气候变化对水工程的影响及应对措施

张建云, 陆采荣, 王国庆, 等. 气候变化对水工程的影响及应对措施 [J]. 气候变化研究进展, 2015, 11 (5): 301-307 编者按： 水工混凝土作为水利工程建设的大宗建筑材料，自施工浇筑起将经历一个由塑性、塑弹性、弹塑性阶段转变的水化硬化复杂过程，在上述过程中温湿度是重要的环境要素之一，因而水利工程对气候变化较为敏感。本专栏邀请了水利部从事应对气候变化和水工材料研究方面的专家，分别从气候变化对水工程影响、冻融与水工混凝土耐久性、长历时高温干旱与水工混凝土建筑物、极端低温与水泥基材料性能等四个方面，研究了气候变化条件下水工混凝土力学、变形、耐久等性能的变化规律；从提高水利工程水工材料性能角度，以及规划、预案、监测预报等非工程措施角度，提出了相应的适应性对策。 引 言 气候变化已成为全球性的环境问题，已经并将继续对水资源、生态和社会产生重要的影响[1-2]。水资源是受气候变化影响最直接的领域之一[3]，在全球气候变暖背景下，全球22%的大河的径流量显著减小[4]，中国北方的主要河流实测径流量近10年较前期锐减30%以上[5]，欧洲主要河流在1981—2000年最大流量发生频率明显高于1961—1980年[6]。河川径流量及洪水极端事件的变化给区域水资源利用带来严峻挑战。水利工程是实现水资源优化配置、防洪抗旱减灾的重要措施，目前中国建有9.8万多座水库工程，在保障水资源供给、区域防洪和应对气候变化等方面发挥了重要作用[7-8]。全球气候变化将导致极端天气和气候事件频发[1], 水工混凝土作为水利工程建设最主要的建筑材料之一，其对低温、干旱、寒潮等气候条件较为敏感与脆弱[9]，气候变化也将对水利工程的运行调度及自身安全造成直接的影响，本文对过去已观测到的部分低温冻害、寒潮和干旱引起的水库大坝、渡槽、闸墩等水工建筑物混凝土的病害进行了总结分析；结合未来气候变化的可能趋势，初步分析气候变化特别是极端气候对水利工程材料的影响，并从改善水工材料性能的角度提出了保障水利工程安全的应对措施，分析了在水利工程建设、城市防护、水资源安全等领域可采取的减缓适应对策。 1 观测到的气候条件对水利工程的影响 1.1 低温冻害对水利工程的影响 低温冻害多发生在我国气候寒冷的三北地区，该类地区的年冰冻期较长，且气温较低。水库大坝作为主要民生水利工程之一，在三北地区分布较多，其服役环境长期与水接触，是低温冻害的易发区。我国辽宁省辽阳市境内某水库大坝，年冰冻期为120～150 d，1996年以来，大坝溢流面发生了大面积冻融破坏，1998年有关部门对大坝溢流面采用钻孔取芯、回弹强度测试等方法进行了冻害调查[10]，结果表明，冻害发生区占整个溢流面面积的65%，其中冻害最严重的钢筋外露区域约占14%、粒径40 mm的粗骨料外露区域占31%、粒径20 mm的小石外露区域占21%。在钢筋外露区域的平均受冻深度约30 cm、最深处达到55 cm，粒径40 mm大石外露区域的平均受冻深度为26 cm, 粒径20 mm的小石外露区域的平均受冻深度约11 cm，溢流面未明显破坏区域的平均受冻深度为1 cm。 我国东北境内的另一座水库大坝，坝址区位于鸭绿江上，最低月平均气温-12.8℃，最低气温为-38.3℃，按照SL 211—2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》[11]中的气候分区原则，属严寒区。根据有关部门调查[12]，溢流面普遍存在破损现象，破损深度在10 cm以上的部位有200多处，总面积达 m2，该水库大坝的冻融破坏为逐年发展形成，冻融破坏平均深度为15 cm，有关部门在坝内钻孔取出17个混凝土芯样进行抗冻试验，结果表明50%以上的芯样在75次冻融循环后就发生破坏。 近年来，由于气候变暖引发极端低温等极端事件频发，我国南方地区水利工程也受到了低温冻害的影响。2008年初我国南方地区就遭遇了罕见的低温、雨雪和冰冻灾害，对水利行业的民生工程造成了重大破坏，根据公开报道进行的不完全统计，这次低温灾害中，仅湖南、贵州、四川、广西、湖北、重庆的水利行业工程直接经济损失就达58.7亿元，占民政部公布的全国直接经济损失的5.3%[13]。 1.2 寒潮对水利工程的影响 我国北方是寒潮频发的地区，其中内蒙古中部和新疆北部地区年均发生寒潮8次以上，即使在我国东部的长江流域到华南一带，年均寒潮发生频次也约3次[14]。寒潮事件对水利工程的影响主要表现在薄壁结构混凝土和复杂应力混凝土结构的开裂，大型调水工程常采用的渡槽就是典型的薄壁结构与复杂应力结构的组合体，易受突发寒潮事件冲击的影响，若调水输水链接上任何一段渡槽发生开裂、渗透等安全问题，都将影响整个调水工程的运行。某渡槽位于我国华北地区，该地区多年平均气温12.3℃，最低月平均气温-4.3℃，每年冬春季节平均寒潮3次左右。2006年3—4月间该地区遭受寒潮袭击，降温幅度为12～20℃，根据现场实测，该渡槽在遭受寒潮袭击后，由于混凝土内外温差的作用，在槽身底部梁上出现了较多的表面裂缝。另外，在槽身侧壁上也出现了较多的纵向裂缝，经槽身钻芯取样检查，槽身侧壁裂缝深度约5 cm，裂缝深度没有超过钢筋保护层深度，仍属表面裂缝。 除了渡槽以外，其他结构形式的水利工程也会受到寒潮事件的影响。某大坝为混凝土空腹重力坝，全长153 m，最大坝高67.5 m，坝址区位于江西省，大坝由10个坝段组成，中间5个为溢流坝段，闸墩位于溢流坝段内，在溢流孔闸墩两侧母线洞、通风洞附近均出现了一条或数条形式的斜裂缝，裂缝位置基本在4个闸墩的同一部位。经计算分析[15]，坝体遭受寒潮袭击是这些裂缝产生的重要原因。该坝体遭受猛烈寒潮袭击时，两天内气温降低21.4℃，受温度骤降影响，闸墩等混凝土薄壁结构出现较大的拉应力，其中闸墩溢流面附近混凝土拉应力达3.0 MPa，而此时的混凝土抗拉强度仅0.7 MPa，导致闸墩上裂缝的产生。 1.3 干旱对水利工程的影响 干旱气候加快了混凝土水分散失的速度，导致混凝土湿度条件出现较大的变化，进而使混凝土发生干缩变形，当变形受到约束时，混凝土将产生不均匀的干缩应力，直接导致混凝土表面的开裂或使已有表面裂缝扩展。近些年来，在我国一些流域的工程中发现了温度和干缩裂缝，其中以闸墩和地涵墩墙侧面的垂直裂缝居多。此类裂缝发生的特点如下：在墙长25～30 m的分缝间距范围内，裂缝条数一般为3～5条，裂缝宽度一般为0.2～0.4 mm，较严重的情况是在29 m的分缝间距内，裂缝多达10多条，而且更多地显示出干缩裂缝的特征[16]。如果是发生在结构重要部分的严重开裂现象，则将直接影响到结构的安全性和防渗的稳定性；而浅表层的裂缝如果逐渐发展，也有可能造成钢筋的锈蚀，从而影响到结构的耐久性。 由于渡槽等水工薄壁结构混凝土的表面积与体积比要比大坝等大体积混凝土大，因此此类水利工程的水分散发速度和散发量相对更大，干缩变形也会更突出。某渡槽工程在2006年5—9月高温季节浇筑的II标段12跨槽身共发现裂缝83条，每跨槽身平均7条。裂缝分布在20 m跨的4跨中有44条，在主梁有11条，次梁有14条，侧墙有19条；30 m跨的8跨中有39条，裂缝的长度在0.5～3.0 m之间，宽度在0.02～0.2 mm之间，深度在1～4.7 cm之间。从裂缝的形式与特征分析，裂缝较细且与混凝土内部水分散失有关，属气候干旱引起的干缩裂缝[17]。 2 未来气候变化的可能影响及应对措施 2.1 未来气候变化趋势及可能的影响 根据IPCC第五次评估报告[1]，未来全球平均地表温度将持续升高，与基准期1986—2005年相比，预计2016—2035年全球平均地表温度将升高0.3～0.7℃，到21世纪末将升高0.3～4.8℃（图1）。21世纪中国气候将继续明显变暖，预估到21世纪末年平均气温将比1980—1999年升高2.5～4.6℃[18]。 图1 全球平均气温的变化趋势（与1986—2005年相比）[1]Fig. 1 Variation of trend of global surface temperature relative to 1986-2005[1] 温度升高可能会缓解极端低温冻害的发生程度，但温度升高也将对我国水利工程混凝土结构物受冻融破坏作用程度的区域划分产生明显影响，在局部地区增加水工混凝土结构物每年经受的冻融循环次数，从而影响水工混凝土结构物冻融破坏[9]。根据近百年资料和分辨率较高的区域气候模式对极端天气事件进行的分析和模拟表明，最低气温在黄河以北和长江以南的增加更显著，而中国干旱区的面积也可能会扩大，干旱强度加剧[19]。另外，20世纪50～60年代期间我国寒潮灾害发生频繁，虽然20世纪90年代以来全球变暖加剧，但在我国剧烈降温的寒潮灾害却仍时有发生[20]。在气候变暖背景下，尽管长历时干旱情势可能进一步加剧，但极端低温寒潮事件并非不会发生。如前所述，干旱及低温都将直接影响水工混凝土建筑物的安全，使得水工程材料的强度和冻融寿命明显降低。因此，未来水利工程应对气候变化都必须充分考虑适应低温冷冻和长历时干旱等多种可能的极端情况，寻求有效的应对措施，以保障工程的运行安全。 2.2 冻融破坏应对工程措施 位于我国西南地区的某水利工程，是以发电为主的一等大型工程。枢纽主要建筑物由拦河坝和右岸地下引水发电系统两大部分组成，电站总装机容量2160 MW。主坝采用碾压混凝土重力坝，最大坝高140 m，主体工程混凝土量约283万m3，其中碾压混凝土量约153万m3。该水电站地处我国西南气候温和地区，大坝内部采用三级配碾压混凝土，抗冻设计等级F50，由于该地区缺乏粉煤灰资源，在项目可行性研究试验阶段，确定大坝各部位混凝土采用磷渣粉与石粉混掺的新型PL掺合料方案。 结合气候温和地区冻融循环与水工混凝土寿命关系的相关研究成果，提出了采用控制含气量、水胶比、掺合料掺量等综合措施，进行了大坝内部混凝土配合比的优化设计研究，对不同高程处大坝内部混凝土的4组推荐配合比的力学、抗冻等性能按现行-17℃低温进行了冻融试验，结果表明推荐的配合比抗冻性能满足F50的设计要求，强度等力学性能指标也符合设计要求。 根据该地区可能出现的低温情况，对4组推荐配合比混凝土又在-5℃进行了冻融试验，结果表明，在-5℃温度条件下上述配合比实际能达到的冻融循环次数在200次以上，两次不同中心温度冻融试验结果对比分析表明，电站大坝内部混凝土抗冻性能富余较多，综合考虑西南水电开发粉煤灰掺合料供需紧张的现状，采用新型掺合料技术，可有效节省单方混凝土中的水泥用量，间接减排温室气体。因此，项目采用了PL新型掺合料技术的大坝内部碾压混凝土方案，为工程业主与施工方确定大坝内部混凝土施工配合比提供了有效支撑。 2.3 低温冻害应对工程措施 位于我国东北境内的某抽水蓄能电站，为大(1)型一等工程，规划装机容量1400 MW，装机4台。枢纽工程主要建筑物由上水库、水道系统、地下厂房及开关站、下水库等部分组成。工程所在区域地势四周高，中部低，境内平均海拔高度为756 m，年平均气温2.9℃，最冷月平均气温-17.4℃，极端最低气温-40℃，按照SL 211—2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》中的气候分区原则，属严寒区。 该电站水道、水位变动区域混凝土为冻害易发部位，在可研阶段设计部门提出水道和水位变动区混凝土抗冻设计等级F400。结合工程所处地可能达到的最低温度条件，采用比现行规范更严格的冻融试验方法，对该电站水道、水位变动区混凝土配合比进行了优化设计，旨在达到F400抗冻设计水平，提高混凝土抗冻性能。 在对电站周围区域的可用矿物掺合料调研、比选的基础上，提出了采用I级优质粉煤灰的掺合料方案，比选了不同粉煤灰掺量、不同水胶比的混凝土技术方案，并采用优质引气剂，控制混凝土含气量5%～6%，以上措施旨在提高混凝土应对极端低温冻融的能力。配合比优化设计过程中不同粉煤灰掺量、不同水胶比方案水工混凝土的冻融试验结果如表1所示。通过采用优选粉煤灰及其掺量、控制水胶比、优质引气剂引气等极端低温冻融应对措施，提出的水道坝工水位变化区高抗冻混凝土推荐配合比的抗冻性能满足了F400的高抗冻设计要求，有效保障了该抽水蓄能电站水道坝工、水位变动区混凝土应对极端低温的性能。 表1 水工混凝土的冻融试验结果Table 1 Freezing and thawing test results of hydraulic concrete相对动弹性模量/%编号 粉煤灰掺量/%水胶比质量损失率/% 100次抗冻等级200次 300次 400次 100次 200次 300次 400次BGF001 BGF002 BGF003 BGF151 BGF152 BGF153 BGF251 BGF252 BGF253 0001 5 15 15 25 25 25 0.38 0.39 0.40 0.38 0.39 0.40 0.38 0.39 0.40 0 0 0 0 00 0 0 0 00000 0.2 0 0.3 0.1 0.2 0.1 0.3 0 0.2 0.4 0 0.4 0.7 0.5 0.6 0.9 0.7 0.7 1.1 0.8 0.9 1.4 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 98.4 100 99.1 97.6 100 100 96.8 99.4 96.1 95.5 96.9 95.4 92.2 96.6 94.4 91.7 92.1 91.3 90.1 91.9 90.6 88.8 90.3 88.6 85.7＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400 另外，在低温冻害应对方面，可在水工混凝土内引入大量微小稳定的封闭气泡，并对引气后的混凝土气泡参数进行优化；在使用粉煤灰作为水工混凝土掺合料时，高抗冻设计水利工程宜选用优质粉煤灰，并应控制掺量；通过优选混凝土原材料、优化配合比设计等方式来改善水工混凝土的孔结构性能，提高混凝土的密实性。 而对于急速降温的寒潮等极端事件，可采取在水利工程表面覆盖保温材料的防护措施来应对，对处于施工期的水利工程，可以采用表面蓄热养护的方式来应对寒潮降温，减少水利工程内部温降应力的产生，避免表面裂缝。 2.4 干旱应对工程措施 位于华北干旱易发区某大型穿越黄河调水工程，主要由出湖闸、南干渠、埋管进口检修闸、南岸滩地埋管、穿黄隧洞、穿引黄渠埋涵、出口闸及连接明渠等建筑物组成，全长7.87 km，为一等工程，其主要建筑物为1级建筑物，地震设计烈度为7级。该穿黄工程的主要任务是将调引的长江水从黄河南岸输送至北岸，向黄河以北地区供水，满足第一期工程供水目标，工程设计年输水量为4.42亿m3。 根据工程所处地区的干旱气候条件，采用42.5级普通硅酸盐水泥、粉煤灰、人工砂、5～31.5 mm人工碎石、外加剂等工程原材料，对该穿黄工程南干渠衬砌高性能高抗裂混凝土的配合比进行了优化，并现场指导南区混凝土拌和站南干渠衬砌高性能高抗裂混凝土的拌制和质量控制，提高混凝土应对持续干旱的能力，降低开裂风险。 结合现场实际风速、温度、湿度等情况，经现场试拌调整后，采用研制的可控风速温湿度的混凝土开裂试验装置及气候敏感性评价方法对拟采用的施工配合比的抗裂性能进行验证，结果表明，拟采用的施工配合比具有较高的应对干旱气候的能力，抗裂性能优良，由此确定了最后的施工配合比。通过对穿黄工程15万m3混凝土的配合比优化设计，改善了混凝土质量与抗裂性能，质量稳定，提高了混凝土应对干旱气候的能力，为工程节约水泥约7500 t，降低了成本，产生直接经济效益约2205万元，取得了显著的技术经济效益。 在干旱事件应对方面，首先是提升水利工程材料自身性能，优选气候敏感因子低的高抗裂水工混凝土，并加强对水利工程施工期混凝土的养护工作；其次，从材料防护角度考虑，可以从内部供水、外部防止水分散失两个方面进行防护，对于已建水利工程而言，在长历时高温干旱气候条件下，可在其表面涂刷养护剂，既对混凝土进行养护，提高相关性能以应对干旱，还可有效防止水工混凝土内部水分散失，减少水工建筑物的干缩变形；最后，对于干旱条件下，已发生裂缝的水利工程，可通过化学灌浆或特种灌浆方法进行及时处理，以防止因长历时高温干旱的继续发展导致水利工程的干裂损伤进一步加深。 2.5 非工程应对措施 未来气温上升速率在我国东北、西部和华北地区较大，南方较小，冬季升温速率要大于夏季，多数地区特别是华北地区夏季高温日数可能将有明显增加;中国未来50年年降水量可能呈现波动性非显著增加趋势，区域性强降水日数可能增多; 2021—2030年西北地区降水可能继续增加，华北地区降水可能进入正常到偏多时段，东部大雨和暴雨日数可能增多，降水强度特别是大雨和暴雨的降水强度可能增大[9]。在全球变暖的背景下，未来30年全国平均受旱率总体呈现增加趋势，但在空间分布上存在差异。总体而言，辽河区、黄河中下游区和长江上游区未来干旱情势可能趋于严重，松花江区和淮河区未来干旱情势趋于缓和，海河区、黄河上游区、长江中下游区和珠江区的未来旱情趋势变化不明显[21]。 针对我国未来气温、降水、干旱等要素的发展趋势，在防洪安全方面，应全面实施全国防洪规划，尽快完成主要江河规划的防洪工程建设，提高江河洪水调控能力，在此基础上，密切关注洪涝灾害的变化，及时修订防洪工程规划；针对极端暴雨洪涝和强台风事件的增加增强，应加强社会应急管理，制定和完善应急预案。在沿海堤防工程设计中需要同时考虑海平面变化和风暴潮的共同增水作用，未来需要根据海平面上升预测结果合理规划沿海防潮标准，增加防潮设施的投入。在水资源安全方面，应根据气候变化背景下我国2030年和2050年水资源情势和工程供水能力，适时修订全国水资源综合规划和水利工程建设规划，科学确定国家水资源配置、保护和开发利用方案。针对干旱范围和强度呈增加趋势的问题，加强大范围干旱的监测和预测分析，应用遥感技术分析大范围土壤墒情、作物缺水量，辅以流域水文模型，模拟土壤含水量和江河径流量，准确分析流域旱情，进行水利工程的科学调度，确保流域水资源供给安全。 3 结 语 本文首先从水工混凝土材料角度，针对混凝土“热胀冷缩、湿胀干缩”的性能特点，结合低温、寒潮和干旱等3个气候条件，对气候变化条件下已观测到的水利工程影响事实进行了系统总结，并采用工程实例的方式，从工程设计、施工阶段可采用的工程措施角度出发，对水利工程应对气候变化可采取的应对措施进行了科学分析。在此基础上，结合我国未来30～50年气温、降水量、干旱等气候条件的发展趋势，从规划修订、预案制订、监测预报等非工程措施角度，分析了在防洪安全、水资源安全等领域可采取的减缓适应对策。 影响水工程安全的气候条件远不止本文提及的低温、寒潮、干旱等3类，温室气体浓度增加导致的混凝土碳化问题、酸雨侵蚀问题，海平面上升、海水倒灌导致的地下水盐离子浓度增加、土壤盐渍化侵蚀，以及沿海水工钢筋混凝土建筑物的腐蚀破坏、受海水腐蚀的区域划分线向内陆推进等问题，均会对水工程安全运行产生影响。从目前已掌握到的相关资料来看，气候变化已经对水工程产生了影响，严重的甚至已经影响到水工程的安全性。因此，应加强气候变化对水工程安全影响的科学评估、减缓影响和适应性对策方面的研究工作，确保水工程安全运行。 张建云, 陆采荣, 王国庆, 等. 气候变化对水工程的影响及应对措施 [J]. 气候变化研究进展, 2015, 11 (5): 301-307 编者按： 水工混凝土作为水利工程建设的大宗建筑材料，自施工浇筑起将经历一个由塑性、塑弹性、弹塑性阶段转变的水化硬化复杂过程，在上述过程中温湿度是重要的环境要素之一，因而水利工程对气候变化较为敏感。本专栏邀请了水利部从事应对气候变化和水工材料研究方面的专家，分别从气候变化对水工程影响、冻融与水工混凝土耐久性、长历时高温干旱与水工混凝土建筑物、极端低温与水泥基材料性能等四个方面，研究了气候变化条件下水工混凝土力学、变形、耐久等性能的变化规律；从提高水利工程水工材料性能角度，以及规划、预案、监测预报等非工程措施角度，提出了相应的适应性对策。 引 言 气候变化已成为全球性的环境问题，已经并将继续对水资源、生态和社会产生重要的影响[1-2]。水资源是受气候变化影响最直接的领域之一[3]，在全球气候变暖背景下，全球22%的大河的径流量显著减小[4]，中国北方的主要河流实测径流量近10年较前期锐减30%以上[5]，欧洲主要河流在1981—2000年最大流量发生频率明显高于1961—1980年[6]。河川径流量及洪水极端事件的变化给区域水资源利用带来严峻挑战。水利工程是实现水资源优化配置、防洪抗旱减灾的重要措施，目前中国建有9.8万多座水库工程，在保障水资源供给、区域防洪和应对气候变化等方面发挥了重要作用[7-8]。全球气候变化将导致极端天气和气候事件频发[1], 水工混凝土作为水利工程建设最主要的建筑材料之一，其对低温、干旱、寒潮等气候条件较为敏感与脆弱[9]，气候变化也将对水利工程的运行调度及自身安全造成直接的影响，本文对过去已观测到的部分低温冻害、寒潮和干旱引起的水库大坝、渡槽、闸墩等水工建筑物混凝土的病害进行了总结分析；结合未来气候变化的可能趋势，初步分析气候变化特别是极端气候对水利工程材料的影响，并从改善水工材料性能的角度提出了保障水利工程安全的应对措施，分析了在水利工程建设、城市防护、水资源安全等领域可采取的减缓适应对策。 1 观测到的气候条件对水利工程的影响 1.1 低温冻害对水利工程的影响 低温冻害多发生在我国气候寒冷的三北地区，该类地区的年冰冻期较长，且气温较低。水库大坝作为主要民生水利工程之一，在三北地区分布较多，其服役环境长期与水接触，是低温冻害的易发区。我国辽宁省辽阳市境内某水库大坝，年冰冻期为120～150 d，1996年以来，大坝溢流面发生了大面积冻融破坏，1998年有关部门对大坝溢流面采用钻孔取芯、回弹强度测试等方法进行了冻害调查[10]，结果表明，冻害发生区占整个溢流面面积的65%，其中冻害最严重的钢筋外露区域约占14%、粒径40 mm的粗骨料外露区域占31%、粒径20 mm的小石外露区域占21%。在钢筋外露区域的平均受冻深度约30 cm、最深处达到55 cm，粒径40 mm大石外露区域的平均受冻深度为26 cm, 粒径20 mm的小石外露区域的平均受冻深度约11 cm，溢流面未明显破坏区域的平均受冻深度为1 cm。 我国东北境内的另一座水库大坝，坝址区位于鸭绿江上，最低月平均气温-12.8℃，最低气温为-38.3℃，按照SL 211—2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》[11]中的气候分区原则，属严寒区。根据有关部门调查[12]，溢流面普遍存在破损现象，破损深度在10 cm以上的部位有200多处，总面积达 m2，该水库大坝的冻融破坏为逐年发展形成，冻融破坏平均深度为15 cm，有关部门在坝内钻孔取出17个混凝土芯样进行抗冻试验，结果表明50%以上的芯样在75次冻融循环后就发生破坏。 近年来，由于气候变暖引发极端低温等极端事件频发，我国南方地区水利工程也受到了低温冻害的影响。2008年初我国南方地区就遭遇了罕见的低温、雨雪和冰冻灾害，对水利行业的民生工程造成了重大破坏，根据公开报道进行的不完全统计，这次低温灾害中，仅湖南、贵州、四川、广西、湖北、重庆的水利行业工程直接经济损失就达58.7亿元，占民政部公布的全国直接经济损失的5.3%[13]。 1.2 寒潮对水利工程的影响 我国北方是寒潮频发的地区，其中内蒙古中部和新疆北部地区年均发生寒潮8次以上，即使在我国东部的长江流域到华南一带，年均寒潮发生频次也约3次[14]。寒潮事件对水利工程的影响主要表现在薄壁结构混凝土和复杂应力混凝土结构的开裂，大型调水工程常采用的渡槽就是典型的薄壁结构与复杂应力结构的组合体，易受突发寒潮事件冲击的影响，若调水输水链接上任何一段渡槽发生开裂、渗透等安全问题，都将影响整个调水工程的运行。某渡槽位于我国华北地区，该地区多年平均气温12.3℃，最低月平均气温-4.3℃，每年冬春季节平均寒潮3次左右。2006年3—4月间该地区遭受寒潮袭击，降温幅度为12～20℃，根据现场实测，该渡槽在遭受寒潮袭击后，由于混凝土内外温差的作用，在槽身底部梁上出现了较多的表面裂缝。另外，在槽身侧壁上也出现了较多的纵向裂缝，经槽身钻芯取样检查，槽身侧壁裂缝深度约5 cm，裂缝深度没有超过钢筋保护层深度，仍属表面裂缝。 除了渡槽以外，其他结构形式的水利工程也会受到寒潮事件的影响。某大坝为混凝土空腹重力坝，全长153 m，最大坝高67.5 m，坝址区位于江西省，大坝由10个坝段组成，中间5个为溢流坝段，闸墩位于溢流坝段内，在溢流孔闸墩两侧母线洞、通风洞附近均出现了一条或数条形式的斜裂缝，裂缝位置基本在4个闸墩的同一部位。经计算分析[15]，坝体遭受寒潮袭击是这些裂缝产生的重要原因。该坝体遭受猛烈寒潮袭击时，两天内气温降低21.4℃，受温度骤降影响，闸墩等混凝土薄壁结构出现较大的拉应力，其中闸墩溢流面附近混凝土拉应力达3.0 MPa，而此时的混凝土抗拉强度仅0.7 MPa，导致闸墩上裂缝的产生。 1.3 干旱对水利工程的影响 干旱气候加快了混凝土水分散失的速度，导致混凝土湿度条件出现较大的变化，进而使混凝土发生干缩变形，当变形受到约束时，混凝土将产生不均匀的干缩应力，直接导致混凝土表面的开裂或使已有表面裂缝扩展。近些年来，在我国一些流域的工程中发现了温度和干缩裂缝，其中以闸墩和地涵墩墙侧面的垂直裂缝居多。此类裂缝发生的特点如下：在墙长25～30 m的分缝间距范围内，裂缝条数一般为3～5条，裂缝宽度一般为0.2～0.4 mm，较严重的情况是在29 m的分缝间距内，裂缝多达10多条，而且更多地显示出干缩裂缝的特征[16]。如果是发生在结构重要部分的严重开裂现象，则将直接影响到结构的安全性和防渗的稳定性；而浅表层的裂缝如果逐渐发展，也有可能造成钢筋的锈蚀，从而影响到结构的耐久性。 由于渡槽等水工薄壁结构混凝土的表面积与体积比要比大坝等大体积混凝土大，因此此类水利工程的水分散发速度和散发量相对更大，干缩变形也会更突出。某渡槽工程在2006年5—9月高温季节浇筑的II标段12跨槽身共发现裂缝83条，每跨槽身平均7条。裂缝分布在20 m跨的4跨中有44条，在主梁有11条，次梁有14条，侧墙有19条；30 m跨的8跨中有39条，裂缝的长度在0.5～3.0 m之间，宽度在0.02～0.2 mm之间，深度在1～4.7 cm之间。从裂缝的形式与特征分析，裂缝较细且与混凝土内部水分散失有关，属气候干旱引起的干缩裂缝[17]。 2 未来气候变化的可能影响及应对措施 2.1 未来气候变化趋势及可能的影响 根据IPCC第五次评估报告[1]，未来全球平均地表温度将持续升高，与基准期1986—2005年相比，预计2016—2035年全球平均地表温度将升高0.3～0.7℃，到21世纪末将升高0.3～4.8℃（图1）。21世纪中国气候将继续明显变暖，预估到21世纪末年平均气温将比1980—1999年升高2.5～4.6℃[18]。 图1 全球平均气温的变化趋势（与1986—2005年相比）[1]Fig. 1 Variation of trend of global surface temperature relative to 1986-2005[1] 温度升高可能会缓解极端低温冻害的发生程度，但温度升高也将对我国水利工程混凝土结构物受冻融破坏作用程度的区域划分产生明显影响，在局部地区增加水工混凝土结构物每年经受的冻融循环次数，从而影响水工混凝土结构物冻融破坏[9]。根据近百年资料和分辨率较高的区域气候模式对极端天气事件进行的分析和模拟表明，最低气温在黄河以北和长江以南的增加更显著，而中国干旱区的面积也可能会扩大，干旱强度加剧[19]。另外，20世纪50～60年代期间我国寒潮灾害发生频繁，虽然20世纪90年代以来全球变暖加剧，但在我国剧烈降温的寒潮灾害却仍时有发生[20]。在气候变暖背景下，尽管长历时干旱情势可能进一步加剧，但极端低温寒潮事件并非不会发生。如前所述，干旱及低温都将直接影响水工混凝土建筑物的安全，使得水工程材料的强度和冻融寿命明显降低。因此，未来水利工程应对气候变化都必须充分考虑适应低温冷冻和长历时干旱等多种可能的极端情况，寻求有效的应对措施，以保障工程的运行安全。 2.2 冻融破坏应对工程措施 位于我国西南地区的某水利工程，是以发电为主的一等大型工程。枢纽主要建筑物由拦河坝和右岸地下引水发电系统两大部分组成，电站总装机容量2160 MW。主坝采用碾压混凝土重力坝，最大坝高140 m，主体工程混凝土量约283万m3，其中碾压混凝土量约153万m3。该水电站地处我国西南气候温和地区，大坝内部采用三级配碾压混凝土，抗冻设计等级F50，由于该地区缺乏粉煤灰资源，在项目可行性研究试验阶段，确定大坝各部位混凝土采用磷渣粉与石粉混掺的新型PL掺合料方案。 结合气候温和地区冻融循环与水工混凝土寿命关系的相关研究成果，提出了采用控制含气量、水胶比、掺合料掺量等综合措施，进行了大坝内部混凝土配合比的优化设计研究，对不同高程处大坝内部混凝土的4组推荐配合比的力学、抗冻等性能按现行-17℃低温进行了冻融试验，结果表明推荐的配合比抗冻性能满足F50的设计要求，强度等力学性能指标也符合设计要求。 根据该地区可能出现的低温情况，对4组推荐配合比混凝土又在-5℃进行了冻融试验，结果表明，在-5℃温度条件下上述配合比实际能达到的冻融循环次数在200次以上，两次不同中心温度冻融试验结果对比分析表明，电站大坝内部混凝土抗冻性能富余较多，综合考虑西南水电开发粉煤灰掺合料供需紧张的现状，采用新型掺合料技术，可有效节省单方混凝土中的水泥用量，间接减排温室气体。因此，项目采用了PL新型掺合料技术的大坝内部碾压混凝土方案，为工程业主与施工方确定大坝内部混凝土施工配合比提供了有效支撑。 2.3 低温冻害应对工程措施 位于我国东北境内的某抽水蓄能电站，为大(1)型一等工程，规划装机容量1400 MW，装机4台。枢纽工程主要建筑物由上水库、水道系统、地下厂房及开关站、下水库等部分组成。工程所在区域地势四周高，中部低，境内平均海拔高度为756 m，年平均气温2.9℃，最冷月平均气温-17.4℃，极端最低气温-40℃，按照SL 211—2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》中的气候分区原则，属严寒区。 该电站水道、水位变动区域混凝土为冻害易发部位，在可研阶段设计部门提出水道和水位变动区混凝土抗冻设计等级F400。结合工程所处地可能达到的最低温度条件，采用比现行规范更严格的冻融试验方法，对该电站水道、水位变动区混凝土配合比进行了优化设计，旨在达到F400抗冻设计水平，提高混凝土抗冻性能。 在对电站周围区域的可用矿物掺合料调研、比选的基础上，提出了采用I级优质粉煤灰的掺合料方案，比选了不同粉煤灰掺量、不同水胶比的混凝土技术方案，并采用优质引气剂，控制混凝土含气量5%～6%，以上措施旨在提高混凝土应对极端低温冻融的能力。配合比优化设计过程中不同粉煤灰掺量、不同水胶比方案水工混凝土的冻融试验结果如表1所示。通过采用优选粉煤灰及其掺量、控制水胶比、优质引气剂引气等极端低温冻融应对措施，提出的水道坝工水位变化区高抗冻混凝土推荐配合比的抗冻性能满足了F400的高抗冻设计要求，有效保障了该抽水蓄能电站水道坝工、水位变动区混凝土应对极端低温的性能。 表1 水工混凝土的冻融试验结果Table 1 Freezing and thawing test results of hydraulic concrete相对动弹性模量/%编号 粉煤灰掺量/%水胶比质量损失率/% 100次抗冻等级200次 300次 400次 100次 200次 300次 400次BGF001 BGF002 BGF003 BGF151 BGF152 BGF153 BGF251 BGF252 BGF253 0001 5 15 15 25 25 25 0.38 0.39 0.40 0.38 0.39 0.40 0.38 0.39 0.40 0 0 0 0 00 0 0 0 00000 0.2 0 0.3 0.1 0.2 0.1 0.3 0 0.2 0.4 0 0.4 0.7 0.5 0.6 0.9 0.7 0.7 1.1 0.8 0.9 1.4 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 98.4 100 99.1 97.6 100 100 96.8 99.4 96.1 95.5 96.9 95.4 92.2 96.6 94.4 91.7 92.1 91.3 90.1 91.9 90.6 88.8 90.3 88.6 85.7＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400＞F400 另外，在低温冻害应对方面，可在水工混凝土内引入大量微小稳定的封闭气泡，并对引气后的混凝土气泡参数进行优化；在使用粉煤灰作为水工混凝土掺合料时，高抗冻设计水利工程宜选用优质粉煤灰，并应控制掺量；通过优选混凝土原材料、优化配合比设计等方式来改善水工混凝土的孔结构性能，提高混凝土的密实性。 而对于急速降温的寒潮等极端事件，可采取在水利工程表面覆盖保温材料的防护措施来应对，对处于施工期的水利工程，可以采用表面蓄热养护的方式来应对寒潮降温，减少水利工程内部温降应力的产生，避免表面裂缝。 2.4 干旱应对工程措施 位于华北干旱易发区某大型穿越黄河调水工程，主要由出湖闸、南干渠、埋管进口检修闸、南岸滩地埋管、穿黄隧洞、穿引黄渠埋涵、出口闸及连接明渠等建筑物组成，全长7.87 km，为一等工程，其主要建筑物为1级建筑物，地震设计烈度为7级。该穿黄工程的主要任务是将调引的长江水从黄河南岸输送至北岸，向黄河以北地区供水，满足第一期工程供水目标，工程设计年输水量为4.42亿m3。 根据工程所处地区的干旱气候条件，采用42.5级普通硅酸盐水泥、粉煤灰、人工砂、5～31.5 mm人工碎石、外加剂等工程原材料，对该穿黄工程南干渠衬砌高性能高抗裂混凝土的配合比进行了优化，并现场指导南区混凝土拌和站南干渠衬砌高性能高抗裂混凝土的拌制和质量控制，提高混凝土应对持续干旱的能力，降低开裂风险。 结合现场实际风速、温度、湿度等情况，经现场试拌调整后，采用研制的可控风速温湿度的混凝土开裂试验装置及气候敏感性评价方法对拟采用的施工配合比的抗裂性能进行验证，结果表明，拟采用的施工配合比具有较高的应对干旱气候的能力，抗裂性能优良，由此确定了最后的施工配合比。通过对穿黄工程15万m3混凝土的配合比优化设计，改善了混凝土质量与抗裂性能，质量稳定，提高了混凝土应对干旱气候的能力，为工程节约水泥约7500 t，降低了成本，产生直接经济效益约2205万元，取得了显著的技术经济效益。 在干旱事件应对方面，首先是提升水利工程材料自身性能，优选气候敏感因子低的高抗裂水工混凝土，并加强对水利工程施工期混凝土的养护工作；其次，从材料防护角度考虑，可以从内部供水、外部防止水分散失两个方面进行防护，对于已建水利工程而言，在长历时高温干旱气候条件下，可在其表面涂刷养护剂，既对混凝土进行养护，提高相关性能以应对干旱，还可有效防止水工混凝土内部水分散失，减少水工建筑物的干缩变形；最后，对于干旱条件下，已发生裂缝的水利工程，可通过化学灌浆或特种灌浆方法进行及时处理，以防止因长历时高温干旱的继续发展导致水利工程的干裂损伤进一步加深。 2.5 非工程应对措施 未来气温上升速率在我国东北、西部和华北地区较大，南方较小，冬季升温速率要大于夏季，多数地区特别是华北地区夏季高温日数可能将有明显增加;中国未来50年年降水量可能呈现波动性非显著增加趋势，区域性强降水日数可能增多; 2021—2030年西北地区降水可能继续增加，华北地区降水可能进入正常到偏多时段，东部大雨和暴雨日数可能增多，降水强度特别是大雨和暴雨的降水强度可能增大[9]。在全球变暖的背景下，未来30年全国平均受旱率总体呈现增加趋势，但在空间分布上存在差异。总体而言，辽河区、黄河中下游区和长江上游区未来干旱情势可能趋于严重，松花江区和淮河区未来干旱情势趋于缓和，海河区、黄河上游区、长江中下游区和珠江区的未来旱情趋势变化不明显[21]。 针对我国未来气温、降水、干旱等要素的发展趋势，在防洪安全方面，应全面实施全国防洪规划，尽快完成主要江河规划的防洪工程建设，提高江河洪水调控能力，在此基础上，密切关注洪涝灾害的变化，及时修订防洪工程规划；针对极端暴雨洪涝和强台风事件的增加增强，应加强社会应急管理，制定和完善应急预案。在沿海堤防工程设计中需要同时考虑海平面变化和风暴潮的共同增水作用，未来需要根据海平面上升预测结果合理规划沿海防潮标准，增加防潮设施的投入。在水资源安全方面，应根据气候变化背景下我国2030年和2050年水资源情势和工程供水能力，适时修订全国水资源综合规划和水利工程建设规划，科学确定国家水资源配置、保护和开发利用方案。针对干旱范围和强度呈增加趋势的问题，加强大范围干旱的监测和预测分析，应用遥感技术分析大范围土壤墒情、作物缺水量，辅以流域水文模型，模拟土壤含水量和江河径流量，准确分析流域旱情，进行水利工程的科学调度，确保流域水资源供给安全。 3 结 语 本文首先从水工混凝土材料角度，针对混凝土“热胀冷缩、湿胀干缩”的性能特点，结合低温、寒潮和干旱等3个气候条件，对气候变化条件下已观测到的水利工程影响事实进行了系统总结，并采用工程实例的方式，从工程设计、施工阶段可采用的工程措施角度出发，对水利工程应对气候变化可采取的应对措施进行了科学分析。在此基础上，结合我国未来30～50年气温、降水量、干旱等气候条件的发展趋势，从规划修订、预案制订、监测预报等非工程措施角度，分析了在防洪安全、水资源安全等领域可采取的减缓适应对策。 影响水工程安全的气候条件远不止本文提及的低温、寒潮、干旱等3类，温室气体浓度增加导致的混凝土碳化问题、酸雨侵蚀问题，海平面上升、海水倒灌导致的地下水盐离子浓度增加、土壤盐渍化侵蚀，以及沿海水工钢筋混凝土建筑物的腐蚀破坏、受海水腐蚀的区域划分线向内陆推进等问题，均会对水工程安全运行产生影响。从目前已掌握到的相关资料来看，气候变化已经对水工程产生了影响，严重的甚至已经影响到水工程的安全性。因此，应加强气候变化对水工程安全影响的科学评估、减缓影响和适应性对策方面的研究工作，确保水工程安全运行。

上一篇：水工程实验技术课程教学及考核方法探讨
下一篇：没有了