能。但泡沫塑料的抗壓強度與塑料的絕熱性能是反向關系，即強度增高絕熱性能降低。所以需要研究高強高隔熱性能的材料。

（2）抗冰措施和抗冰效果 幾座大壩分別采取了泡沫塑料保溫材料表面噴涂聚酯砂漿、噴涂涂層的抗冰措施，其中一座大壩附加采取了曝氣除冰裝置。

上游面出現了聚苯板脫落和聚氨酯泡沫被冰破壞的情況（見圖5）。原因可能是水體的水頭壓力、冰的冰推力、剪切力和冰拔力、碎冰的沖撞力造成，而保溫材料的抗壓強度普遍較低，且涂層的厚度通常在毫米范圍內，在這些力的共同作用下，保溫材料加涂層的抗冰拔性能通常效果不好。

曝氣裝置除冰效果不錯，曝氣區域水面不結冰（見圖6）。但曝氣除冰裝置發揮效果的前提是纜繩整體不能結冰失效、鼓氣設備運行時不能出故障，如設備一旦故障而不能立即在結冰前恢復運轉，則在整個結冰期內設備不可能再啟動。同時在整個結冰期內需要安排人員24小時跟蹤管理、耗費人力和電力，所以對寬度較大的大壩該裝置實用性不強。

所以，大壩上游面保溫抗冰拔技術的研究仍需繼續攻關。

圖 5 聚氨酯保溫材料被冰破壞露出基面Fig. 5 Polyurethane insulation material is damaged by ice and the base surface is exposed

圖 6 曝氣裝置處的保溫材料狀態Fig. 6 Status of thermal insulation material at aeration unit

4 結 語

大體積混凝土澆筑時的發熱和寒冷環境下施工時的大溫差會造成混凝土的開裂，所以施工越冬期必須采取臨時保溫措施，工程運行時采取永久保溫措施。大壩上游面還需要采取抗冰措施。

大壩保溫材料基本選擇聚苯板和聚氨酯泡沫材料。聚苯板與混凝土的粘結易失效和發生脫落，還存在拼縫等不足，但其施工方便，工藝簡單；而聚氨酯保溫材料施工相對復雜，但其與混凝土基面粘接好，不存在拼縫。如保溫材料表面不進行耐候和抗冰保護，則保溫材料的耐久性不高。壩體上游面抗冰拔技術研究才剛剛起步，所以需要進一步研究提升大壩永久保溫材料的耐久性技術和大壩迎水面保溫材料的高效耐久抗冰技術。

由于大壩混凝土的保溫抗冰技術的研究不夠成熟，尚缺少統一的材料和施工技術規范，缺少抗冰拔性能的具體檢測方法和設備。所以隨著混凝土大壩保溫抗冰技術的完善，需要制訂相應的技術規范以指導寒冷環境下水庫大壩混凝土的保溫抗冰保護工作。