聚氨酯保温层对重力拱坝服役性能的影响

鄢 涛，陈 波

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏 南京 210098；3.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

截至2017年底，全国已建成各类水库98 795座，总库容9 035亿m3，其中大型水库732座，总库容7 210亿m3，占全部总库容的79.8%[1]。坝高超过60 m的水库大坝约950座，100 m以上的大坝223座，200 m以上的23座，250 m以上的10座[2]。这些水库的选址大多在冬季气温较低的山区，且低温时间长，年内温差大，坝体混凝土受热胀冷缩效应影响，容易出现裂缝和表面剥蚀等病害，影响大坝安全运行和正常使用[3]。建设在新疆西北高寒地区的混凝土高坝常因受到巨大温差影响而在大坝表面产生众多裂缝，如新疆石门子碾压混凝土拱坝、布尔津山口大坝等混凝土高坝。为减小混凝土坝受变温作用的热胀冷缩效应，工程师常在大坝除险加固工程中，喷涂聚氨酯硬质泡沫作为大坝的表面保温层。如三峡三期大坝、拉西瓦水电站大坝、佛子岭水库、山西汾河二库大坝、新疆石门子碾压混凝土拱坝和新疆伊犁托海水电站等均采用聚氨酯做坝面保温层[4-10]。目前，已有学者对混凝土坝增设聚氨酯保温层后的保温效果开展了相关研究[11-13]。然而，已有研究中关于聚氨酯保温层对实际混凝土高坝工程的温度荷载，尤其是大坝变形的影响研究较少，主要原因是缺乏增设聚氨酯保温层后的混凝土高坝的多年原型监测资料。而保温前后的大坝性能研究对于聚氨酯保温效果的分析和大坝整体安全具有重大意义。

为此，本文以响洪甸重力拱坝在增设聚氨酯保温层前后的服役性能为研究对象，分析了大坝增设聚氨酯保温层前后的原型监测资料，研究了聚氨酯保温层对大坝温度荷载和大坝变形的消减效应，以期为有关工程提供依据。

1 聚氨酯材料

聚氨酯全称为氨基甲酸酯高聚物，具有良好的保温保湿性能，即使在外界温度大幅升降变化条件下，聚氨酯的保温效果依旧良好，并能有效阻止外界雨水渗入混凝土[11-12]。其主要物理化学性能见表1。

表1 聚氨酯的主要物理化学性能

2 工程概况及测点布置

2.1 工程概况

响洪甸水库位于安徽省六安市，校核洪水位为143.37 m，总库容为26.1亿m3，工程规模为大(1)型。大坝为等半径定圆心混凝土重力拱坝，坝顶高程143.4 m，最大坝高87.5 m，坝顶宽6 m，最大底宽43 m。2003年经大坝安全鉴定，原水库在死水位+温升工况下，计算坝体拉应力值大于规范允许值，而且大坝裂缝众多，危及大坝安全。2004年，水利部大坝管理中心确认响洪甸水库为三类坝。2008年12月～2012年7月，安徽省水利厅组织有关单位对响洪甸水库进行了除险加固，大坝坝身采用了聚氨酯保温材料加固，其喷涂范围为：上游坝面从水位变动区118 m高程至坝顶防浪墙下，喷涂厚度为5 cm；下游坝面从坝脚至坝顶，其中坝脚至118.0 m 高程喷涂厚度为5 cm，118.0 m高程至坝顶喷涂厚度为3.5 cm，涂层总面积24 180 m2。

2.2 监测点布置

为全面了解坝体不同部位的温度变化情况，合理地进行了温度监测点的布置，以降低外界干扰因素的影响。响洪甸重力拱坝的坝体温度监测点布置在15号坝段内，其中141.5、132.5、117.5、102.5 m高程处分别布置3支混凝土温度计，87.5 m和70.5 m高程处分别布置5支混凝土温度计，共计22支温度计。变形监测包括水平位移监测和垂直位移监测。水平位移监测点布置在拱冠13号坝段内，布置一条正垂线和一条倒垂线，分别用“拱冠正”和“拱冠倒”表示。大坝垂直位移监测一共布置了40个测点，其中，坝顶布置25个测点，每个坝段设一个监测点；坝下游面约86.5 m高程处7～19号坝段，每个坝段各设一个监测点，共13个测点，23号坝段下游坝脚设置2个监测点。

3 大坝监测数据分析

3.1 温度监测数据分析

坝体温度是影响大坝工作性态的重要因素，其监测资料是掌握和分析运行期坝体位移、应力变化的重要参数。选取典型坝体温度测点进行分析，得增设聚氨酯保温层前后的坝体温度特征值统计见表2。由表2可知：在增设聚氨酯保温层后，各测点的坝体温度最大变幅、最大年变幅及最小年变幅均明显减小。增设聚氨酯保温层前，坝体温度最大年变幅在13.10～27.65 ℃之间浮动，最小年变幅在7.30～23.15 ℃之间浮动；增设聚氨酯保温层后，坝体温度最大年变幅在2.17～13.58 ℃之间浮动，最小年变幅在1.86～10.69 ℃之间浮动；坝体温度最大变幅、最大年变幅以及最小年变幅的最大消减率均超过90%，平均消减率约为50%，说明在增设聚氨酯保温层后，坝体温度变化区间较小，坝体温度变化更趋于稳定，大坝温度应力得到了有效改善。这是因为聚氨酯发泡材料的导热系数较低，当外界气温变化时，坝身混凝土不易与大气进行热交换，从而使坝身混凝土温度变化梯度平缓。

选取增设聚氨酯保温层前后的四个季节中典型时段的坝体温度分析，得到各坝体温度等值线。图1、2分别为增设聚氨酯保温层前后坝体温度等值线。分析图1、2可知，大坝增设聚氨酯保温层前，坝体内部温度在14～21℃之间浮动；增设聚氨酯保温层后，坝体内部温度在16.5～19 ℃之间浮动。由此可知，在大坝外部增设聚氨酯保温层后，有效降低了外界温度对坝体内部温度的影响，坝体内部温度场更加趋于稳定。

表2 坝体温度特征值统计 ℃

图1 2006年典型时段坝体温度等值线(单位：℃)

图2 2016年典型时段坝体温度等值线(单位：℃)

3.2 大坝位移监测数据分析

增设聚氨酯保温层前后的坝顶垂直位移特征值和水平位移特征值见表3、4。由表3可知，坝顶测点垂直位移的最大变幅、最大年变幅及最小年变幅均明显减小，其中，最大变幅量的平均消减率约为35%；最大年变幅量的平均消减率约32%；最小年变幅量的消减率约为25%。增设聚氨酯保温层前，坝顶垂直位移最大年变幅在3.19～4.35 mm之间浮动，最小年变幅在0.95～2.72 mm之间浮动；增设聚氨酯保温层后，坝顶垂直位移最大年变幅在2.01～3.1 mm之间浮动，最小年变幅在0.59～1.91 mm之间浮动。由表4可知，大坝径向位移最大年变幅较增设聚氨酯保温层前有所减小，切向位移变化不大，径向位移最大年变幅的消减率约为44%。由此说明，聚氨酯保温层能有效减小大坝变形幅度，改善大坝整体沉陷状态。

表3 坝顶垂直位移特征值分析统计 mm

表4 坝顶水平位移最大年变幅值统计 mm

4 结 论

(1)坝体温度特征值分析可知：各测点坝体温度特征值较增设聚氨酯保温层前均有所减小；保温前坝体内部温度变化区间为7℃，保温后坝体内部温度变化区间缩小为2.5℃。表明，增设聚氨酯保温层后坝体温度变化幅度将减小，大坝应力状态将得到有效改善。

(2)坝体变形特征值分析可知：增设聚氨酯保温层后大坝的水平位移和垂直位移总体上均有所减小；保温前坝顶垂直位移最大年变幅在3.19～4.35 mm区间变化，保温后区间为2.01～3.1 mm；保温前径向位移为20.36 mm，保温后为11.38 mm。表明，增设聚氨酯保温层后坝体变形将减小，大坝沉陷状态将得到有效改善。

(3)综合增设聚氨酯保温层前后的坝体温度和坝体变形分析结果可知，聚氨酯保温层能有效改善大坝工作性能，提高大坝整体安全度，但该材料的稳定性仍需进一步监测和分析。