赵成先，孙红尧，罗建华，李红鑫，潘旭勇，裴成元

(1. 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

水库大坝起到统筹防洪、发电、供水和灌溉等功能。我国已拥有水库大坝9.8万余座（2017年统计），是世界上拥有水库大坝最多的国家。我国大坝95%以上是20世纪80年代以前建设的[1]，95%以上是土石坝，其他是混凝土重力坝和拱坝。混凝土重力坝是指坝身用混凝土浇筑的坝，其结构简单，施工方便，是一种整体性较好的刚性坝，中、高坝常采用这种坝型。重力坝坝高已超过300 m。拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸面向上游，两端紧贴着峡谷壁，能把一部分水平荷载传给两岸。拱坝坝高已经超过290 m。大坝混凝土浇筑属于大体积混凝土施工，水泥水化反应会放出大量热量，因此必须采取温控措施以确保混凝土内外温差较小，从而避免产生混凝土温度裂缝。温控措施包括内部冷却方式和外部保温隔热方式。外部保温又包括临时保温和永久保温措施。迎水面混凝土还需要考虑结冰和融冰对混凝土或保温材料的破坏影响。

1 冰对坝体混凝土和接水部位保温防护材料的作用机理

混凝土内部含有大量毛细孔隙，其内吸附的水从液态转变为固态时体积增加产生向外的膨胀力，当冰充满孔隙后如其膨胀力大于水泥水化物之间的黏结力，则混凝土毛细孔隙就会被破坏。图1是未加任何添加剂的普通混凝土冻融前后的外观状态。由图1可见，经过75次冻融循环后，混凝土表面砂浆全部脱落，露出石子，强度损失大。寒冷环境下的水工结构如大坝混凝土，常通过添加引气剂等方式提高混凝土的抗冻 性能。

如果大坝混凝土表面采取了保温措施，则在大坝迎水面还存在冰对基体的推力、拉拔力和冰对基面的剪切力（见图2）。水域越大冰的质量越大，水位变化时冰对保温材料的作用力就越大。水结冰过程中体积膨胀造成对基体保温材料的冰推力。当冰体已经形成，水位下降时，冰体在自重的作用下会下沉，这时附着在基体微孔隙中的冰会对保温材料基面形成剪切力和向外的拉拔力。保温材料的抗压强度和抗撕裂强度均较低，在这3种力的联合作用下，会发生较大程度的破坏。水的压强与水体高度成正比，所以随着水深的增加，保温材料受到的水压作用也增加。

图 1 普通混凝土冻融试验前后的外观状态Fig. 1 Appearance of ordinary concrete before and after freeze-thaw test

图 2 大坝迎水面冰对保温材料基体作用力示意Fig. 2 Schematic diagram of forces of ice acting on thermal insulation materials at the upstream of dam

寒冷环境下的大坝，在冬季浇筑时为了保证混凝土内外温差在控制范围内，需要采取临时保温措施，而大坝在运行时为了避免冻融给大坝造成不可挽回的损失，则会在大坝混凝土表面采取永久保温措施。所以在寒冷环境下，未进行永久保温的混凝土会经受冻融作用而发生破坏，而进行永久保温的混凝土结构，保温材料尚不能承受冰的推力、剪切力和拉拔力的联合作用。目前保温抗冰技术包括保温材料技术和保温措施外加抗冰设备技术。

2 保温措施和保温材料的种类

2.1 临时保温措施和材料

大坝在冬季浇筑时通常采用临时保温措施。最早采用草袋和草帘保温，但其易燃、易腐烂、不耐用，保温效果差。后来在恒仁、白山等东北地区也用过木丝板，在太平哨大坝喷涂过水泥-膨胀珍珠岩，但这些材料易受潮且受潮后保温效果降低，木丝板还存在掩盖混凝土表面缺陷和不易拆除等问题[2]。也有采用棉被套在塑料薄膜内进行临时保温的工程。20世纪80年代后泡沫塑料成为主要的保温材料。此时，可用聚乙烯保温被、聚乙烯气垫薄膜、泡沫塑料板（聚乙烯和聚苯乙烯等）等进行临时保温。以上方法均属于在混凝土表面覆盖保温层进行临时保温，工艺上要求临时保温材料要牢固紧贴在混凝土表面，要防风、防雨，且不能存在覆盖遗漏的区域。

2.2 永久保温措施和材料

在北方寒冷环境下的混凝土大坝运行期间，混凝土大坝通常采取永久性抗冻保温保护措施。首先，混凝土配合比设计时就需要考虑混凝土本身具有一定的抗冻融性能，可通过掺加混凝土引气剂的方式解决，还可在表面浇筑泡沫混凝土和膨胀珍珠岩发泡等保温材料。但这些材料易吸水且吸水后保温效果降低。膨胀珍珠岩经过改进发泡工艺，封闭泡沫孔，降低了发泡珍珠岩的吸水率而继续得到应用。泡沫塑料的出现已经基本可以替代泡沫混凝土材料。聚苯乙烯板（模塑板EPS、挤塑板XPS）、聚氨酯硬质泡沫（喷涂、灌注和板材）、聚乙烯泡沫均可以作为大坝永久保温材料，通过粘贴方式覆盖在混凝土表面。

2.3 常用保温材料的性能比较

永久性保温材料通常为珍珠岩发泡保温材料、聚苯乙烯板和聚氨酯泡沫保温材料。它们的主要理化性能见表1[2-3]。

表 1 几种保温材料的性能比较Tab. 1 Performance comparison of several thermal insulation materials

由表1可以看出，聚氨酯硬泡导热系数最低，发泡珍珠岩的压缩强度和耐燃性最好，但发泡珍珠岩的体积吸水率最高。几种常见保温材料的保温性能[2]如下：砖、混凝土、珍珠岩、纤维板、软木、EPS、XPS和聚氨酯的保温厚度分别为86.0、38.0、19.3、6.5、5.0、4.0、3.2和2.5 cm。可见，聚苯板（EPS和XPS）和聚氨酯硬泡作为大坝混凝土表面保温材料最合适，它们也是目前水工结构大坝混凝土常用的保温材料。

3 大坝混凝土的保温抗冰技术现状

以前大坝混凝土通常只采用保温技术而忽视了迎水面的冰对保温材料的破坏，所以近几年才出现了大坝混凝土迎水面水位变动区抗冰技术的研究，且多体现在专利技术中，而极少体现在研究论文中。

3.1 大坝混凝土保温技术现状

通过资料检索可以得到许多关于大坝混凝土保温的研究成果，这里只选择具有代表性的案例进行引用，并根据所采用措施的种类和方式来说明目前的技术现状。

3.1.1 临时保温措施 丰满水电站大坝[4]处于年平均气温为4.9 °C，冬季持续低温，极端最低气温−42.5°C的冬季严寒环境中。2015年冬季重建时属于冬歇期，坝块越冬方案包括：坝顶越冬侧面采用8 cm厚XPS板进行保温（铺设方法：1层塑料薄膜+8 cmXPS板+1层三防帆布，停浇面以下3 m范围内XPS板厚度改为16 cm）；大坝停浇面采取9层2 cm厚橡塑海绵保温被进行保温，铺设方法与侧面相似，将XPS板换成橡塑海绵即可，并在上部采用沙袋压盖，局部位置采用15层海绵；其中，左岸7＃、8＃、9＃坝段是重点保温防裂区域，为加强该区域越冬保温措施，同时进行人工造雪覆盖保温研究，并对保温效果进行跟踪监测。

某水电站重力坝[5]位于西藏自治区山南地区桑日、加查县境交界处，处于高海拔、低气温环境中，混凝土浇筑时采取内部水冷却和外部5 cm厚聚苯板表面保温措施来降低坝体混凝土施工期的表面应力。

喀腊塑克水利枢纽RCC坝[6]坝址区10月中、下旬开始进入冬季，随后逐渐进入冬季严寒阶段， 一直到次年的4月初才开始逐步进入混凝土施工期，有记载的极端最低气温为−49.8 °C，此阶段混凝土施工进入冬休期。越冬面保温措施类似丰满水电站大坝，即：1层0.6 mm厚塑料薄膜+2层2 cm厚聚乙烯保温被+13层2 cm厚棉被+1层三防帆布。为加强保温及防止侧面进风，在越冬面上下游侧用砂袋垒1.0 m高、0.8 m宽的防风墙，在保温被周边及越冬面以下2.6 m范围内喷涂10 cm厚聚氨酯硬质泡沫。

临时保温措施不但适用于寒冷气候条件，还在华南地区得到应用，如地处华南亚热带地区、气候温暖湿润的坝美水电站，坝面上下游混凝土表面粘贴高强聚苯板泡沫板进行保温保湿，施工缝顶面采用塑料气垫薄膜覆盖[7]。施工期出现寒潮时，坝体温度大幅下降、拉应力明显降低。尽管聚苯板在物体撞击下易破损、易碎，但价格便宜。

所以，凡是混凝土施工需要经历低温环境（小于5 °C）时，为了降低混凝土表面由于内外温差造成的拉应力，通常采用临时保温措施；保温材料大多是XPS聚苯板、聚乙烯保温被、棉被、聚氨酯硬泡等；保温材料的厚度可以根据材料的导热系数和温度场的变化通过有限元计算获得。

3.1.2 永久保温措施 只采用聚氨酯保温材料的工程[8-10]如汾河二库、新疆石门子大坝和新疆山口水电站。

汾河二库位于太原市西北30 km的汾河干流上，是一座以防洪、供水为主，兼具发电、旅游、养殖等综合效益的大Ⅱ型水利枢纽工程。为了确保大坝安全，防止裂缝的产生，在大坝上游面采取喷涂聚氨酯泡沫和在泡沫表面喷涂单组分氯磺化聚乙烯涂料的保温抗裂措施[8]。

新疆塔西河石门子碾压混凝土拱坝坝址地区冬季寒冷，月平均气温在零度以下长达5个月，多年平均气温4.1 °C，极端最高气温33.2 °C，极端最低气温−31.5 °C，日气温波动较大，属典型的高寒剧变气温地区。在坝面喷涂聚氨酯保温材料，第一年冬季在外界气温约−20 °C时，聚氨酯保温层下混凝土表面温度为6～8 °C，第二年夏季聚氨酯保温层可降低7 °C的内外温差，保温效果良好，可大大减少高寒地区拱坝温度应力[9]。

新疆山口水电站位于寒冷干旱地区，极端最高气温39 °C，极端最低气温−32 °C，具有春秋季短，夏季炎热、干燥、风大，冬季寒冷、寒潮频繁，昼夜温差大，年温度变化幅度大，年温差超过60 °C的气候特点。为减少碾压混凝土重力坝坝体裂缝，大坝上、下游混凝土表面采用喷涂5 cm厚聚氨酯硬质泡沫保温保湿防裂措施[10]。

只采用聚苯板保温的工程如拉西瓦水电站[11]、三峡大坝工程[12]和喀拉塑克水利枢纽工程[13]。

可见，上述工程永久保温措施所用的保温材料以喷涂聚氨酯泡沫保温材料和XPS聚苯板为主，聚苯板保温方案中辅助以防渗底涂和外涂防渗抗裂砂浆构成保温体系。经过多年的工程实践发现，下游面的保温措施基本能达到预期的效果，能够有效降低混凝土表面因为温差造成的拉应力。聚苯板施工简单、价格便宜，但随着粘接剂的失效，聚苯板易脆断和脱落，影响保温效果和外观。喷涂聚氨酯与混凝土粘结强度高，尽管价格较贵，但没有拼缝，不脆断、不脱落。所以，在施工条件允许的情况下，保温工程建议优先选用聚氨酯泡沫保温材料。

3.2 大坝混凝土抗冰技术现状

大坝混凝土的抗冻性能在配合比设计时即要考虑，可通过在混凝土拌合物中添加外加剂以提高其抗冻性能。但混凝土本身抗冻性能的提高并不能完全解决其开裂问题，需要采取附加抗冻手段来预防混凝土的开裂。除了前述在混凝土表面铺设一定厚度的保温材料以保证混凝土表面温度在0 °C以上外，还可在表面附加抗冰手段或抗冰材料来抵抗冬季水库结冰对大坝上游面混凝土的影响。关于大坝混凝土抗冰技术的研究还比较少，效果没有预期的好，仅仅处在尝试攻关阶段。下面简单介绍国内专利中提到的抗冰技术。

3.2.1 表面覆盖砂浆或涂层 现有研究主要在保温层上覆盖抗冰拔的材料，如塑料、砂浆和涂料等。普通塑料易老化发脆，所以更多的研究集中在涂层上。

CN201710341749.6“一种复合保温板及基于复合保温板的混凝土坝保温系统”的发明中提出，利用在保温板上的硅橡胶、有机硅树脂或三元乙丙橡胶组成的橡胶层起抗冰拔作用。CN201711441893.3“一种大坝防水保温结构及制造方法”的发明提出在保温层外面涂装抗冰涂层，但未说明是何种类涂层。

CN201811601197.9“一种防冰拔涂层的制备方法”的发明提出了氟树脂改性聚天门冬氨酸酯的涂层来增强防冰拔效果。专利中介绍，整个冬季未出现冰拔现象。CN201821756719.8“一种水利建筑设施的分层结构”的发明提出了利用氟碳面漆或聚天门冬氨酸酯面漆来抗冰拔。CN201910361661.X“严寒区大坝保温整体式抗冰拔结构层”的发明提出了用氟碳涂层抗冰拔。CN201910416309.1“严寒地区大坝保温防渗防冰拔保护体系及其施工方法”的发明也提出了用氟改性聚脲来抗冰拔作用。CN201910315372.6“一种严寒地区混凝土坝抗冰拔保温防渗结构及其施工方法”的发明提出了用预制清水混凝土板起抗冰拔作用。布尔津冲乎尔水电站大坝[2]则是在保温层表面喷涂聚酯聚氨酯砂浆保护层来起抗冰拔作用。

可见，涂层通常由具有柔性和疏水性的橡胶、聚脲或氟树脂改性聚脲构成。这些专利的应用效果未见报道，但可以预见的是厚度较小的涂层难以承受冰推力、冰剪切力和冰拔力联合作用下的破坏。

3.2.2 设置抗冰装置 CN201611088608.X“用于严寒地区碾压混凝土坝体保温层防冰拔力破坏的结构”的发明提出，水库结冰前在结冰水位处预置铸铁块，用缆绳吊住并可以手动或自动根据水位变化做出调整（见图3），抗冰原理是通过水位下降时用缆绳和铸铁块的拉力拉住冰体以避免冰对坝体基面的损害。但冰体质量很大时，该装置是否能有效抗冰未知。

CN201620420456.8“一种面板堆石坝防冰装置”的发明提到，在水体中放置带有很多气孔的管道，用缆绳吊住，冰冻期时用压缩空气产生气泡扰动水体，使扰动部分的水体不能结冰，从而保护坝体表面，产气装置见图4。根据调研结果，水体扰动装置在冬季连续无故障运行期间能够起到坝面抗结冰的效果。

图 3 专利CN201611088608.X中防冰拔力破坏的结构Fig. 3 Ice-resistant structure in patent CN201611088608. X

图 4 专利CN201620420456.8中的产气装置Fig. 4 Gas-generating unit in patent CN201620420456.8

CN201820460178.8“一种高寒地区冰(水)库简易曝气除冰装置”的发明提出了一种在水库里安装的曝气除冰装置。与CN201620420456.8“一种面板堆石坝防冰装置”的发明的思路相近，但装置不同。CN201910574097.X“一种高寒区混凝土坝挂花管抗冰拔系统及方法”的发明提出，在水中布置喷水花管和潜水泵的方式来阻止坝面结冰。

CN201711476113.9“一种蜂巢式坝坡防护结构”的发明提出了一种蜂巢式坝坡防护结构，包括安装在坝坡上的底板，在底板上设有防护结构。防护结构由蜂巢式橡胶坝袋、充气式橡胶坝袋和锚固墩组成，蜂巢式橡胶坝袋位于防护结构的中部，充气式橡胶坝袋位于蜂巢式橡胶坝袋的两端，充气式橡胶坝袋一端与蜂巢式橡胶坝袋焊接，充气式橡胶坝袋另一端固定在岸坡的锚固墩上，蜂巢式橡胶坝袋和充气式橡胶坝袋上均设有充排气系统。该装置能有效降低水库冬季结冰产生的冰推力、冰拔力和流冰撞击等对大坝上游坝坡的破坏作用，有效保护大坝坝坡面板，同时可实现冰盖的自动脱落，避免人工凿冰的危险。这相当于在混凝土表面覆盖一层缓冲袋，但该缓冲袋需要克服水的浮力和耐久性的问题。

以上几种装置各有优缺点，最终效果还需要经过实际工程检验。

3.3 西北某区域大坝混凝土保温抗冰现状调研

2019年对中国西北某区域几座大坝混凝土的保温抗冰情况进行了调研，总结如下：

（1）保温材料和保温效果 保温材料采用XPS挤塑聚苯板和喷涂聚氨酯泡沫材料，厚度范围从5 cm到15 cm。经过工程运行检验，这2种材料的总体保温效果均达到预期目标，但上游面接水区域由于水体有水头压力，深水处的泡沫塑料会存在压挤变形，这说明如果不用高强度材料隔绝水与泡沫塑料，则需要提高泡沫塑料的抗压强度性能。但泡沫塑料的抗压强度与塑料的绝热性能是反向关系，即强度增高绝热性能降低。所以需要研究高强高隔热性能的材料。

（2）抗冰措施和抗冰效果 几座大坝分别采取了泡沫塑料保温材料表面喷涂聚酯砂浆、喷涂涂层的抗冰措施，其中一座大坝附加采取了曝气除冰装置。

上游面出现了聚苯板脱落和聚氨酯泡沫被冰破坏的情况（见图5）。原因可能是水体的水头压力、冰的冰推力、剪切力和冰拔力、碎冰的冲撞力造成，而保温材料的抗压强度普遍较低，且涂层的厚度通常在毫米范围内，在这些力的共同作用下，保温材料加涂层的抗冰拔性能通常效果不好。

曝气装置除冰效果不错，曝气区域水面不结冰（见图6）。但曝气除冰装置发挥效果的前提是缆绳整体不能结冰失效、鼓气设备运行时不能出故障，如设备一旦故障而不能立即在结冰前恢复运转，则在整个结冰期内设备不可能再启动。同时在整个结冰期内需要安排人员24小时跟踪管理、耗费人力和电力，所以对宽度较大的大坝该装置实用性不强。

所以，大坝上游面保温抗冰拔技术的研究仍需继续攻关。

图 5 聚氨酯保温材料被冰破坏露出基面Fig. 5 Polyurethane insulation material is damaged by ice and the base surface is exposed

图 6 曝气装置处的保温材料状态Fig. 6 Status of thermal insulation material at aeration unit

4 结 语

大体积混凝土浇筑时的发热和寒冷环境下施工时的大温差会造成混凝土的开裂，所以施工越冬期必须采取临时保温措施，工程运行时采取永久保温措施。大坝上游面还需要采取抗冰措施。

大坝保温材料基本选择聚苯板和聚氨酯泡沫材料。聚苯板与混凝土的粘结易失效和发生脱落，还存在拼缝等不足，但其施工方便，工艺简单；而聚氨酯保温材料施工相对复杂，但其与混凝土基面粘接好，不存在拼缝。如保温材料表面不进行耐候和抗冰保护，则保温材料的耐久性不高。坝体上游面抗冰拔技术研究才刚刚起步，所以需要进一步研究提升大坝永久保温材料的耐久性技术和大坝迎水面保温材料的高效耐久抗冰技术。

由于大坝混凝土的保温抗冰技术的研究不够成熟，尚缺少统一的材料和施工技术规范，缺少抗冰拔性能的具体检测方法和设备。所以随着混凝土大坝保温抗冰技术的完善，需要制订相应的技术规范以指导寒冷环境下水库大坝混凝土的保温抗冰保护工作。