HK-966聚氨酯彈性涂料在寒冷地區(qū)面板防冰設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周國(guó)強(qiáng)

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

HK-966聚氨酯彈性涂料在寒冷地區(qū)面板防冰設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周國(guó)強(qiáng)

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

對(duì)于高寒地區(qū)的面板堆石壩，水位變幅區(qū)面板的防結(jié)冰設(shè)計(jì)一直是個(gè)較難解決的問(wèn)題。由于滲透作用，使?jié)B水進(jìn)入面板混凝土，在冬季低溫情況下，面板迎水面和滲入面板的水同時(shí)結(jié)冰，造成面板和庫(kù)面冰體連接在一起，在水位發(fā)生變化時(shí)，對(duì)面板產(chǎn)生很大的拖曳力，很容易造成面板損壞，長(zhǎng)時(shí)間的凍融循環(huán)，加速了面板混凝土老化、碳化和開(kāi)裂現(xiàn)象。本文通過(guò)新型防滲涂料HK-966在寶瓶水電站工程面板防結(jié)冰設(shè)計(jì)中的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)HK-966的防結(jié)冰原理及施工方法進(jìn)行介紹，對(duì)高寒地區(qū)面板的防結(jié)冰設(shè)計(jì)提供了新的思路，其成功經(jīng)驗(yàn)值得推廣。

混凝土面板裂縫；HK-966聚氨酯彈性涂料；混凝土面板防結(jié)冰設(shè)計(jì)；凍融循環(huán)

1 工程概述

黑河寶瓶水電站地處甘肅省肅南裕固族自治縣和青海省祁連縣境內(nèi)省界的黑河上，為中型三等工程。工程由引水樞紐、引水發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電廠區(qū)三部分組成，采用混合式開(kāi)發(fā)，主要任務(wù)是發(fā)電。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高為93.5m，壩頂長(zhǎng)147.0m，壩體上游邊坡1∶1.45，下游邊坡1∶1.5～1∶1.4［1］。水庫(kù)正常蓄水位2 526.0m，設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）2 526.0m，總庫(kù)容2 050萬(wàn)m3。電站總裝機(jī)容量123MW，多年平均發(fā)電量4.137 5億kWh。工程于2012年2月下閘蓄水，2012年7月投產(chǎn)發(fā)電。工程區(qū)多年平均年降水量為175.4mm，多年平均年水面蒸發(fā)量為1 378.7mm，平均氣溫為8.5℃，絕對(duì)最高氣溫37.2℃（1961.6），絕對(duì)最低氣溫-33.0℃（1955.1），日溫差較大，最大凍土深度1.5m。

根據(jù)黑河寶瓶水電站下游已建西流水水電站面板壩（壩高146.5m）、三道灣水電站面板壩（壩高47.5m）的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，這幾座電站每年在冬季最枯水期，均采用了加大流量發(fā)電，將庫(kù)水位降至發(fā)電死水位后，電站停機(jī)，對(duì)工程各部位（特別是隧洞）進(jìn)行檢修，排除工程隱患的運(yùn)行方式。在工程檢修過(guò)程中，水庫(kù)進(jìn)行控制性蓄水，使水位慢慢回升，工程檢修結(jié)束后即可繼續(xù)投入發(fā)電。

冬季檢修期間水庫(kù)庫(kù)面全部結(jié)冰，在庫(kù)水位下降過(guò)程中，庫(kù)冰不能和面板及時(shí)脫離，從而造成較大的拖曳力作用于面板上，此外，由于冰面和面板表面處理裂縫的防滲蓋片和面板表層止水的加筋封閉蓋片相粘接，在與面板連接的冰層發(fā)生傾覆時(shí)，往往會(huì)將和其粘連的表止水保護(hù)蓋片撕扯掉，造成面板裂縫處理措施的失效和部分表層止水的損壞。西流水電站在2008年檢修時(shí)，由于庫(kù)水位下降16m，面板表層的附冰不能及時(shí)下滑至庫(kù)水位，在中午氣溫升高時(shí)，大面積的冰體從面板表面突然失穩(wěn)下滑，將庫(kù)水面以下5m左右深度的面板表面埋設(shè)的撓度觀測(cè)墩和多個(gè)面板之間結(jié)構(gòu)縫埋設(shè)的雙向、三向測(cè)縫計(jì)摧毀，造成相應(yīng)觀測(cè)條帶面板撓度監(jiān)測(cè)設(shè)施的失效和多個(gè)測(cè)縫計(jì)的失效，由于在水下無(wú)法進(jìn)行儀器的恢復(fù)，因而對(duì)工程的安全監(jiān)測(cè)造成不可彌補(bǔ)的損失［2］。

2 冬季防混凝土面板結(jié)冰措施

寶瓶水電站壩高高，庫(kù)容大，其冬季運(yùn)行方式和西流水水電站相似，為了避免類似現(xiàn)象發(fā)生，針對(duì)寶瓶水電站大壩面板的防冰措施進(jìn)行了系統(tǒng)的研究［3］，必選的主要方案如下。

（1）乳化瀝青噴涂方案。先期對(duì)面板的裂縫按照要求處理完后，在發(fā)電死水位至正常蓄水位之間的面板段采用2cm厚的乳化瀝青進(jìn)行噴涂，將庫(kù)水和面板用乳化瀝青層隔離開(kāi)，利用乳化瀝青的深色特點(diǎn)提高本段面板的溫度，且乳化瀝青本身具有非親水性能，能夠起到對(duì)面板的保護(hù)作用。該方案的優(yōu)點(diǎn)是工程處理費(fèi)用低，工藝簡(jiǎn)單，投資節(jié)省。但缺點(diǎn)為：①耐久性不佳：乳化瀝青暴漏在環(huán)境中，經(jīng)過(guò)陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間照射后，易老化、開(kāi)裂、脫開(kāi)，失去其保護(hù)作用，需要經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行修復(fù)方能滿足對(duì)面板的長(zhǎng)期保護(hù)作用，其后期運(yùn)行費(fèi)用高；②環(huán)保性不佳：乳化瀝青本身分解后有毒，容易對(duì)水庫(kù)水質(zhì)造成污染。

（2）高壓射水?dāng)_動(dòng)方案。先期對(duì)面板的裂縫按照要求處理完后，在面板頂端布置一排高壓水管，每隔50 cm設(shè)置一高壓噴頭，噴頭距離面板10 cm，射水方向平行壩面坡面方向，高壓管道采用泵送供水。此防冰措施的原理是對(duì)面板部位的水面形成紊流攪動(dòng)，使水流始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，破壞低流速水流結(jié)冰的環(huán)境條件，從而達(dá)到防治水面結(jié)冰的效果。該方案優(yōu)點(diǎn)是直接利用庫(kù)水循環(huán)使用，不摻加任何外來(lái)物質(zhì)，滿足工程環(huán)保要求。缺點(diǎn)是工程運(yùn)行費(fèi)用較高，除需要單獨(dú)修建高壓供水站外，每年11月初至下一年3月中旬，除白天上午10∶30—下午4∶30泵站可以停機(jī)外，其余時(shí)間需連續(xù)運(yùn)行，每年冬季運(yùn)行費(fèi)大致在100萬(wàn)元左右。

（3）氣泡干擾方案。先期對(duì)面板的裂縫按照要求處理后，在水面以下50 cm部位，距離面板30 cm的位置設(shè)置花管，花管采用可滑動(dòng)裝置，隨著水位的升降而升降，花管上每隔5 cm設(shè)一排氣孔，采用高壓風(fēng)對(duì)花管進(jìn)行供風(fēng)，利用從排氣孔連續(xù)噴出的空氣，在水面形成氣簾，對(duì)面板表面的庫(kù)水進(jìn)行擾動(dòng)，破壞其結(jié)冰條件，達(dá)到冰面和面板不連接的效果。該方案優(yōu)點(diǎn)是利用空氣作為介質(zhì)對(duì)水面進(jìn)行干擾，不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，滿足工程環(huán)保要求。缺點(diǎn)是工程運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高，需要單獨(dú)修建高壓供風(fēng)站，與上一方案類似，每年11月初至下一年3月中旬每天的大部分時(shí)間需連續(xù)運(yùn)行，每年冬季運(yùn)行費(fèi)大致在120萬(wàn)左右。

（4）HK-966聚氨酯彈性涂料表面涂抹方案?？蓪?duì)水位變化區(qū)的面板裂縫不進(jìn)行處理，在面板水位變化區(qū)噴涂厚度為1.5mm的HK-966聚氨酯彈性涂料，在面板和庫(kù)水位之間直接形成不粘連隔離層，阻斷面板和庫(kù)冰的粘接，且冰面和聚氨酯彈性涂料間也不粘連，能夠很好的起到對(duì)面板的防冰保護(hù)作用。該方案的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了對(duì)面板裂縫的處理工藝，涂料耐久性（耐久性可以達(dá)到十年以上）、抗紫外線輻射性能強(qiáng)，無(wú)毒無(wú)害，滿足工程環(huán)保運(yùn)行要求，且一次性投入費(fèi)用低（僅需一次性投入86萬(wàn)元），對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有很好的效果。但該方案的施工工序嚴(yán)格，需要專門的施工隊(duì)伍進(jìn)行施工。

通過(guò)對(duì)上述方案的綜合對(duì)比分析，采用HK-966聚氨酯彈性涂料表面涂抹的面板防冰處理方案在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均具有較大的優(yōu)勢(shì)。

3 HK-966聚氨酯彈性涂料性能分析

圖1 HK-966聚氨酯彈性涂料施工示意

HK-966聚氨酯彈性涂料是一種由環(huán)氧改性的雙組分彈性聚氨酯材料，具有高強(qiáng)度和高黏接性，分子中的環(huán)氧基團(tuán)，賦予材料良好的黏接性能，而彈性的聚氨酯成分提供了優(yōu)良的抗沖磨及抗腐蝕性能，該材料可作為裂縫修補(bǔ)的遮蓋材料，使修補(bǔ)后外觀保持整潔。同時(shí)該材料也可單獨(dú)對(duì)混凝土裂縫、變形縫進(jìn)行表面封閉、灌縫施工。而HK-G2低黏度環(huán)氧材料作為HK-966聚氨酯彈性涂料涂刷前的封閉底漆，能有效滲透入混凝土的表層毛細(xì)孔，形成良好的抗?jié)B層［4］。其施工示意見(jiàn)圖1，材料性能見(jiàn)表1。

表1 HK-966聚氨酯彈性涂料主要性能指標(biāo)

封閉底漆為極低黏度的環(huán)氧樹脂材料，能有效滲透入混凝土的表層毛細(xì)孔，使環(huán)氧材料扎根于混凝土面上，形成良好的抗?jié)B層，同時(shí)混凝土面上的坑洞、砂眼等缺陷采用低彈性模量的彈性環(huán)氧砂漿進(jìn)行找平修補(bǔ)，有效釋放粘結(jié)面的應(yīng)力，使涂層不開(kāi)裂、不脫落，增強(qiáng)修補(bǔ)基面的可靠性。

聚合物材料在使用或運(yùn)行期間，由于受眾多環(huán)境因素（光、熱、氧、潮濕、應(yīng)力、化學(xué)侵蝕等）的影響，其性能（強(qiáng)度、彈性、硬度、顏色等）逐漸變壞，如外觀上變色發(fā)黃、變脆發(fā)硬，物化性質(zhì)上分子量、溶解度、玻璃化溫度的增減，力學(xué)性能上強(qiáng)度、彈性的消失等等，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為老化。聚合物材料的老化方式主要有光氧化、熱氧化、化學(xué)侵蝕和生物侵蝕等。

針對(duì)HK-966聚氨酯彈性涂料作為面板表面保護(hù)材料，其自身耐久性對(duì)工程處理的效果的影響很大，因此針對(duì)HK-966聚氨酯彈性涂料開(kāi)展長(zhǎng)期耐久性試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其材料自身耐久性。

制作8字模黏結(jié)試件和28 d齡期HK-966啞鈴條試件，將試樣直接暴露在大氣環(huán)境中，測(cè)試其1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月及24個(gè)月物理性能，觀察其性能變化數(shù)據(jù)，從而判斷其耐老化性能［5］。相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從表2數(shù)據(jù)可知，HK-966彈性涂料在大氣中放置兩年后，經(jīng)歷最高氣溫43℃（地表極值溫度56℃），最低氣溫-6℃，并經(jīng)雨、雪、霜、臺(tái)風(fēng)等各種復(fù)雜氣候條件，材料扯斷伸長(zhǎng)率在初期有一定下降，但老化測(cè)試2個(gè)月后，測(cè)試值相對(duì)穩(wěn)定；拉伸強(qiáng)度基本穩(wěn)定，并有一定增長(zhǎng)；黏結(jié)性能逐步增長(zhǎng)并在3個(gè)月后趨于穩(wěn)定，從材料性能增長(zhǎng)曲線看，該在大氣環(huán)境中該產(chǎn)品老化性能是可靠的。

表2 HK-966彈性涂料大氣老化試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

4 寶瓶水電站大壩面板防冰設(shè)計(jì)

聚氨酯的分子式為（C10H8N2O2·C6H14O3）x，又名2-乙基-2-（羥甲基）-1，3-丙二醇與雙（異氰酸根合甲基）苯的聚合物，當(dāng)A、B兩種成分按照比例摻配后，將發(fā)生催化反應(yīng)，形成全部飽和的大分子聚合物，使分子鍵全部飽和，不再接納水分子，從而達(dá)到非親水性特性，使材料在水下直接和水形成分離層，起到阻斷其表面水和面板之間的滲水通道，并形成分離結(jié)構(gòu)，起到隔離作用。由于HK-G2低黏度環(huán)氧底漆能有效滲透入混凝土的表層毛細(xì)孔，使環(huán)氧材料扎根于混凝土面上，形成良好的抗?jié)B層。施工時(shí)在面板表面先涂刷HK-G2低黏度環(huán)氧底漆，再在其上部涂刷HK-966防水涂料，涂料和底膠能夠很好的粘接在一起形成整體。當(dāng)涂料干燥以后，形成非親水性的膠體狀凝固結(jié)構(gòu)，質(zhì)地柔軟，當(dāng)庫(kù)水位上升至涂刷防水涂料的面板部位時(shí)，由于涂料的非親水性隔離作用，在面板表面混凝土和水體之間形成隔離層，使水流無(wú)法和面板混凝土直接接觸。在冬季結(jié)冰時(shí)，由于防水涂料的阻隔作用，使庫(kù)面冰體和面板之間形成隔離縫，阻斷了面板和冰體的連接，從而阻止了冰體對(duì)面板的損害。

根據(jù)寶瓶水電站運(yùn)行特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)各種面板冬季防冰處理方案的分析，設(shè)計(jì)采用了對(duì)面板發(fā)電死水位2 519.0m以上水位變化區(qū)的面板表面全部采用HK-966高強(qiáng)度聚氨酯彈性涂料噴涂的防冰處理措施。該涂料能夠很好的封閉面板表面裂縫或微裂縫，阻止庫(kù)水和面板直接相連接，在冬季能夠阻止面板表面直接形成冰層并與庫(kù)冰形成粘連，能夠很好的防止面板表面結(jié)冰，對(duì)面板起到很好的保護(hù)作用。噴涂時(shí)將面板，周邊縫部位的止水蓋板全部噴涂，以防止水庫(kù)水位變動(dòng)時(shí)，冰體對(duì)面板產(chǎn)生拉剪破壞。

根據(jù)噴涂高程計(jì)算，總噴涂面積1 916.0m2，噴涂厚度為1.5mm，其具體處理措施及施工工藝如下：清理需涂刷部位的面板混凝土表面，預(yù)先封補(bǔ)處理混凝土面裂縫；在混凝土面用HK-966高強(qiáng)彈性涂料進(jìn)行封閉防滲施工。

（1）施工工序如下：①磨基面：用打磨機(jī)清理基面，高壓水沖凈浮塵；②噴涂底膠：處理完成裂縫后，采用氣動(dòng)手持式砂漿噴涂機(jī)（選φ3～5mm小孔噴嘴）在混凝土基面均勻噴涂一道HK-G2環(huán)氧漿液黏合劑，固化5～6 h；③噴涂HK-966涂料：采用氣動(dòng)手持式砂漿噴涂機(jī)（選φ8～10mm大孔噴嘴）HK-966分兩次噴涂，第一道噴涂完畢后，等表干（3～6h）后進(jìn)行第二道噴涂；④噴涂底膠和HK-966必須在正溫情況下進(jìn)行施工。

（2）施工注意事項(xiàng)：①要盡量保證基面平整干燥，沒(méi)有浮塵；②噴涂作業(yè)時(shí)，避免出現(xiàn)凹凸不平，要從左到右，從上到下等有序噴涂；③用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌HK-966涂料，保證A、B組分混合均勻，噴涂施工需添加3%-5%的專用稀釋劑調(diào)稀黏度，混合均勻后在0.5 h內(nèi)用完；④裂縫處需預(yù)先進(jìn)行封閉處理；⑤噴涂結(jié)束后，及時(shí)清理噴壺，防止材料堵死噴頭。

寶瓶水電站大壩面板經(jīng)過(guò)以上防結(jié)冰處理后，從2012年7月投入運(yùn)行至今（2015年），經(jīng)過(guò)3個(gè)冬季運(yùn)行期降低水位的運(yùn)行，冰面和面板始終都是分離的，隨著水位的降低，由于冰面失去了對(duì)面板的拖曳作用，使冰面在水位臨空部位及時(shí)出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，隨著庫(kù)水位的降低，冰面隨時(shí)發(fā)生崩塌而漂浮于水面上，沒(méi)有發(fā)生由于整體突然坍塌而破壞面板監(jiān)測(cè)設(shè)施的現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)總結(jié)寶瓶水電站防結(jié)冰經(jīng)驗(yàn)，目前對(duì)寶瓶水電站下游的三道灣水電站面板壩、西流水水電站面板壩都采用了相同的措施對(duì)水位變化區(qū)的面板進(jìn)行了防結(jié)冰設(shè)計(jì)處理，從運(yùn)行情況看，其運(yùn)行良好，完全解決了長(zhǎng)期以來(lái)面板和庫(kù)冰粘接的問(wèn)題，消除了面板冬季運(yùn)行存在的安全隱患，確保冬季運(yùn)行期庫(kù)水位發(fā)生變化時(shí)面板的運(yùn)行安全。

5 結(jié)論

冰體和建筑物相連接，在冰體發(fā)生位移時(shí)將對(duì)建筑物產(chǎn)生一定的拖曳拉剪作用，當(dāng)超過(guò)建筑物的承受荷載時(shí)，將造成建筑物破壞。由于HK-966涂料的獨(dú)特性能，能夠阻斷水滲入其附屬的結(jié)構(gòu)物表面，從而避免了建筑物外部的冰體和建筑物相連接，很好地保護(hù)了冰體對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的破壞，其防結(jié)冰處理方式簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，效果明顯，在高寒地區(qū)水位變幅區(qū)面板的防結(jié)冰處理中為較為簡(jiǎn)單有效的處理方案，其經(jīng)驗(yàn)值得借鑒推廣。

高寒地區(qū)處于水位變幅區(qū)的水工建筑物斜面薄體結(jié)構(gòu)，當(dāng)冬季發(fā)生較大水位變化時(shí)，造成建筑物結(jié)構(gòu)面粘接的冰面上下變幅較大，對(duì)建筑物的安全產(chǎn)生較大影響時(shí)，若采用HK-966涂料進(jìn)行防結(jié)冰防護(hù)處理，使冰面和建筑物結(jié)構(gòu)面分離，減小建筑物承受冰體產(chǎn)生的拉剪力，預(yù)計(jì)能夠很好的解決冰體對(duì)建筑物產(chǎn)生的破壞作用，確保建筑物的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

對(duì)于高寒地區(qū)的露天擋水閘門，在冬季需要運(yùn)行時(shí)，往往由于閘門較薄，通過(guò)閘門在門上游迎水面沿閘門擋水面板形成和閘門連接為一體的較大結(jié)冰體，冬季運(yùn)行時(shí)由于冰體體積大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)閘門啟閉機(jī)的容量，造成閘門無(wú)法啟閉，一般采用將閘門搭棚覆蓋封閉，內(nèi)部升溫，使閘門和上游冰體脫落后才能啟閉的方式進(jìn)行啟閉，這樣耗時(shí)耗力，運(yùn)行極不經(jīng)濟(jì)，若對(duì)以上運(yùn)行條件下的閘門迎水面板也采用HK-966涂料涂刷進(jìn)行防結(jié)冰防護(hù)處理，預(yù)計(jì)能夠使閘門和上游的冰體分離，這樣可方便冬季啟閉運(yùn)行安全。

［1］ 混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：DL/T 5016-2011［S］.

［2］ 水工建筑物抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范：DL 5028-1998［S］.

［3］ 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T 50476-2008［S］.

［4］ 建筑防水涂料試驗(yàn)方法：GB/T 16777-2008［S］.

［5］ 建筑密封材料試驗(yàn)方法第5部分：表干時(shí)間的測(cè)定：GB/T 13477.5-2002［S］.

Application of HK-966 elastic coating in the design of concrete panel anti-icing of Baoping hydropower station

ZHOU Guoqiang
（Cscec Aecom ConsultantsCo.，Ltd，Lanzhou 730000，China）

For a concrete Face Rockfill Dam（CFRD）built in a cold region， the freezing resistance design of concrete face slabs in water level fluctuation zone is a rather difficult task.As water can permeate into concrete， the water at upstream face and inside concrete face slabs will freeze due to low temperature in winter.Concrete face slabs are connected with the ice of reservoir.When reservoir water level changes，great drag force will be applied on face slabs，which may cause the damage of face slabs.With long-term circle of freezing and thawing，the aging，carbonizing and cracking of concrete face slabs will develop.The paper introduces the successful experience of the freezing resistance design for the face slabs of Boping CFRD by using the new type HK-966 watertight coating.The mechanism of the freezing resistance of HK-966 coating is analyzed and the method of construction is presented.The application of HK-966 freezing resistance coating provides a new idea for the freezing resistance design of CFRDs built in cold regions and its experience can be used as reference for other projects.

cracks of CFRD；HK966 elastic polyurethane coating；freezing resistance design of concrete face slab；freezing and thawing circle

TV641.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.03.009

1672-3031（2017）03-0218-05

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2016-01-29

周國(guó)強(qiáng)（1974-），男，寧夏中衛(wèi)人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)研究。E-mail：549992247@qq.com