水工結構材料研究的回顧與展望

郝巨濤，紀國晉，孫志恒，李曙光，岳躍真，趙 波

（中國水利水電科學研究院 北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038）

水工結構材料學科是結構材料研究所的兩大學科之一，是我國為了適應水利工程建設的需要，于1958年整合設立的。設立之后，圍繞著壩工建設的諸多迫切技術問題開展研究，支撐了我國壩工建設的發(fā)展和技術進步。后期根據(jù)實際工程的需要，開展了大壩混凝土老化病害與耐久性、性態(tài)檢測與安全評估及修補材料技術的研究。2002年起，所內(nèi)各材料研究室全部轉制為科技企業(yè)，成立了北京中水科海利工程技術有限公司，結構材料研究所沿著科研市場化的方向進入了新的發(fā)展時期。以下將建所60年來水工結構材料學科取得的主要成果分述如下。

1 混凝土筑壩材料

建所早期，根據(jù)劉家峽、三門峽和柘溪等工程建設需要，針對混凝土筑壩材料開展了系統(tǒng)研究，取得的成果主要包括：（1）針對國家困難時期如何節(jié)約水泥問題［1］，研究出了包括火山灰、燒黏土、粉煤灰等摻合料的應用技術、塑化劑或塑化劑引氣劑聯(lián)用技術、預埋大骨料和骨料級配優(yōu)化、大壩合理分區(qū)和如何利用混凝土后期強度等［2-5］。（2）鑒于國內(nèi)這時還沒有統(tǒng)一的試驗方法標準，參考國外經(jīng)驗，開展了水工混凝土性能測試方法研究［6-7］，在不同試驗方法對比試驗、新儀器研制和性能驗證試驗等研究基礎上，編寫了國內(nèi)第一部《水工混凝土試驗方法（1958）》，并幾經(jīng)完善最終形成了《水工混凝土試驗規(guī)程（SD105-82）》。該標準影響深遠，很多試驗方法至今仍在使用。（3）針對配合比設計理論和方法欠缺問題，開展了水工混凝土配合比設計和性能試驗研究［8-12］，包括膠凝材料、骨料和試件尺寸影響、室內(nèi)和實際混凝土性能相似性等，研究了彈性模量、極限拉伸、徐變、導溫系數(shù)等溫控參數(shù)，提出了采用低彈模高極拉、降低熱強比等基本選材和設計思路，并提出了混凝土質(zhì)量控制管理方法，這些成果至今仍在廣泛應用。（4）針對水工混凝土抗凍性、耐久性問題，研究了引氣劑使用、摻合料抑制骨料堿活性等，提出了不同環(huán)境分區(qū)混凝土的抗凍設計標號及室內(nèi)室外抗凍相關性的建議值，提出了不同壩高抗?jié)B等級的設計推薦值，解決了滲透系數(shù)試驗難題［13-15］。這一時期圍繞劉家峽大壩建設取得的一系列成果［16-18］，于1978年獲得了全國科學大會獎，這是文革前我所相關成果的集大成者，與同期建設的三門峽大壩、丹江口大壩相比，劉家峽大壩地處環(huán)境惡劣的西北地區(qū)卻是耐久性最好的一座大壩，這與當時先進的科研保障、良好的施工質(zhì)量和嚴格管理是分不開的。這一時期的外加劑研究成果［19］也獲得了1978年全國科學大會獎。

1978年，結構材料研究所恢復重建后，進一步取得了一些成果：（1）在原有基礎上研發(fā)出了DH萘系高效減水劑、松香熱聚物引氣劑，并在龍羊峽大壩應用；DH萘系緩凝高效減水劑及801引氣劑在湖南東江應用，成果［20］于1985年獲國家科技進步三等獎。（2）對粉煤灰進行了從顆粒形態(tài)、活性機理、物化特性，到粉煤灰混凝土拌和物、力學、熱學、耐久等全面系統(tǒng)研究，提出了粗灰利用技術、超量取代法（替代部分砂）優(yōu)化設計混凝土配合比，回答了設計“貧鈣”問題，論證了粉煤灰混凝土的耐久性，成果［21-22］獲得1985年國家科技進步三等獎。我所還主編了《粉煤灰混凝土應用技術規(guī)范》（GBJ146-90、GB/T 50146-2014）和《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)程》（DL/T 5055-1996）。

1979年開始碾壓混凝土筑壩技術研究，取得的系列創(chuàng)新成果［23-28］，主要包括：（1）確定了我國碾壓混凝土壩的基本特點，即筑壩方法為通倉、薄層連續(xù)澆筑，碾壓混凝土拌和物采用高摻粉煤灰和低水泥用量，成果獲1986年水電部三等獎，并用于巖灘等工程。（2）研究了人工砂中石粉利用方法，突破了當時施工規(guī)范中石粉含量不得大于12%的限制，解決了石粉占用農(nóng)田問題，可改善和易性與可碾性，并促成對施工規(guī)范的修改。（3）研究提出了層面允許間隔時間和提高層間結合強度的技術措施，研制了允許間隔時間檢測儀器。（4）研究了粉煤灰質(zhì)量和摻量對碾壓混凝土抗凍耐久性的影響、新拌碾壓混凝土含氣量與硬化碾壓混凝土含氣量之間的關系、碾壓混凝土抗凍性與氣泡特性的關系，以及碾壓混凝土的碳化等問題。通過實踐，可拌制出抗凍等級F400的碾壓混凝土，為嚴寒地區(qū)施工提供了依據(jù)，解決了碾壓混凝土的抗凍性問題。該成果于1998年獲得國家科技進步一等獎。（5）針對早期碾壓混凝土拱壩一次封拱灌漿后管路被堵死、無法二次灌漿的問題，研發(fā)出了接縫重復灌漿技術，并在工程中廣泛應用，成果獲2004年中國電力科技進步一等獎。（6）試驗確定了變態(tài)混凝土的加漿率和加漿方法，研究闡述了碾壓混凝土的變態(tài)過程和機理，形成了變態(tài)混凝土試驗方法，成果被納入《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5433-2009）。（7）研究提出以復合石灰石粉作為摻合料的方法，解決了缺乏粉煤灰資源地區(qū)修建碾壓混凝土壩的問題。部分碾壓混凝土筑壩技術成果獲得1995年度水利部二等獎。

1995年5月至2007年4月，我所全程參與了長江三峽混凝土質(zhì)量管理工作［29］，并承擔了混凝土配合比優(yōu)化試驗研究，該試驗是當時國內(nèi)相關試驗中內(nèi)容最多、歷時最長的項目，成果［30-31］后來被多個工程引用。通過降低水膠比、加大粉煤灰摻量的技術路線，采用Ⅰ級粉煤灰、高效減水劑和引氣劑復摻等技術措施，使四級配混凝土用水量從115 kg/m3降至85 kg/m3左右，這是提高三峽工程混凝土質(zhì)量的關鍵，也使大體積水工混凝土向高性能混凝土邁進了一步。項目成果獲2004年度湖北省特等獎。

“八五”期間，結合二灘工程進行了高強度大體積混凝土材料特性研究，提出了拌制高強、低彈和中熱混凝土以提高大壩混凝土的抗裂性，優(yōu)化后的混凝土強度熱強比由1.26℃/kg下降到0.70℃/kg，干縮應力由4.7 MPa下降到3.0 MPa，彈強比由850降至540，抗裂系數(shù)提高了82.7%。成果獲1998年國家科技進步三等獎，并對小灣、溪洛渡等都有指導意義。

針對三峽大壩混凝土和小浪底泄洪排沙洞抗沖磨混凝土，研究中發(fā)現(xiàn)了混凝土中多元膠凝粉體的緊密堆積和復合膠凝效應，凝練出了配制低熱抗裂大壩混凝土新方法，解決了傳統(tǒng)方法高強度與高抗裂難以兼顧的難題，可降低用水量25 kg/m3左右、降低水泥用量40～50 kg/m3，混凝土抗裂系數(shù)提升13.1%～50.0%。2000年以后小灣、拉西瓦、錦屏I級、大崗山、溪洛渡等高拱壩均采用了這種技術路線，解決了C50以上抗沖耐磨混凝土普遍“易裂易損”的難題［32-34］。成果獲2016年國家科技進步二等獎。

自“七五”開始，我所相繼承擔了西北口、萬安溪、天生橋、十三陵和水布埡等面板堆石壩的面板防裂耐久性研究，取得的成果［35-36］包括：（1）在萬安溪壩中，采用超摻粉煤灰代替部分水泥和細砂，以減少水泥用量，改善粗砂級配；采用三復合外加劑；克服了當?shù)卦牧先毕荨＃?）采用混凝土孔結構理論研究了混凝土性能改善機理，采用優(yōu)質(zhì)摻合料、增強密實劑、合成纖維或鋼纖維等進行混凝土改性試驗研究，找到了獲得高強、低彈、低收縮特性混凝土的途徑，并提出了系統(tǒng)的技術措施。（3）研究建立了各種影響因素與面板長度之間開裂與否的相關關系，為面板抗裂計算和采取相應防裂措施提供了依據(jù)。（4）深入分析了混凝土溶蝕機理，建立了估算混凝土面板耐久年限的計算方法，提出了改善或提高面板混凝土抗溶蝕耐久性的措施。該成果獲2013年度國家科學技術進步二等獎。

2 結構模型試驗

早期由于結構計算技術和理論水平較低，不能滿足水工結構設計的需要（尤其是大孔口結構、拱壩等比較復雜的結構），結構模型試驗曾發(fā)揮了重要作用。江西上猶江是我國第一座壩內(nèi)式廠房水電站，1955年開工建設，由于種種原因和條件限制，光彈試驗方法成為了主要結構分析方法用于指導大壩設計。當時的電力部水電科學研究院承擔了這一試驗項目，并在清華大學專家指導下，歷經(jīng)一年完成了該試驗，為工程提供了可靠的應力分析資料和設計建議［37］。此外，我所還采用膠體模型網(wǎng)格形變試驗方法，進行了柘溪大頭壩［38］和桓仁重力撐墻壩［39］的應力分析。

湖南東江雙曲拱壩在技術設計階段，采用了結構計算和結構模型試驗交叉進行的方式，我所作為主要單位承擔了這一工作，其中結構模型試驗采用了相似性更好的脆性材料—輕石漿進行，成果為拱壩應力分析和結構調(diào)整提供了依據(jù)。輕石漿是一種輕質(zhì)混凝土，由浮石骨料、水泥膠結料和其它摻合料組成，其彈性模量較低，為1～3 GPa，在工作應力范圍內(nèi)應力-應變呈直線關系，各向均質(zhì)，且具有足夠的強度，是較好的模型材料。限于當時此類試驗剛剛起步，東江模型試驗只考慮了靜水壓力作用，尚未考慮自重、溫度變化、施工應力等重要因素的影響，同時在上游面應變量測精度、切向位移量測、內(nèi)部應力量測、輕石漿材料性能控制等方面也需改進［40-41］。

溫度應力試驗由于溫度的作用，比靜應力試驗要困難一些，包括模擬原型溫度場、在溫變條件下量測模型應變等。為此，我所采用的辦法是：通過計算得到數(shù)學上的特解，把溫度問題轉化為邊界力問題，再用常溫模型求出給定邊界力下的通解，用與計算特解疊加的方法得到溫度應力。利用這一原理，進行了三峽壩內(nèi)廠房式重力壩型在溫度場下的應力模型試驗。溫度場根據(jù)給定的邊界條件，用電擬試驗確定，根據(jù)求出的溫度和溫度梯度計算特解應力。然后用膠體模型網(wǎng)格形變試驗方法，在邊界上施加邊界力以確定通解應力［42-43］。

1960年代以后，我所采用脆性材料模型試驗，先后研究了“拱上拱”結構（貓?zhí)樱?、減少壩踵壓力措施（楓樹壩）、深層抗滑穩(wěn)定及處理措施（桓仁和安康）、拱壩體型優(yōu)化（東風和小灣）、升船機結構（巖灘）等，為工程設計提供了技術支持。同時還用該模型試驗研究了預應力結構，研發(fā)的新型預應力閘墩傳力梁結構形式［44］在五強溪、漫彎、蒲石河和天生橋一級大壩中得到應用。

壩基對壩體應力的影響、巖體穩(wěn)定和安全問題一直是結構計算中不斷研究改進的課題［45］。1970年代后期，我所開展了地質(zhì)力學模型（也稱復合結構模型）試驗研究，考慮基礎不連續(xù)軟弱結構面對結構應力應變、承載力的決定性影響，把關注點放在對不連續(xù)結構面的模擬上，要求模型與原型的抗剪剛度、抗壓剛度、強度參數(shù)（C、φ值）滿足相似關系，并研究出了模擬不同強度參數(shù)（C、φ值）的模型材料制作方法，為地質(zhì)力學模型試驗奠定了基礎［46-47］。地質(zhì)力學模型試驗已成為研究復雜巖基上重力壩深層抗滑穩(wěn)定、拱壩壩肩的穩(wěn)定性、地下工程圍巖穩(wěn)定，提出結構穩(wěn)定處理措施的有效手段，我所在龍羊峽、安康和二灘等混凝土壩設計中進行了相關地質(zhì)力學模型試驗，取得的“地質(zhì)力學模型試驗技術”成果獲得了1985年國家科技進步二等獎。

3 混凝土斷裂力學

從大量調(diào)查得知，混凝土壩的主要病害有裂縫、滲漏、凍融破壞、沖刷、磨損和空蝕，以及環(huán)境水侵蝕等，其中最主要的病害是裂縫。對混凝土壩裂縫危害性的評估和加固措施的研究是很重要的課題，特別當出現(xiàn)重大裂縫時，需要深入進行分析研究。1970年代以來，計算機與有限單元法的應用促進了斷裂力學的發(fā)展，并被引入混凝土結構斷裂力學分析。我所混凝土斷裂力學的研究始于1974年［48］，是國內(nèi)最早從事混凝土斷裂力學研究的機構，起因是探討用線彈性斷裂力學研究密云水庫溢洪道閘墩裂縫的可能性［49-50］。1977年以后，通過柘溪大頭壩劈頭裂縫的研究［51］，混凝土斷裂力學的研究取得了較大的進展，主要表現(xiàn)在：（1）進行了大量混凝土斷裂韌度KIC的試驗研究和理論分析［52-53］，以闡明縫端微裂縫區(qū)、亞臨界擴展長度、混凝土抗拉強度、骨料粒徑及試件尺寸等因素對KIC的影響，提出了確定KIC的公式和線彈性斷裂力學的應用條件。（2）進行了混凝土復合型裂縫的斷裂準則理論和試驗研究［54］，提出了包括準則和裂縫轉角的工程斷裂判據(jù)，其中一些判據(jù)已用于混凝土壩裂縫穩(wěn)定分析。（3）進行了大量混凝土斷裂能GF的試驗研究［55-56］，主要采用三點彎曲梁和緊湊拉伸試件，研究了GF與抗拉強度的關系，以及骨料粒徑與試件尺寸對GF的影響，并開展了非線性斷裂力學研究。

對于混凝土壩的嚴重裂縫，首先應分析其產(chǎn)生的原因，其次應研究其現(xiàn)在及發(fā)展后對混凝土壩的危害性，最終的目的是決定是否要加固及加固的原則。對裂縫危害性評估包括以下4項內(nèi)容：（1）裂縫成因分析，視壩體為連續(xù)介質(zhì)，并常采用材料力學和彈性力學方法進行。（2）采用斷裂力學方法分析裂縫的穩(wěn)定性，求出在不利荷載組合下裂縫的發(fā)展過程、裂縫的形狀及長度。（3）采用材料力學和彈性力學方法分析在各種可能縫長下壩體的應力和穩(wěn)定性，判斷裂縫對壩體結構安全度的影響，給出現(xiàn)有的安全度。（4）根據(jù)現(xiàn)場觀測裂縫，分析裂縫對大壩運行與大壩耐久性的影響，提出是否要加固及加固原則的建議。在上述內(nèi)容中，確定各種荷載下裂縫的長度是關鍵，對此斷裂力學是比較有效的方法。

在前述針對密云溢洪道閘墩裂縫、柘溪大頭壩上游面裂縫工作的基礎上，我所還進行了湖南鎮(zhèn)梯形壩壩踵裂縫、峽山水庫溢洪道閘墩裂縫、侵窩水庫混凝土溢流壩閘墩裂縫以及陳村重力拱壩105 m高程裂縫影響與穩(wěn)定性等問題的研究［57-58］，出版了專著［59］，“混凝土斷裂力學在柘溪大頭壩裂縫研究和加固中的應用”研究成果獲得了1991年度國家科技進步三等獎。2005年我國頒布了水工混凝土斷裂試驗規(guī)程［60］，相關研究也已取得了長足進步［61-62］，而我所的前述工作對我國混凝土斷裂力學的早期發(fā)展起到了重要推動作用。

4 水工混凝土耐久性及評估

1980年代，我所成立了水工混凝土耐久性專題組［63］，完成了全國水工混凝土建筑物耐久性和老化病害處理調(diào)查報告［64］。此后近30年間取得的成果［65-68］主要有：（1）通過X射線衍射（XRD）、掃描電鏡、壓汞儀等微觀分析手段定性研究了混凝土在凍融過程中的微結構變化，得出了混凝土凍融破壞機理，即混凝土的凍融損傷破壞過程是一個物理變化為主的過程，也是一個微裂紋不斷萌生和擴展的過程。（2）研究了硬化混凝土氣泡性質(zhì)（平均直徑、比表面積、氣泡間距系數(shù)）對混凝土抗凍性的影響，得出抗凍混凝土的氣泡間距系數(shù)一般不宜超過400 μm結果；研發(fā)出了高抗凍（F300）粉煤灰混凝土與超抗凍（F600）混凝土。（3）提出了適合于我國國情、以混凝土結構安全使用壽命為目標的混凝土抗凍性定量化設計方法及相關技術條件。（4）揭示了混凝土在壓力水作用下的滲漏溶蝕機理，即混凝土中水化產(chǎn)物Ca（OH）2隨滲漏而不斷流失，引起其他水化產(chǎn)物不斷分解，并逐步失去膠凝性。在壓力水作用下，混凝土中Ca（OH）2的溶蝕速度初期逐步增大、中期基本穩(wěn)定、而后期又逐漸下降。當Ca（OH）2溶出（以CaO計）達25%時，混凝土抗壓強度下降36%左右、抗拉強度下降66%左右［69］。上述成果出版了專著［70］，并獲得2004年國家科技進步二等獎。

2010年以來，科海利公司進一步研制了掃描范圍國內(nèi)外最大的“全自動全景熒光顯微成像系統(tǒng)”（掃描范圍達20 cm×20 cm，分辨率2 μm），并開發(fā)了混凝土全景微裂紋量化分析軟件，形成了混凝土全景微裂紋量化分析技術，解決了傳統(tǒng)混凝土微觀分析手段存在的大觀察范圍與高分辨率不能兼顧的難題?；谠摷夹g揭示了混凝土在典型劣化作用下的損傷破壞機理，主要成果有：（1）定量揭示了混凝土在凍融過程中微裂紋結構的演化規(guī)律：隨著凍融損傷程度的增大，無論引氣混凝土還是非引氣混凝土，其內(nèi)部微裂紋的長度密度、面積密度和最大裂紋寬度等均在逐漸增大；凍融循環(huán)過程引起的微裂紋以過渡區(qū)微裂紋為主；砂漿微裂紋和過渡區(qū)微裂紋的寬度并無明顯差異；在同樣的凍融損傷度下，引氣混凝土基體微裂紋的密度低于非引氣混凝土［71-72］。（2）定量揭示了堿骨料反應（AAR）過程中混凝土內(nèi)部微裂紋結構的演化規(guī)律：AAR劣化混凝土試件內(nèi)部微裂紋的長度密度、面積密度、裂紋最大寬度和平均寬度等均隨AAR損傷程度和膨脹率的增加而增大，混凝土的力學性能、AAR損傷度和膨脹率與微裂紋密度均有很好的相關關系［73］。（3）建立了基于全景微結構的混凝土健康狀態(tài)診斷方法和標準。通過對現(xiàn)場芯樣的全景微結構進行定量分析，可獲得微裂紋的結構形態(tài)、密度和氣泡含量、氣泡間距系數(shù)等，這樣可以對混凝土的老化損傷程度、是否是抗凍混凝土進行診斷和評估。該方法已經(jīng)在漫灣大壩和豐滿老壩的老化狀態(tài)定量評估中得到了成功應用，為業(yè)主評價混凝土壩的安全提供了科學依據(jù)。

以上成果提升了我公司混凝土損傷破壞機理研究的水平，2014年混凝土全景微裂紋定量分析技術被水利部國科司鑒定為國際領先水平，并被列為2016年國家科技進步二等獎“高混凝土壩結構安全關鍵技術研究與實踐”中的創(chuàng)新成果之一。

5 面板壩接縫止水

早在1960年代，我所就研發(fā)出了聚氯乙烯止水帶，并在水利工程上應用［74］。“六五”期間，參照國外經(jīng)驗，研發(fā)了非硫化丁基橡膠嵌縫止水材料［75］，并在亭下水庫等工程中應用?！捌呶濉逼陂g，為滿足國內(nèi)剛剛起步的混凝土面板堆石壩的建設需求，將上述嵌縫止水材料和改性瀝青填料應用于西北口面板壩，以代替國外常用的IGAS嵌縫填料，取得了滿意的應用效果［76］?！鞍宋濉逼陂g，針對嵌縫止水材料在十三陵上池混凝土面板工程應用中存在的問題，開發(fā)出了GB復合止水板，以代替表層嵌縫材料上的普通蓋板［77］。同時，結合天生橋一級面板壩工程，試驗論證了GB復合銅止水、GB復合止水帶的抗繞滲能力，初步提出了嵌縫填料的流動止水概念［78］。此前，國外學者針對IGAS嵌縫填料曾進行了止水模型試驗，發(fā)現(xiàn)IGAS在水壓力下出現(xiàn)孔洞或開裂漏水，且當水從孔洞或裂口流過時IGAS沒有任何自愈能力，表明以IGAS塑性填料構成的表層止水不能發(fā)揮預期的止水作用［79］。據(jù)此，國外學者基于無黏性填料的自愈原理，提出了以粉煤灰構建表層止水，并在185 m高的墨西哥Aguamilpa面板壩應用。隨后，我國的天生橋一級面板壩也采用了這一表層止水型式［80］。然而，盡管以無黏性填料淤填接縫可靠性較好，但效果也并不很理想，只是當時沒有可靠止水方法時降低接縫滲漏的無奈選擇，Aguamilpa壩的初期滲漏量達260 L/s，天生橋一級壩為150 L/s。是否可以尋求更好的止水方法，成為當時高面板壩發(fā)展中迫切需要解決的關鍵性問題之一。

“九五”期間，在233 m高的水布埡面板壩論證研究中，我所研發(fā)出了優(yōu)于國外IGAS的GB塑性嵌縫填料，該塑性填料可以在高水壓下流入并封閉張開的接縫發(fā)揮止水作用，同時提出了GB新型止水結構，研究出了結構設計方法和施工工藝，并在包括我國水布埡壩、馬來西亞巴貢壩在內(nèi)的數(shù)座200 m級高面板壩中應用，解決了高面板壩接縫止水的關鍵技術難題，其中GB系列止水材料及銅止水結構分析成果被鑒定為達到國際領先水平［81］。

“十五”期間，經(jīng)進一步完善的該系列成果被納入了行業(yè)規(guī)范［82-83］。同時，針對施工中塑性填料人工嵌填質(zhì)量低下的問題，我公司研發(fā)了專用擠出機，可以實現(xiàn)接縫填料的現(xiàn)場一次擠出嵌填，擠出的填料外形美觀，內(nèi)部密實，且經(jīng)擠出升溫后，可以更好與混凝土基面粘接。該技術目前已在國內(nèi)大型面板壩工程中推廣［84］。

“十一五”期間，針對接縫止水表層蓋板與混凝土面板連接質(zhì)量不易保證，且蓋板接頭不可靠的問題，我公司又研發(fā)出了面板接縫涂覆型柔性蓋板止水，用涂刷在塑性填料上的SK單組分聚脲板替代原來的裝配式橡膠蓋板，聚脲固化后可與塑性填料、混凝土面板粘接成一體，顯著提高了表層接縫止水的可靠性。2014年155 m高的梨園面板壩首次全面采用了這一涂覆型柔性蓋板止水技術，滲漏量小于 30 L/s［85］。

GB系列止水材料技術目前已在國內(nèi)外許多面板壩中獲得應用，其中百米以上高面板壩已超過40座，GB止水材料的品牌效應已經(jīng)顯現(xiàn)，相關業(yè)務強有力支撐了公司的業(yè)務發(fā)展，相關成果已獲得了包括2013年度國家科學技術進步二等獎在內(nèi)的多項獎勵。

6 堆石壩瀝青混凝土防滲面板

1950年代末我所就開展了瀝青混凝土防滲土石壩試驗研究［86-88］，但由于當時國產(chǎn)瀝青品質(zhì)差，施工工藝落后，建成的瀝青混凝土面板壩都不同程度地存在問題，導致此類工程建設在1980年代后期基本處于停滯狀態(tài)。

1990年代，我所電科公司協(xié)助德國Strabag公司建設天荒坪抽水蓄能電站上庫瀝青混凝土面板工程［89］，并承擔了電力重點項目“碾壓式瀝青混凝土施工技術”研究［90］，參與了《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5362-2006）的編制，提升了自身的技術水平。這一時期，我國尚處于學習掌握國外先進施工技術階段。

2004年，河南南谷洞瀝青面板壩進行其史上第4次修補加固，我公司中標。該壩在1960年建成時為黏土斜墻堆石壩，1977—1981年第二次加固中增設了瀝青混凝土防滲面板，但流淌嚴重，并于1987年進行了第三次修補加固。本次修補加固施工是以往科研施工經(jīng)驗的深化實踐，我公司取得了瀝青混合料拌合系統(tǒng)改造、新型瀝青面板岸邊接頭、白色冷施工封閉層技術等創(chuàng)新成果，并圓滿完成了工程建設［91］，也為此后以我國自有技術開展相關工程建設提供了一個成功范例。

憑借南谷洞工程項目的實踐經(jīng)驗，2006—2007年我公司中標承建了河南寶泉抽水蓄能電站上庫瀝青混凝土面板襯砌工程，而國內(nèi)同期建設的張河灣、西龍池工程均由日本大成公司中標施工，寶泉就成為國內(nèi)第一個由國內(nèi)企業(yè)施工的大型瀝青防滲面板工程。在吸收以往工作經(jīng)驗基礎上，我公司在工程實施中完成了德國攤鋪機斜坡改造，開發(fā)出了牽引設備和喂料車、冷縫處理設備、礦料破碎加工系統(tǒng)，取得了抗斜坡流淌瀝青混凝土配合比設計方法、瀝青面板與庫底廊道和黏土鋪蓋接頭連接形式、圓弧段變幅寬攤鋪施工方法等技術成果。寶泉工程的成功建設，提升了國內(nèi)自有技術水平［92］。以這些工程經(jīng)驗為基礎，出版了《水工瀝青混凝土防滲技術》專著［93］，主編了《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》（SL514-2013）［94］。

針對瀝青混凝土面板的低溫開裂問題，2011—2012年，我公司參與了呼和浩特上庫瀝青混凝土面板工程的技術論證試驗和現(xiàn)場施工。該工程極端最低氣溫低至-41.8℃，為世界同類工程中氣溫最低的工程，其關鍵是能否開發(fā)出設計凍斷溫度為-45℃的改性瀝青。對此，我公司采用母體法及時開發(fā)出了平均凍斷溫度為-45.7℃的SK-2改性瀝青和-47.5℃的5#改性瀝青，有力支撐了瀝青面板方案。盡管業(yè)主出于成本考慮，降低了設計凍斷溫度要求，最終采用了平均凍斷溫度-45.4℃的水工5#改性瀝青，然而在改性瀝青研發(fā)中的成功實踐，為我國未來寒冷地區(qū)瀝青混凝土面板工程建設，提供了寶貴經(jīng)驗［95-96］。前述技術成果也獲得了包括2015年度水力發(fā)電科學技術特等獎在內(nèi)的多項獎勵。

7 結構檢測與安全評估

1980年代，我所就開始關注水工混凝土建筑物的老化病害問題，并完成了自然科學基金重點項目“水工混凝土建筑物老化病害的防治及評估研究”［97］。1998年后開展了水工混凝土檢測技術研究與工程應用［98］，取得的主要成果如下：（1）形成了基于沖擊彈性波的結構無損檢測技術，主要包括基于敲擊振源的沖擊彈性波CT技術、大壩CT（混凝土壩內(nèi)部缺陷診斷系統(tǒng)）、基于沖擊彈性波卓越波長的瞬態(tài)表面波技術、穩(wěn)態(tài)和變幅穩(wěn)態(tài)表面波技術、沖擊回波檢測內(nèi)部缺陷技術、沖擊彈性波測試混凝土試件彈性波波速技術，以及由此衍生出的利用沖擊彈性波測試混凝土動彈性模量，檢測混凝土耐久性劣化的方法等［99-101］，成果獲得2017年大禹水利科學技術二等獎。（2）大壩滲漏檢測技術的研發(fā)，采用瞬變電磁法、探地雷達、高密度電法等方法實現(xiàn)了對土石壩滲漏的檢測，在臘姑河面板堆石壩工程滲漏檢測中取得了較好的效果［102］。（3）研發(fā)水工混凝土結構老化病害狀況的檢測技術，采用回彈、超聲回彈法，結合鉆孔取芯法，實現(xiàn)對混凝土強度的檢測；采用超聲波、穩(wěn)態(tài)表面波等方法實現(xiàn)了對混凝土裂縫深度的檢測；采用鋼筋銹蝕儀、混凝土碳化及氯離子含量等檢測可直接或間接評估鋼筋銹蝕的概率；通過沖擊彈性波檢測混凝土的動彈性模量可評估混凝土耐久性劣化的程度。（4）研發(fā)探地雷達的檢測技術，通過對探地雷達檢測技術的開發(fā)和功能拓展，實現(xiàn)了隧洞混凝土襯砌、閘底板等結構的厚度、配筋情況及襯砌（底板）與圍巖（基礎）接觸狀態(tài)的檢測，為隧洞和水閘等工程施工質(zhì)量評價和隧洞安全的評估提供依據(jù)［103］。

目前水工混凝土結構安全評估的對象，主要是在役混凝土工程［104］和存在質(zhì)量缺陷或某些條件與設計狀況不一致時的新建工程［105］。將缺陷檢測結果納入結構安全評估分析是當前的主要研究內(nèi)容之一。

8 水工新材料

8.1 聚脲材料雙組分噴涂聚脲具有較高的抗沖耐磨性、良好的防滲效果和優(yōu)異的力學性能，且噴涂后固化快，可在立面、曲面上噴涂幾十毫米厚不流掛。自1990年代開始在國防、工民建及水利水電工程中得到應用［106-107］。2002年，科海利公司首次將其引入水利水電工程領域，針對工程特點，進行了防滲、抗沖磨和耐久性等一系列試驗及施工工藝研究，并在尼爾基水電站蝸殼［108］、小灣水電站上游面［109］、景洪水電站廠房頂和雪卡水電站泄洪洞等工程中應用。但是，雙組分噴涂聚脲需采用專門的噴涂設備，施工中常見雙組分混合不均勻、成型涂層與基礎混凝土粘接強度低等問題，且只能用于迎水面防滲和流速小于5 m/s的混凝土過水面［110］。為了彌補雙組分噴涂聚脲的上述缺陷，2006年我公司開發(fā)了SK單組分聚脲，通過大量試驗，完成了其分子設計與配方設計，對物理力學性能及耐久性進行了系統(tǒng)試驗。工程應用實踐表明，SK單組分聚脲不需要現(xiàn)場混合，涂層均勻，與基礎混凝土粘接強度高，耐久性更好，且開蓋既可直接使用，施工簡單、方便，可用于40 m/s左右高流速混凝土過流面的保護［111］。同時，根據(jù)應用條件，還將該產(chǎn)品細化成“防滲”和“抗沖磨”兩種類型，滿足了水位變化區(qū)、高速水流區(qū)以及嚴寒等惡劣環(huán)境下的工程要求。我公司還研制了適用于鋼板、橡膠板、混凝土等不同基材的配套界面劑，保證了SK單組分聚脲涂層與基面的可靠粘結，同時建立了相應的施工工藝和質(zhì)控方法。2014年還以SK單組分聚脲為基材，開發(fā)了SK高彈性抗沖磨砂漿，并將其應用于柳洪水電站泄水建筑物混凝土面的推移質(zhì)沖磨破壞修復［112］，取得了良好效果。

目前，SK單組分聚脲已成功應用于混凝土表面防滲、抗凍融及耐久性防護、伸縮縫表面防滲、輸水管道承插接口表面防滲、表面抗沖磨防護、混凝土裂縫處理、表面減糙處理等不同類型的上百座水電工程［112-115］，SK單組分聚脲已入選水利部《2015年度水利先進實用技術重點推廣指導目錄》，由我公司主編的相關行業(yè)技術標準已經(jīng)實施［116］。

8.2 環(huán)氧材料環(huán)氧樹脂材料在1950年代工業(yè)化生產(chǎn)后應用范圍迅速擴大，1960年代我所在國內(nèi)最早開展了環(huán)氧材料在水利工程修補防護中的應用研究，并于1964年在新安江水電站廠房頂溢流面（3860 m2）進行了環(huán)氧抗沖磨防護［117-118］。此外，在青銅峽電站壩面不平整及進水口門槽等處缺陷處理、新豐江電站廠房屋頂混凝土預制板接縫滲漏缺陷處理、柘溪大壩溢流面反弧段沖蝕缺陷處理等工程也試驗采用了環(huán)氧砂漿修補［119］。針對環(huán)氧砂漿的脆性及在新安江應用中出現(xiàn)的開裂、脫空、脫落問題［120］，我所進一步進行了環(huán)氧増韌改性研究，先后開發(fā)了彈性環(huán)氧砂漿及高韌性環(huán)氧砂漿系列材料，并在水利工程修補防護中得到應用［121］?；谶@些科研和工程實踐，主編了相關技術標準［122］。

近十年來，我公司在以往工作經(jīng)驗基礎上，開展了環(huán)氧修補材料開裂破壞機理的系統(tǒng)性應用基礎研究［123-124］，開發(fā)了用于混凝土襯砌防護的YEC環(huán)氧防護涂層材料［125］，并成功用于南水北調(diào)工程、引大濟潢工程、厄瓜多爾卡科多辛克雷水電站、廣州抽水蓄能電站、云南松江河口電站等多項引水隧洞工程，在抗裂性和耐久性方面表現(xiàn)優(yōu)異。此外，我公司開發(fā)的水下粘接劑、環(huán)氧灌漿材料及環(huán)氧界面劑等產(chǎn)品也已得到廣泛應用。目前，我公司正在開展適用于防貝、降糙，以及冷卻塔及煙囪防腐等苛刻條件下的涂料研發(fā)。

9 未來研究方向

未來我公司將繼續(xù)對水工材料以下幾個方向進行深化科學研究：（1）針對極端環(huán)境下混凝土抗裂、耐久性需求，繼續(xù)研發(fā)具有低熱高抗裂的新型膠凝材料，開發(fā)具有多功能的改性摻和料與新型復合外加劑，從宏觀和微觀兩個維度研究復雜環(huán)境下混凝土耐久性的劣化機理和耐久性提升技術。（2）在結構安全評估中，注重對老化缺陷水工結構真實性態(tài)的模擬，繼承和發(fā)展原有技術成就，使結構模型試驗繼續(xù)發(fā)揮其重要作用。（3）研發(fā)掃描范圍更大（40 cm×40 cm）的全景熒光顯微成像系統(tǒng)，以使微結構量化分析技術直接應用于大壩混凝土，同時將開發(fā)反映材料真實老化性態(tài)的混凝土壩安全評估方法。（4）對極端條件下接縫止水的破壞應對技術繼續(xù)攻關，如面板壩水下接縫止水失效、高面板壩面板擠壓破壞造成的表層接縫止水失效等，為面板壩的長期安全運行提供技術支撐。（5）研發(fā)酸性骨料瀝青混凝土防滲技術，以及瀝青面板老化病害機理及修補加固技術。（6）聚焦在水工建筑物的防護和缺陷修補上，研發(fā)適應極端環(huán)境下（如嚴寒、強紫外線、推移質(zhì)沖蝕、水下等）的防護修補材料。