高寒冻融频繁地区大坝坝面防渗技术研究

2021-08-19胡中阔蔡畅

四川水利 2021年3期

胡中阔，蔡畅

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081)

1 前言

西藏地区是我国的水能富矿，受高寒缺氧，环境艰苦，交通不便，施工条件差等条件限制，水能开发起步较晚。随着国家社会、经济条件持续发展，一方面对能源的需求持续上涨，另一方面水电开发的技术水平也持续提高，该地区已逐渐成为当前和今后一段时期水电开发的主要战场。如地处青藏高原西南部的雅鲁藏布江上的各水电工程已开始如火如荼的规划、建设。目前，已建成的藏木水电站、加查水电站，正在建设的DG水电站，即将开工建设的BY水电站、JX水电站等。该地区大坝主要以混凝土坝为主，依靠自身混凝土防渗。大坝长期在含砂高速水流中冲刷侵蚀，气温变化大，冻融频繁等恶劣环境，其耐久性直接影响着工程的安全和服役寿命。

在混凝土表面涂覆防护涂层可有效阻止有害介质渗入混凝土毛细孔内部，从而达到提高混凝土耐久性的目的，被广泛应用于大坝表面的防护。DG水电站地处高海拔寒冷地区，为确保工程的安全性和服役寿命，项目决定采用坝面防渗材料进行坝面防渗施工。

2 工程概况

西藏位于青藏高原，属于世界屋脊，平均海拔4000m以上，高寒缺氧，日照时间2500h～3000h(内地的1.5～2.5倍)，年温差和日温差大，每年平均180个冻融循环，紫外线强。

西藏DG水电站位于西藏自治区山南地区桑日县境内，为Ⅱ等大(2)型工程，以发电为主，水库正常蓄水位3447.00m，相应库容0.5528亿m3，电站坝址控制流域面积15.74万km2，多年平均流量1010m3/年，电站装机容量为660MW。

DG水电站大坝是目前海拔最高的碾压混凝土坝，西藏最高大坝，大坝坝顶高程3451m，最大坝高117m，坝顶长385m，大坝碾压混凝土93.7万m3，常态混凝土50.5万m3。

3 西藏地区混凝土工程现状

由于西藏高原气候特点，符合内地混凝土工程设计与施工规范标准的西藏高寒地区的混凝土工程出现了一些问题，特别是耐久性指标难以满足工程的需要。主要表现在：抗冻融循环性能、抗渗性能、耐腐蚀性能、抗Cl-渗透性能、抗碱-骨料反应性能、抗风蚀性能、护筋性能、抗裂性能等无法适应环境，导致一些工程的结构在工程完工不久之后遭到损伤或破坏，影响了混凝土的使用寿命，给工程留下隐患甚至需要及时进行缺陷处理。例如：查龙电站大坝溢流面，由于建设期施工的混凝土抗冻融循环指标无法满足严酷的高原环境要求，在建设完工不到5年后就进行了补强处理，在一定程度上影响了结构物的使用寿命，造成了较大的经济损失。青藏铁路部分桥梁的桥墩，也存在抗裂性能较差的问题，出现了一些由于环境恶劣引起的裂缝。青藏公路的个别桥涵，也由于冻融作用，混凝土开裂，个别桥涵受到腐蚀性侵蚀而表层剥落，内部损伤等等。影响西藏高寒高海拔地区建筑材料使用寿命的因素主要有：海拔高、日温差大、冻融循环剧烈、大阳辐射强、干旱、四季风频风大、灾害频繁、含氧量少、腐蚀性强、施工过程混凝土质量控制难等。

鉴于DG水电站地处高海拔冻融频繁地区，为确保电站水工建筑物的长期安全的运行，需对DG水电站大坝迎水面涂刷防护涂层的材料进行进一步的研究。

4 材料调研及方案比选

通过对国内水电站防护涂层材料使用情况调查，有针对性地收集了现阶段使用的防护涂层材料资料，具体情况如表1。

表1 主要防护涂层材料特点及工程应用

5 防护涂层材料性能指标

5.1 聚脲

聚脲是由异氰酸酯组份与氨基化合物组份反应生成的一种弹性体物质，聚脲的最基本的特性就是防腐、防水、耐磨等。

5.1.1 技术特点

(1)不含催化剂，快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流淌现象，5s凝胶，1min即可达到步行强度；

(2)适应性能好，施工时不受环境温度、湿度的影响；

(3)双组分，100%固含量，对环境友好；

(4)一次施工达到厚度要求，克服了以往多层施工的弊病；

(5)优异的物理性能，如抗张强度、柔韧性、耐老化、耐介质、耐磨性等；

(6)具有良好的热稳定性，可在150℃下长期使用，可承受350℃的短时热冲击；

(7)可加入各种颜、填料，制成不同颜色的制品；

(8)配方体系任意可调，手感从软橡皮(邵A30)到硬弹性体(邵D65)；

(9)使用成套喷涂、浇注设备，施工方便，效率高。

5.1.2 理化性能指标

聚脲理化性能指标见表2。

表2 聚脲理化性能指标

5.1.3 耐久性能指标

聚脲耐久性能指标见表3。

表3 聚脲耐久性能指标

聚脲材料具有力学强度高、耐候性优良、高弹韧性、高抗冻性等优点，同时在潮湿和明水环境下具有高粘结强度，对混凝土及其他建筑物结构有良好的防水、抗冻、抗碳化等防护作用，但单价相对较高，故在大坝迎水面水位变幅区采用聚脲较为有利。

5.2 HJ-2A高聚合环氧防水涂料

5.2.1 材料特点

该涂料防渗性能、抗老化性能、耐候性能优异，根据相关工程实际应用，高原气候涂层耐用年限至少可达30a以上。施工工艺要求严格，涂料分为底涂、中涂、面涂。喷涂中必须使用高压无气设备，防止水汽进入涂料中影响其附着力，针对施工缝、伸缩缝、坝面裂纹均由特殊工艺处理。

5.2.2 技术性能指标

HJ-2A高聚合环氧防水涂料技术性能指标见表4。

表4 HJ-2A高聚合环氧防水涂料技术性能指标

HJ-2A高聚合改性环氧防渗大坝专用涂料，适用于高原地区碾压混凝土大坝迎水面辅助防渗涂料。该涂料通过近30a的大坝防渗施工实际应用，证明其具有粘接性强、抗渗强度高、延展性好，耐酸碱性稳定，适应温差大、紫外线强等恶劣环境条件。

5.3 水泥基渗透结晶型防水材料

水泥基渗透结晶型防水涂料是1942年德国化学家Lauritz Jensen(劳伦斯·杰逊)在解决水泥船渗漏水的实践中发明的。由于其综合性能及性价比优于其他类型的防水材料，该材料迅速成为全世界最主流的防水材料之一，占据巨大的市场份额。

高性能渗透结晶型防水材料是一种水泥基渗透结晶型掺合剂，它是由硅酸盐水泥、石英粉和多种活性成分配制而成的粉状材料。在混凝土搅拌过程中加入，材料中的活性化学物质可与新拌混凝土中的水、水泥的水化产物产生化学反应，生成不溶于水的结晶体，填充、封堵毛细孔和裂缝，使水或其他液体从任何方向都无法进入，从而达到防水的目的。无水时，高性能渗透结晶型防水材料的活性成分处于休眠状态；当在与水接触时就会重新激活，产生新的晶体，提高混凝土的抗渗等级，使混凝土达到永久性的防水效果。

水泥基渗透结晶型防水材料主要技术指标见表5。

表5 水泥基渗透结晶型防水材料主要技术指标

水泥基渗透结晶型防水材籵粘接强度及抗渗性能优于其他材料且经济性较好。

5.4 凯顿(Krystol T1/T2)

凯顿Krystol T1/T2水泥基渗透结晶型防水涂料能有效阻止水分在混凝土内部的迁移提供一种永久性的防水处理方法防止钢筋锈蚀防止小裂缝漏水防水性能随时间增强，效果越明显深入渗透混凝土内部，不会因为表面被磨损而影响防水效果处理过的混凝土可抵抗高强的静水压可用于混凝土结构迎水面和背水面(内部)的防水适用于新、旧混凝土，无毒性，被批准用于饮用水的容器。