水利工程中新型超疏水材料應(yīng)用前景展望

孫文奇 王亞坤

摘要：2017年10月，中共中央總書記、國家主席習(xí)近平同志在黨的“十九大”報(bào)告中提出：要把人與自然和諧共生納入新時(shí)代堅(jiān)持和發(fā)展中國特色社會(huì)主義的基本方略，要把水利擺在九大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之首?！笆糯蟆眻?bào)告中關(guān)于水利建設(shè)方面的論述，不僅為我國基層水利事業(yè)的發(fā)展進(jìn)一步深化了工作內(nèi)涵，明確了工作方向，也為水利工作者們指明了水利行業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)和著力根基，同時(shí)也積極要求人們繼續(xù)合理開發(fā)研制尖端技術(shù)、新型材料等，服務(wù)并應(yīng)用于傳統(tǒng)水利行業(yè)。水利工程的大力發(fā)展離不開牢固可靠的水工建筑物，然而，當(dāng)下我國水工建筑物的滲漏病害現(xiàn)象非常的普遍，僅以我國水利工程中常見的面板堆石壩為例：據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國在建和已經(jīng)建成的面板堆石壩數(shù)量約為300座，占世界面板堆石壩數(shù)量的一半以上。我國自20世紀(jì)80年代開始陸續(xù)引進(jìn)現(xiàn)代面板堆石壩技術(shù)以來，建設(shè)至今已有30余年的技術(shù)應(yīng)用歷史。經(jīng)過引進(jìn)消化、自主創(chuàng)新和不斷的突破發(fā)展，我國的壩工事業(yè)已經(jīng)積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)入了頂峰狀態(tài)，逐步形成了具有鮮明中國特色的面板堆石壩筑壩技術(shù)，蒙江雙河口電站等工程為世界壩工界所驚嘆?？稍谶@風(fēng)光背后，我國的大壩卻普遍遭受著滲漏問題的威脅侵?jǐn)_，成為亟待解決的一個(gè)重要工程問題。

關(guān)鍵詞：水利工程；新型超疏水材料；應(yīng)用前景展望

1.超疏水材料簡介

超疏水材料是一種新型材料，它可以自行清潔需要干凈的地方，還可以放在金屬表面防治水的腐蝕生銹，目前行業(yè)內(nèi)將其特點(diǎn)定義為表面穩(wěn)定接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°。超疏水材料因其普遍具有顯著的疏水、脫附、防粘、自清潔等功能，被廣泛應(yīng)用于防水、防污、自清潔、流體減阻、抑菌等領(lǐng)域。超疏水材料上的微茸毛由乳突及蠟狀物構(gòu)成，其為微米結(jié)構(gòu)，乳突為納米結(jié)構(gòu)，當(dāng)水與超疏水材料表面接觸時(shí)，會(huì)有空氣存在于微小突起之間，從而大大減小水與超疏水材料表面的接觸面積。又由于水的表面張力作用，使得水滴在這種粗糙表面的形狀接近于圓形，其接觸角可達(dá)150°以上，這種納米與微米相結(jié)合的雙微管結(jié)構(gòu)正是起到表面防水防污作用的根本原因。具有大觸角和較小滾動(dòng)角的超疏水性材料表面結(jié)構(gòu)為微米級(jí)及納米級(jí)結(jié)構(gòu)的雙微復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以直接影響水滴的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。超疏水材料的表面結(jié)構(gòu)通常有用兩種形式，一是在疏水材料表面上構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)，二是在粗糙表面上修飾低能表面物質(zhì)。由于降低表面自由能在技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)，因此超疏水材料表面的制備技術(shù)的關(guān)鍵就在于構(gòu)建合適的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，已報(bào)道的超疏水材料表面制備技術(shù)主要有溶膠—凝膠法、模板法、自組裝法及化學(xué)刻蝕法等。

2.混凝土壩和漿砌石壩滲漏成因與對(duì)策分析

水工混凝土壩和漿砌石壩的主要滲漏類型有壩基滲漏和壩體滲漏兩種，其滲漏的原因有以下幾個(gè)方面：①由于勘探工作做的不周，地基留有隱患，水庫蓄水后引起滲漏；②由于設(shè)計(jì)考慮不周，在某種應(yīng)力作用下，使混凝土產(chǎn)生裂縫，引起滲漏；③因施工溫差或本身干縮等原因，產(chǎn)生裂縫而引起滲漏；④設(shè)計(jì)施工中采取的防滲措施不良或運(yùn)行期間由于物理、化學(xué)因素的作用，使原來的防滲措施失效或遭受破壞而引起滲漏；⑤遭受強(qiáng)烈地震及其他破壞作用，使混凝土建筑物或基礎(chǔ)產(chǎn)生裂縫，引起滲漏。混凝土壩和漿砌石壩滲漏病害通常處理的基本原則是“上截下排，以截為主，以排為輔”，根據(jù)滲漏的層次部位，危害程度，施工狀況以及修補(bǔ)條件等實(shí)際情況制定合理可靠的處理措施，通常我們的處理方式為：①對(duì)于建筑物本身的處理，以上游面封堵為主；②對(duì)于基礎(chǔ)滲漏的處理，以截為主，輔之以排；③對(duì)于接觸滲漏或繞壩滲漏的處理，應(yīng)先封堵，以排補(bǔ)救。

3.應(yīng)用前景展望

在水利工程中，滲漏是常見的壩體病害之一，傳統(tǒng)滲漏的處理措施有表面涂抹、表面貼補(bǔ)、鑿槽嵌補(bǔ)、灌漿、構(gòu)筑防滲層等。雖然這些措施能在短期內(nèi)達(dá)到預(yù)期的使用目的，但其普遍具有工作量大，影響混凝土完整性及強(qiáng)度，作用較小等局限性。目前技術(shù)允許范圍內(nèi)，標(biāo)本兼治的最佳措施就是將超疏水材料覆蓋在與水接觸的混凝土表面，形成一層空氣膜，避免壩面直接與水摩擦接觸，減少浸泡，從而達(dá)到有效防止發(fā)生滲漏的現(xiàn)象，此技術(shù)也充分符合“以截為主”的滲漏主要處理原則。同時(shí)，在溢洪道溢流面上覆蓋一層高強(qiáng)度超疏水材料，可減小水流對(duì)陡坡段和出口處的沖刷，避免溢洪道陡坡段內(nèi)墻被沖刷，底板被掀起、下滑或局部接縫破壞以及消能設(shè)施的破壞；采用高強(qiáng)度超疏水材料還能防止氣蝕破壞，避免產(chǎn)生蜂窩、麻面及混凝土脫落現(xiàn)象，在彎道處布設(shè)高強(qiáng)度疏水材料，可以減小阻力而防止翼墻沖刷破壞。在超疏水材料與建筑物兩種材料的粘結(jié)性方面，潘洪波等專家對(duì)超疏水材料粘結(jié)效果進(jìn)行分析，通過150多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅氧烷與超疏水材料的粘結(jié)性能十分理想，為超疏水材料的應(yīng)用起到積極作用。值得注意的是，水工建筑物所處的水環(huán)境十分復(fù)雜多樣，受不同地域內(nèi)氣候、水文、地質(zhì)等因素影響，水中沙石、冰凌、水生物、礦物質(zhì)等均會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生不同程度的破壞，這就對(duì)超疏水材料在水利工程中的推廣應(yīng)用形成制約：①混凝土壩上游迎水面面積廣，材料需求量大；②水工建筑物運(yùn)行周期長，建筑材料要求具有足夠強(qiáng)度的耐久性；③風(fēng)吹日曬使得壩體混凝土在不同程度上會(huì)出現(xiàn)裂縫，若使用剛性材料，會(huì)伴隨混凝土開裂而開裂，導(dǎo)致失去疏水作用。

4.結(jié)論

荷葉效應(yīng)為超疏水材料的研究提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)，而超疏水材料在水工建筑物領(lǐng)域的應(yīng)用目前仍處于空白狀態(tài)，若能有效解決材料強(qiáng)度、價(jià)格等限制因素，并加以推廣利用，將在壩體防滲、溢洪道沖刷、漏水、水閘腐蝕、渠系輸水建筑物的防滲等方面起到良好的作用，為建設(shè)新型智慧水利工程做出貢獻(xiàn)。

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作者簡介：

孫文奇（1998-）、男、漢、學(xué)生、河南平頂山、身份證號(hào)：41042219980726761x、研究方向：水利工程的前景.

王亞坤（1994-）、男、漢、學(xué)生、河南、身份證號(hào)：412726199411180896.