郝巨濤，紀(jì)國晉，孫志恒，李曙光，岳躍真，趙 波

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

水工結(jié)構(gòu)材料學(xué)科是結(jié)構(gòu)材料研究所的兩大學(xué)科之一，是我國為了適應(yīng)水利工程建設(shè)的需要，于1958年整合設(shè)立的。設(shè)立之后，圍繞著壩工建設(shè)的諸多迫切技術(shù)問題開展研究，支撐了我國壩工建設(shè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。后期根據(jù)實(shí)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(bǔ)材料技術(shù)的研究。2002年起，所內(nèi)各材料研究室全部轉(zhuǎn)制為科技企業(yè)，成立了北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，結(jié)構(gòu)材料研究所沿著科研市場化的方向進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期。以下將建所60年來水工結(jié)構(gòu)材料學(xué)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(shè)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(shí)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(yīng)用技術(shù)、塑化劑或塑化劑引氣劑聯(lián)用技術(shù)、預(yù)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(qiáng)度等［2-5］。（2）鑒于國內(nèi)這時(shí)還沒有統(tǒng)一的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，參考國外經(jīng)驗(yàn)，開展了水工混凝土性能測試方法研究［6-7］，在不同試驗(yàn)方法對比試驗(yàn)、新儀器研制和性能驗(yàn)證試驗(yàn)等研究基礎(chǔ)上，編寫了國內(nèi)第一部《水工混凝土試驗(yàn)方法（1958）》，并幾經(jīng)完善最終形成了《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程（SD105-82）》。該標(biāo)準(zhǔn)影響深遠(yuǎn)，很多試驗(yàn)方法至今仍在使用。（3）針對配合比設(shè)計(jì)理論和方法欠缺問題，開展了水工混凝土配合比設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)研究［8-12］，包括膠凝材料、骨料和試件尺寸影響、室內(nèi)和實(shí)際混凝土性能相似性等，研究了彈性模量、極限拉伸、徐變、導(dǎo)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(qiáng)比等基本選材和設(shè)計(jì)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(yīng)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(shè)計(jì)標(biāo)號及室內(nèi)室外抗凍相關(guān)性的建議值，提出了不同壩高抗?jié)B等級的設(shè)計(jì)推薦值，解決了滲透系數(shù)試驗(yàn)難題［13-15］。這一時(shí)期圍繞劉家峽大壩建設(shè)取得的一系列成果［16-18］，于1978年獲得了全國科學(xué)大會獎，這是文革前我所相關(guān)成果的集大成者，與同期建設(shè)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(dāng)時(shí)先進(jìn)的科研保障、良好的施工質(zhì)量和嚴(yán)格管理是分不開的。這一時(shí)期的外加劑研究成果［19］也獲得了1978年全國科學(xué)大會獎。

1978年，結(jié)構(gòu)材料研究所恢復(fù)重建后，進(jìn)一步取得了一些成果：（1）在原有基礎(chǔ)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(yīng)用；DH萘系緩凝高效減水劑及801引氣劑在湖南東江應(yīng)用，成果［20］于1985年獲國家科技進(jìn)步三等獎。（2）對粉煤灰進(jìn)行了從顆粒形態(tài)、活性機(jī)理、物化特性，到粉煤灰混凝土拌和物、力學(xué)、熱學(xué)、耐久等全面系統(tǒng)研究，提出了粗灰利用技術(shù)、超量取代法（替代部分砂）優(yōu)化設(shè)計(jì)混凝土配合比，回答了設(shè)計(jì)“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(jìn)步三等獎。我所還主編了《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBJ146-90、GB/T 50146-2014）和《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5055-1996）。

1979年開始碾壓混凝土筑壩技術(shù)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(diǎn)，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(dāng)時(shí)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(shí)間和提高層間結(jié)合強(qiáng)度的技術(shù)措施，研制了允許間隔時(shí)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(guān)系、碾壓混凝土抗凍性與氣泡特性的關(guān)系，以及碾壓混凝土的碳化等問題。通過實(shí)踐，可拌制出抗凍等級F400的碾壓混凝土，為嚴(yán)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(jìn)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(fù)灌漿技術(shù)，并在工程中廣泛應(yīng)用，成果獲2004年中國電力科技進(jìn)步一等獎。（6）試驗(yàn)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(jī)理，形成了變態(tài)混凝土試驗(yàn)方法，成果被納入《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5433-2009）。（7）研究提出以復(fù)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(shù)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(dān)了混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)是當(dāng)時(shí)國內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)中內(nèi)容最多、歷時(shí)最長的項(xiàng)目，成果［30-31］后來被多個(gè)工程引用。通過降低水膠比、加大粉煤灰摻量的技術(shù)路線，采用Ⅰ級粉煤灰、高效減水劑和引氣劑復(fù)摻等技術(shù)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(guān)鍵，也使大體積水工混凝土向高性能混凝土邁進(jìn)了一步。項(xiàng)目成果獲2004年度湖北省特等獎。

“八五”期間，結(jié)合二灘工程進(jìn)行了高強(qiáng)度大體積混凝土材料特性研究，提出了拌制高強(qiáng)、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(qiáng)度熱強(qiáng)比由1.26℃/kg下降到0.70℃/kg，干縮應(yīng)力由4.7 MPa下降到3.0 MPa，彈強(qiáng)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(jìn)步三等獎，并對小灣、溪洛渡等都有指導(dǎo)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(fù)合膠凝效應(yīng)，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(qiáng)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(shù)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(jìn)步二等獎。

自“七五”開始，我所相繼承擔(dān)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(xì)砂，以減少水泥用量，改善粗砂級配；采用三復(fù)合外加劑；克服了當(dāng)?shù)卦牧先毕?。?）采用混凝土孔結(jié)構(gòu)理論研究了混凝土性能改善機(jī)理，采用優(yōu)質(zhì)摻合料、增強(qiáng)密實(shí)劑、合成纖維或鋼纖維等進(jìn)行混凝土改性試驗(yàn)研究，找到了獲得高強(qiáng)、低彈、低收縮特性混凝土的途徑，并提出了系統(tǒng)的技術(shù)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(guān)關(guān)系，為面板抗裂計(jì)算和采取相應(yīng)防裂措施提供了依據(jù)。（4）深入分析了混凝土溶蝕機(jī)理，建立了估算混凝土面板耐久年限的計(jì)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(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎。

2 結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)

早期由于結(jié)構(gòu)計(jì)算技術(shù)和理論水平較低，不能滿足水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要（尤其是大孔口結(jié)構(gòu)、拱壩等比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)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(shè)，由于種種原因和條件限制，光彈試驗(yàn)方法成為了主要結(jié)構(gòu)分析方法用于指導(dǎo)大壩設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)的電力部水電科學(xué)研究院承擔(dān)了這一試驗(yàn)項(xiàng)目，并在清華大學(xué)專家指導(dǎo)下，歷經(jīng)一年完成了該試驗(yàn)，為工程提供了可靠的應(yīng)力分析資料和設(shè)計(jì)建議［37］。此外，我所還采用膠體模型網(wǎng)格形變試驗(yàn)方法，進(jìn)行了柘溪大頭壩［38］和桓仁重力撐墻壩［39］的應(yīng)力分析。

湖南東江雙曲拱壩在技術(shù)設(shè)計(jì)階段，采用了結(jié)構(gòu)計(jì)算和結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)交叉進(jìn)行的方式，我所作為主要單位承擔(dān)了這一工作，其中結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)采用了相似性更好的脆性材料—輕石漿進(jìn)行，成果為拱壩應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)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(jié)料和其它摻合料組成，其彈性模量較低，為1～3 GPa，在工作應(yīng)力范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變呈直線關(guān)系，各向均質(zhì)，且具有足夠的強(qiáng)度，是較好的模型材料。限于當(dāng)時(shí)此類試驗(yàn)剛剛起步，東江模型試驗(yàn)只考慮了靜水壓力作用，尚未考慮自重、溫度變化、施工應(yīng)力等重要因素的影響，同時(shí)在上游面應(yīng)變量測精度、切向位移量測、內(nèi)部應(yīng)力量測、輕石漿材料性能控制等方面也需改進(jìn)［40-41］。

溫度應(yīng)力試驗(yàn)由于溫度的作用，比靜應(yīng)力試驗(yàn)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(yīng)變等。為此，我所采用的辦法是：通過計(jì)算得到數(shù)學(xué)上的特解，把溫度問題轉(zhuǎn)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(jì)算特解疊加的方法得到溫度應(yīng)力。利用這一原理，進(jìn)行了三峽壩內(nèi)廠房式重力壩型在溫度場下的應(yīng)力模型試驗(yàn)。溫度場根據(jù)給定的邊界條件，用電擬試驗(yàn)確定，根據(jù)求出的溫度和溫度梯度計(jì)算特解應(yīng)力。然后用膠體模型網(wǎng)格形變試驗(yàn)方法，在邊界上施加邊界力以確定通解應(yīng)力［42-43］。

1960年代以后，我所采用脆性材料模型試驗(yàn)，先后研究了“拱上拱”結(jié)構(gòu)（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(fēng)和小灣）、升船機(jī)結(jié)構(gòu)（巖灘）等，為工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。同時(shí)還用該模型試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，研發(fā)的新型預(yù)應(yīng)力閘墩傳力梁結(jié)構(gòu)形式［44］在五強(qiáng)溪、漫彎、蒲石河和天生橋一級大壩中得到應(yīng)用。

壩基對壩體應(yīng)力的影響、巖體穩(wěn)定和安全問題一直是結(jié)構(gòu)計(jì)算中不斷研究改進(jìn)的課題［45］。1970年代后期，我所開展了地質(zhì)力學(xué)模型（也稱復(fù)合結(jié)構(gòu)模型）試驗(yàn)研究，考慮基礎(chǔ)不連續(xù)軟弱結(jié)構(gòu)面對結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、承載力的決定性影響，把關(guān)注點(diǎn)放在對不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的模擬上，要求模型與原型的抗剪剛度、抗壓剛度、強(qiáng)度參數(shù)（C、φ值）滿足相似關(guān)系，并研究出了模擬不同強(qiáng)度參數(shù)（C、φ值）的模型材料制作方法，為地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)［46-47］。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)已成為研究復(fù)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)中進(jìn)行了相關(guān)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，取得的“地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)”成果獲得了1985年國家科技進(jìn)步二等獎。

3 混凝土斷裂力學(xué)

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(dāng)出現(xiàn)重大裂縫時(shí)，需要深入進(jìn)行分析研究。1970年代以來，計(jì)算機(jī)與有限單元法的應(yīng)用促進(jìn)了斷裂力學(xué)的發(fā)展，并被引入混凝土結(jié)構(gòu)斷裂力學(xué)分析。我所混凝土斷裂力學(xué)的研究始于1974年［48］，是國內(nèi)最早從事混凝土斷裂力學(xué)研究的機(jī)構(gòu)，起因是探討用線彈性斷裂力學(xué)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(xué)的研究取得了較大的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在：（1）進(jìn)行了大量混凝土斷裂韌度KIC的試驗(yàn)研究和理論分析［52-53］，以闡明縫端微裂縫區(qū)、亞臨界擴(kuò)展長度、混凝土抗拉強(qiáng)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(xué)的應(yīng)用條件。（2）進(jìn)行了混凝土復(fù)合型裂縫的斷裂準(zhǔn)則理論和試驗(yàn)研究［54］，提出了包括準(zhǔn)則和裂縫轉(zhuǎn)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(jìn)行了大量混凝土斷裂能GF的試驗(yàn)研究［55-56］，主要采用三點(diǎn)彎曲梁和緊湊拉伸試件，研究了GF與抗拉強(qiáng)度的關(guān)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(xué)研究。

對于混凝土壩的嚴(yán)重裂縫，首先應(yīng)分析其產(chǎn)生的原因，其次應(yīng)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(xiàng)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(xué)和彈性力學(xué)方法進(jìn)行。（2）采用斷裂力學(xué)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(xué)和彈性力學(xué)方法分析在各種可能縫長下壩體的應(yīng)力和穩(wěn)定性，判斷裂縫對壩體結(jié)構(gòu)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(yùn)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(guān)鍵，對此斷裂力學(xué)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(chǔ)上，我所還進(jìn)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(xué)在柘溪大頭壩裂縫研究和加固中的應(yīng)用”研究成果獲得了1991年度國家科技進(jìn)步三等獎。2005年我國頒布了水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程［60］，相關(guān)研究也已取得了長足進(jìn)步［61-62］，而我所的前述工作對我國混凝土斷裂力學(xué)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(bào)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(jié)構(gòu)變化，得出了混凝土凍融破壞機(jī)理，即混凝土的凍融損傷破壞過程是一個(gè)物理變化為主的過程，也是一個(gè)微裂紋不斷萌生和擴(kuò)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(jié)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(jié)構(gòu)安全使用壽命為目標(biāo)的混凝土抗凍性定量化設(shè)計(jì)方法及相關(guān)技術(shù)條件。（4）揭示了混凝土在壓力水作用下的滲漏溶蝕機(jī)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(dāng)Ca（OH）2溶出（以CaO計(jì)）達(dá)25%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降36%左右、抗拉強(qiáng)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(jìn)步二等獎。

2010年以來，科海利公司進(jìn)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(dá)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(shù)，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(shù)揭示了混凝土在典型劣化作用下的損傷破壞機(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)（AAR）過程中混凝土內(nèi)部微裂紋結(jié)構(gòu)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(xué)性能、AAR損傷度和膨脹率與微裂紋密度均有很好的相關(guān)關(guān)系［73］。（3）建立了基于全景微結(jié)構(gòu)的混凝土健康狀態(tài)診斷方法和標(biāo)準(zhǔn)。通過對現(xiàn)場芯樣的全景微結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，可獲得微裂紋的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(yīng)用，為業(yè)主評價(jià)混凝土壩的安全提供了科學(xué)依據(jù)。

以上成果提升了我公司混凝土損傷破壞機(jī)理研究的水平，2014年混凝土全景微裂紋定量分析技術(shù)被水利部國科司鑒定為國際領(lǐng)先水平，并被列為2016年國家科技進(jìn)步二等獎“高混凝土壩結(jié)構(gòu)安全關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)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(yīng)用［74］?！傲濉逼陂g，參照國外經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)用。“七五”期間，為滿足國內(nèi)剛剛起步的混凝土面板堆石壩的建設(shè)需求，將上述嵌縫止水材料和改性瀝青填料應(yīng)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(yīng)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(yīng)用中存在的問題，開發(fā)出了GB復(fù)合止水板，以代替表層嵌縫材料上的普通蓋板［77］。同時(shí)，結(jié)合天生橋一級面板壩工程，試驗(yàn)論證了GB復(fù)合銅止水、GB復(fù)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(xué)者針對IGAS嵌縫填料曾進(jìn)行了止水模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)IGAS在水壓力下出現(xiàn)孔洞或開裂漏水，且當(dāng)水從孔洞或裂口流過時(shí)IGAS沒有任何自愈能力，表明以IGAS塑性填料構(gòu)成的表層止水不能發(fā)揮預(yù)期的止水作用［79］。據(jù)此，國外學(xué)者基于無黏性填料的自愈原理，提出了以粉煤灰構(gòu)建表層止水，并在185 m高的墨西哥Aguamilpa面板壩應(yīng)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(dāng)時(shí)沒有可靠止水方法時(shí)降低接縫滲漏的無奈選擇，Aguamilpa壩的初期滲漏量達(dá)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(dāng)時(shí)高面板壩發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)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(shí)提出了GB新型止水結(jié)構(gòu)，研究出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)用，解決了高面板壩接縫止水的關(guān)鍵技術(shù)難題，其中GB系列止水材料及銅止水結(jié)構(gòu)分析成果被鑒定為達(dá)到國際領(lǐng)先水平［81］。

“十五”期間，經(jīng)進(jìn)一步完善的該系列成果被納入了行業(yè)規(guī)范［82-83］。同時(shí)，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(jī)，可以實(shí)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(shí)，且經(jīng)擠出升溫后，可以更好與混凝土基面粘接。該技術(shù)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(shù)，滲漏量小于 30 L/s［85］。

GB系列止水材料技術(shù)目前已在國內(nèi)外許多面板壩中獲得應(yīng)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(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)，相關(guān)業(yè)務(wù)強(qiáng)有力支撐了公司的業(yè)務(wù)發(fā)展，相關(guān)成果已獲得了包括2013年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎在內(nèi)的多項(xiàng)獎勵(lì)。

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(yàn)研究［86-88］，但由于當(dāng)時(shí)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(dǎo)致此類工程建設(shè)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(shè)天荒坪抽水蓄能電站上庫瀝青混凝土面板工程［89］，并承擔(dān)了電力重點(diǎn)項(xiàng)目“碾壓式瀝青混凝土施工技術(shù)”研究［90］，參與了《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5362-2006）的編制，提升了自身的技術(shù)水平。這一時(shí)期，我國尚處于學(xué)習(xí)掌握國外先進(jìn)施工技術(shù)階段。

2004年，河南南谷洞瀝青面板壩進(jìn)行其史上第4次修補(bǔ)加固，我公司中標(biāo)。該壩在1960年建成時(shí)為黏土斜墻堆石壩，1977—1981年第二次加固中增設(shè)了瀝青混凝土防滲面板，但流淌嚴(yán)重，并于1987年進(jìn)行了第三次修補(bǔ)加固。本次修補(bǔ)加固施工是以往科研施工經(jīng)驗(yàn)的深化實(shí)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(shù)等創(chuàng)新成果，并圓滿完成了工程建設(shè)［91］，也為此后以我國自有技術(shù)開展相關(guān)工程建設(shè)提供了一個(gè)成功范例。

憑借南谷洞工程項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，2006—2007年我公司中標(biāo)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(shè)的張河灣、西龍池工程均由日本大成公司中標(biāo)施工，寶泉就成為國內(nèi)第一個(gè)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(yàn)基礎(chǔ)上，我公司在工程實(shí)施中完成了德國攤鋪機(jī)斜坡改造，開發(fā)出了牽引設(shè)備和喂料車、冷縫處理設(shè)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(shè)計(jì)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(shù)成果。寶泉工程的成功建設(shè)，提升了國內(nèi)自有技術(shù)水平［92］。以這些工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，出版了《水工瀝青混凝土防滲技術(shù)》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(shù)論證試驗(yàn)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(guān)鍵是能否開發(fā)出設(shè)計(jì)凍斷溫度為-45℃的改性瀝青。對此，我公司采用母體法及時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)踐，為我國未來寒冷地區(qū)瀝青混凝土面板工程建設(shè)，提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)［95-96］。前述技術(shù)成果也獲得了包括2015年度水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)特等獎在內(nèi)的多項(xiàng)獎勵(lì)。

7 結(jié)構(gòu)檢測與安全評估

1980年代，我所就開始關(guān)注水工混凝土建筑物的老化病害問題，并完成了自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)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(shù)研究與工程應(yīng)用［98］，取得的主要成果如下：（1）形成了基于沖擊彈性波的結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)，主要包括基于敲擊振源的沖擊彈性波CT技術(shù)、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(shù)、穩(wěn)態(tài)和變幅穩(wěn)態(tài)表面波技術(shù)、沖擊回波檢測內(nèi)部缺陷技術(shù)、沖擊彈性波測試混凝土試件彈性波波速技術(shù)，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(xué)技術(shù)二等獎。（2）大壩滲漏檢測技術(shù)的研發(fā)，采用瞬變電磁法、探地雷達(dá)、高密度電法等方法實(shí)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(jié)構(gòu)老化病害狀況的檢測技術(shù)，采用回彈、超聲回彈法，結(jié)合鉆孔取芯法，實(shí)現(xiàn)對混凝土強(qiáng)度的檢測；采用超聲波、穩(wěn)態(tài)表面波等方法實(shí)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(dá)的檢測技術(shù)，通過對探地雷達(dá)檢測技術(shù)的開發(fā)和功能拓展，實(shí)現(xiàn)了隧洞混凝土襯砌、閘底板等結(jié)構(gòu)的厚度、配筋情況及襯砌（底板）與圍巖（基礎(chǔ)）接觸狀態(tài)的檢測，為隧洞和水閘等工程施工質(zhì)量評價(jià)和隧洞安全的評估提供依據(jù)［103］。

目前水工混凝土結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)狀況不一致時(shí)的新建工程［105］。將缺陷檢測結(jié)果納入結(jié)構(gòu)安全評估分析是當(dāng)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(xué)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(yīng)用［106-107］。2002年，科海利公司首次將其引入水利水電工程領(lǐng)域，針對工程特點(diǎn)，進(jìn)行了防滲、抗沖磨和耐久性等一系列試驗(yàn)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(yīng)用。但是，雙組分噴涂聚脲需采用專門的噴涂設(shè)備，施工中常見雙組分混合不均勻、成型涂層與基礎(chǔ)混凝土粘接強(qiáng)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(bǔ)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(yàn)，完成了其分子設(shè)計(jì)與配方設(shè)計(jì)，對物理力學(xué)性能及耐久性進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)。工程應(yīng)用實(shí)踐表明，SK單組分聚脲不需要現(xiàn)場混合，涂層均勻，與基礎(chǔ)混凝土粘接強(qiáng)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(hù)［111］。同時(shí)，根據(jù)應(yīng)用條件，還將該產(chǎn)品細(xì)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(yán)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(jié)，同時(shí)建立了相應(yīng)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(yīng)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(fù)［112］，取得了良好效果。

目前，SK單組分聚脲已成功應(yīng)用于混凝土表面防滲、抗凍融及耐久性防護(hù)、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(hù)、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(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》，由我公司主編的相關(guān)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實(shí)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(yīng)用范圍迅速擴(kuò)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(bǔ)防護(hù)中的應(yīng)用研究，并于1964年在新安江水電站廠房頂溢流面（3860 m2）進(jìn)行了環(huán)氧抗沖磨防護(hù)［117-118］。此外，在青銅峽電站壩面不平整及進(jìn)水口門槽等處缺陷處理、新豐江電站廠房屋頂混凝土預(yù)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(yàn)采用了環(huán)氧砂漿修補(bǔ)［119］。針對環(huán)氧砂漿的脆性及在新安江應(yīng)用中出現(xiàn)的開裂、脫空、脫落問題［120］，我所進(jìn)一步進(jìn)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(bǔ)防護(hù)中得到應(yīng)用［121］。基于這些科研和工程實(shí)踐，主編了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［122］。

近十年來，我公司在以往工作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展了環(huán)氧修補(bǔ)材料開裂破壞機(jī)理的系統(tǒng)性應(yīng)用基礎(chǔ)研究［123-124］，開發(fā)了用于混凝土襯砌防護(hù)的YEC環(huán)氧防護(hù)涂層材料［125］，并成功用于南水北調(diào)工程、引大濟(jì)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(xiàng)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(yīng)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(gè)方向進(jìn)行深化科學(xué)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(fù)合外加劑，從宏觀和微觀兩個(gè)維度研究復(fù)雜環(huán)境下混凝土耐久性的劣化機(jī)理和耐久性提升技術(shù)。（2）在結(jié)構(gòu)安全評估中，注重對老化缺陷水工結(jié)構(gòu)真實(shí)性態(tài)的模擬，繼承和發(fā)展原有技術(shù)成就，使結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)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(jié)構(gòu)量化分析技術(shù)直接應(yīng)用于大壩混凝土，同時(shí)將開發(fā)反映材料真實(shí)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(yīng)對技術(shù)繼續(xù)攻關(guān)，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(yùn)行提供技術(shù)支撐。（5）研發(fā)酸性骨料瀝青混凝土防滲技術(shù)，以及瀝青面板老化病害機(jī)理及修補(bǔ)加固技術(shù)。（6）聚焦在水工建筑物的防護(hù)和缺陷修補(bǔ)上，研發(fā)適應(yīng)極端環(huán)境下（如嚴(yán)寒、強(qiáng)紫外線、推移質(zhì)沖蝕、水下等）的防護(hù)修補(bǔ)材料。