寒冷干旱地区碾压混凝土重力坝保温保湿措施

艾尼·努尔塔扎

(新疆伊犁河流域开发建设管理局 乌鲁木齐 830000)

1 概述

碾压混凝土坝RCC(Roller Compacted Dam)筑坝技术是20世纪70年代兴起的一种新型筑坝技术。因其结合了土石坝造价低廉、施工效率高和混凝土坝抗震、抵御超标准洪水安全性高的优点，自20世纪70年代初问世以来，越来越受到世界坝工界的青睐，现已成为最受欢迎的新坝型之一。

碾压混凝土坝筑技术得到了我国坝工界的重视，取得了举世瞩目的成就。然而，在淮河以南暖湿地区取得的建设经验并不能完全解决在北方寒冷干旱地区建设碾压混凝土坝中遇到的工程技术问题，尽管我国水利工程师已重视如何防止坝体裂缝问题，并做了大量的研究探索工作，也取得了很多成就，但已建的碾压混凝土坝仍或多或少都存在着裂缝，“无坝不裂”是不争的事实，尤其在北方寒冷干旱地区，已建成的碾压混凝土坝坝体开裂现象更为普遍且更为严重，同时，寒冷地区存在施工期坝面越冬问题，干旱地区存在施工层面薄弱问题:

a.碾压混凝土重力坝属大体积混凝土，在“冷、热、风、干”的寒冷干旱地区修建的碾压混凝土重力坝，由于浇筑混凝土时温度高，而年平均温度较低，大坝稳定温度也相对较低，较大的基础温差极易引起基础贯穿性裂缝和深层裂缝。较大的气温年变化幅度、较大的昼夜温差、频繁的寒潮作用和干燥的气候条件，极易引起混凝土表面裂缝，坝体裂缝问题更为严重，在一定条件下表面裂缝会发展为深层裂缝。而混凝土一旦开裂，会对混凝土坝的使用功能、耐久性、抗渗性、整体性及美观产生有害影响，如果坝体裂缝发展为贯穿裂缝或深层裂缝，甚至会危及大坝运行安全。附加地震灾害的联合作用后，坝体裂缝将会延伸，对坝体的危害犹如雪上加霜，将会更严重地危及大坝安全。

b.碾压混凝土坝由薄层摊铺碾压而成，存在着众多的碾压施工层面。寒冷地区碾压混凝土大坝混凝土施工期一般为4～10月，每年10月末至翌年4月初停止混凝土施工。这种冬季长间歇式施工方式，在混凝土大坝上形成越冬层面，越冬层面附近因较大的上下层温差和较大的内外温差，上下游表面附近引起较大的拉应力集中，在越冬停浇面的顶面中间部位引起较大的水平拉应力，为混凝土的防裂带来较大困难。

山口水电站工程混凝土重力坝是在北方寒冷干旱地区和工程场址地震基本烈度为8度的强地震烈度区修建的首座碾压混凝土重力坝。该工程碾压混凝土重力坝也同样存在上述两项问题的影响，因此，本文以“山口水电站工程”作为实例，重点介绍碾压混凝土大坝的温度控制保温保湿措施。

2 工程概况

山口水电站工程是新疆维吾尔自治区能源建设项目重点工程，位于新疆伊犁巩留县境内，是特克斯河干流梯级开发的最末一级，距巩留县县城27km，距伊宁市125km。水库总库容1.21亿m3，装机容量141MW，工程规模属大(2)型Ⅱ等工程，任务是发电及反调节。主要由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房、户内式开关站等水工建筑物组成。拦河坝“一”字形布置，全长963.10m，坝0+000.00～坝0+496.00为碾压混凝土重力坝，坝0+496.00～坝0+556.00为碾压混凝土重力坝与黏土心墙坝的结合段，坝0+556.00～坝0+963.10为黏土心墙坝。碾压混凝土重力坝共分为30个坝段，坝段长度在15～25.5m之间，最大坝高49.8m。

工程位于寒冷干旱地区，极端最高气温39℃，极端最低气温－32℃，多年平均降水量334.0mm;多年平均蒸发量1961.0mm;多年平均风速3.3m/s，最大风速24.0m/s。春秋季短;夏季炎热、干燥、风大;冬季寒冷，寒潮频繁，平均年寒潮次数为20次。昼夜温差大，年平均昼夜温差为18℃，年温度变化幅度大，年温差超过60℃。工程场址的地震基本烈度为8度，属强地震烈度区。由于“冷、热、风、干”的寒冷干旱气候特点，碾压混凝土重力坝的温控防裂问题尤为突出，对于混凝土坝施工及安全运行将产生严重影响。无论是“内降”或“外保”的温控抗裂措施，均需加强混凝土的保护。因此，保温、保湿是该工程碾压混凝土重力坝筑坝的关键技术。

3 碾压混凝土重力坝坝体整体保温保湿措施

常规的温控措施是基于温度梯度过大产生裂缝的认识提出的，虽然能在某种程度上减少出现裂缝的几率，但由于未考虑到湿度场的存在所致温湿耦合机制对混凝土裂缝产生的作用，因此，无法从根本上防止混凝土裂缝的产生，要从根本上防止混凝土裂缝的产生，必须采取混凝土永久保温保湿的防裂措施。

3.1 保温保湿材料选择

根据工程特性和气候条件，碾压混凝土重力坝坝体整体保温的材料一般为三种:聚苯板保温材料、珍珠岩发泡保温涂料、聚氨脂保温材料。

氨基甲酸酯高聚物(简称聚氨酯)是由异氰酸酯和羟基化合物反应生成氨基甲酸酯作为其特征链节而命名，聚氨酯具有较高的扯断强度、撕裂强度、耐磨性和突出的抗冲击性能，同时具有良好的装饰性能和优异的耐化学腐蚀性能。因此，常以其作为成膜物质合成保护涂料，广泛应用于装饰和防腐领域。近年来，随着反应喷涂成型(Reaction Spraying Molding)技术的发展和成熟，在各领域得到广泛应用，具有不污染环境，不需加热，节约能源，快速固化，施工期短等优点。

保温材料和混凝土之间的黏结直接影响其保温性能，聚氨脂在没有加入发泡剂之前本身是一种强度极高的黏合剂，在加入发泡剂制成泡沫后，其黏结力仍然很强，仍能和混凝土连为一体，而且水对于聚氨酯基本没有溶解腐蚀作用，即水与聚氨酯不发生反应，水淹后不会脱落，可用于坝体水位变动区的保温保湿。

聚苯板保温材料的做法为:人工涂刷黏结剂+人工黏贴聚苯板+防水涂料;珍珠岩发泡保温涂料的做法为:人工涂抹珍珠岩发泡涂料;聚氨酯保温材料的做法为:机械喷涂聚氨酯。其中，发泡聚氨酯保温材料的施工对于施工机具有一定的要求。喷涂需借助空压机、喷涂机等设备。喷涂必须采用喷枪进行，需离开坝面一定距离，施工作业有一定技术含量。喷涂前，设备吊运安装调试及材料准备工作量较大。但是相对于传统的保温方式，聚氨酯保温保湿具有以下几个方面优点:ⓐ由于采用喷涂方式，施工速度快;ⓑ材料与坝面粘贴牢靠，而且具有一定强度，无需在其表面采用钢模固定和保护，简化了施工工序;ⓒ喷涂过程中采用高压，聚氨酯材料能有效渗入混凝土表面，材料反应后能够屏蔽混凝土表面的毛细孔和微裂隙，可以起到一定的防渗作用;ⓓ喷涂工艺使聚氨酯材料在坝面形成一个整体，没有接缝，这有两方面好处:一方面可以保持内部混凝土湿度，使混凝土不出现干缩裂缝;另一方面，可以阻止外界水的渗入，较之于另两种材料有无渗入水凝结成冰，产生膨胀，从而剥离等优点。

从材料造价、保温效果、施工简便等方面考虑，山口水电站工程碾压混凝土大坝的温度控制保温保湿选择了喷涂聚氨酯泡沫材料。

3.2 春、夏、秋季保温保湿

此部分混凝土浇筑时间均在规范要求的冬季气温以上，所以对于每个升程顶面，在混凝土碾压结束后，立即覆盖彩条布，进行表面保湿，待混凝土终凝后，进行表面刷毛或冲毛处理，之后继续进行表面保湿养护，直到大于14天或上层混凝土浇筑。

现场施工时，通过仓面喷雾或表面流水方式加强浇筑仓面养护，高温期施工的停浇面，仓面碾压完毕后覆盖帆布或苫布进行保湿或喷雾。根据天气预报，如寒潮来临时，做好层面的保温工作。

3.3 冬季保温保湿

冬季主要是在气温达到规范温度时，在混凝土施工结束后，立即覆盖一层棚布加一层彩条布进行保温，直到同时期成型的混凝土试块强度超过抗冻强度(设计强度的40%)，之后，将覆盖分片除去，在白天气温达到0℃以上时，进行冬季越冬层面的保温。

越冬层面的保温:采用10cm聚苯板保温，在聚苯板表面覆盖1.5m左右的土层，以起到保护的作用，棱角处的保温见下图。

保温示意图

3.4 上下游混凝土表面的保温保湿

在聚氨酯喷涂之前主要采用表面流水养护，养护时间不少于14天，并在冬季来临之前及时喷涂5cm聚氨酯。

对于表面有插筋的混凝土表面，如表孔溢流坝段、坝后台阶等，在冬季来临前覆盖1m左右的秸秆或稻草进行保温。

4 保温保湿效果安全监测与措施评价

山口水电站工程碾压混凝土大坝坝体共埋设了74个温度计监测坝体温度变化，其中临时温度计30支，共取得观测数据11506组。另设坝体导温观测断面3个，每个断面在距坝面 0.05m、0.15m、0.35m、0.65m、1.15m处各埋设温度计两支，设坝体表面温度观测断面两个，在距坝面0.05m处埋设温度计，共埋设温度计17支，对坝体温度梯度变化进行了观测，共取得观测数据1884组。安全监测结果如下:

坝体表面0.05m处冬季最低温度为0.4～8.6℃之间，平均为3.5℃，夏季最高温度为22.3～33.1℃，平均为26.8℃;

坝体表面0.15m处冬季最低温度为1.0～4.4℃之间，平均为3.0℃，夏季最高温度为21.8～28.1℃，平均为24.3℃;

坝体表面0.35m处冬季最低温度为1.2～4.5℃之间，平均为3.1℃，夏季最高温度为22.0～34.8℃，平均为26.5℃;

坝体表面0.65m处冬季最低温度为1.7～6.3℃之间，平均为4.5℃，夏季最高温度为21.3～34.8℃，平均为26.3℃;

坝体表面1.15m处冬季最低温度为2.2～7.8℃之间，平均为5.3℃。

另外，在下游坝面与保温层结合面埋设4支温度计，最低温度2.6℃，最高温度29.6℃，聚氨酯泡沫消减坝面与大气温度差作用明显。

从坝体温度梯度变化规律可知，坝体喷涂聚氨酯保温效果良好，坝体表面温度为正温，年变幅在23.2±0.8℃，符合设计要求。

2007年冬季山口水电站工地最低气温达到－21.7℃，无聚氨酯保温的距下游坝坡混凝土内1m处测点的最低温度达到－4.1℃;有聚胺脂保温的下游坝面温度测点的最低温度为3.1～4.5℃，说明聚胺脂保温效果良好。

工程安全监测数据表明，坝面喷涂聚氨酯泡沫保温保湿措施，取得了良好的防裂效果，坝体基础强约束区没有发现贯穿性裂缝，应力应变实测值符合设计要求，坝面温度、坝面湿度等观测数据符合温湿耦合理论防裂要求，层间结合质量良好，大坝运行安全。

5 结语

山口水电站工程碾压混凝土重力坝坝体表面喷涂聚氨酯泡沫进行保温保湿和防裂效果明显，该大坝已投入运行一年多时，经历了设计洪水位的考验，大坝的工程质量和各项性状指标良好，符合设计和国家相关规范要求，为寒冷干旱地区碾压混凝土重力坝采用喷涂聚氨酯泡沫保温保湿防裂提供了成功应用实例，并且已推广应用于新疆冲呼尔水电站工程碾压混凝土重力坝和湖北云龙河三级水电站工程，取得了显著的社会效益和经济效益。