水利工程中新型超疏水材料应用前景展望

摘要：2017年10月，中共中央总书记、国家主席习近平同志在党的“十九大”报告中提出：要把人与自然和谐共生纳入新时代坚持和发展中国特色社会主义的基本方略，要把水利摆在九大基础设施网络建设之首。“十九大”报告中关于水利建设方面的论述，不仅为我国基层水利事业的发展进一步深化了工作内涵，明确了工作方向，也为水利工作者们指明了水利行业未来的发展趋势和着力根基，同时也积极要求人们继续合理开发研制尖端技术、新型材料等，服务并应用于传统水利行业。水利工程的大力发展离不开牢固可靠的水工建筑物，然而，当下我国水工建筑物的渗漏病害现象非常的普遍，仅以我国水利工程中常见的面板堆石坝为例：据不完全统计，我国在建和已经建成的面板堆石坝数量约为300座，占世界面板堆石坝数量的一半以上。我国自20世纪80年代开始陆续引进现代面板堆石坝技术以来，建设至今已有30余年的技术应用历史。经过引进消化、自主创新和不断的突破发展，我国的坝工事业已经积累了大量的工程经验，进入了顶峰状态，逐步形成了具有鲜明中国特色的面板堆石坝筑坝技术，蒙江双河口电站等工程为世界坝工界所惊叹。可在这风光背后，我国的大坝却普遍遭受着渗漏问题的威胁侵扰，成为亟待解决的一个重要工程问题。

关键词：水利工程；新型超疏水材料；应用前景展望

1.超疏水材料简介

超疏水材料是一种新型材料，它可以自行清洁需要干净的地方，还可以放在金属表面防治水的腐蚀生锈，目前行业内将其特点定义为表面稳定接触角大于150°，滚动角小于10°。超疏水材料因其普遍具有显著的疏水、脱附、防粘、自清洁等功能，被广泛应用于防水、防污、自清洁、流体减阻、抑菌等领域。超疏水材料上的微茸毛由乳突及蜡状物构成，其为微米结构，乳突为纳米结构，当水与超疏水材料表面接触时，会有空气存在于微小突起之间，从而大大减小水与超疏水材料表面的接触面积。又由于水的表面张力作用，使得水滴在这种粗糙表面的形状接近于圆形，其接触角可达150°以上，这种纳米与微米相结合的双微管结构正是起到表面防水防污作用的根本原因。具有大触角和较小滚动角的超疏水性材料表面结构为微米级及纳米级结构的双微复合结构，这种结构可以直接影响水滴的运动趋势。超疏水材料的表面结构通常有用两种形式，一是在疏水材料表面上构建微观结构，二是在粗糙表面上修饰低能表面物质。由于降低表面自由能在技术上比较容易实现，因此超疏水材料表面的制备技术的关键就在于构建合适的表面微细结构。当前，已报道的超疏水材料表面制备技术主要有溶胶—凝胶法、模板法、自组装法及化学刻蚀法等。

2.混凝土坝和浆砌石坝渗漏成因与对策分析

水工混凝土坝和浆砌石坝的主要渗漏类型有坝基渗漏和坝体渗漏两种，其渗漏的原因有以下几个方面：①由于勘探工作做的不周，地基留有隐患，水库蓄水后引起渗漏；②由于设计考虑不周，在某种应力作用下，使混凝土产生裂缝，引起渗漏；③因施工温差或本身干缩等原因，产生裂缝而引起渗漏；④设计施工中采取的防渗措施不良或运行期间由于物理、化学因素的作用，使原来的防渗措施失效或遭受破坏而引起渗漏；⑤遭受强烈地震及其他破坏作用，使混凝土建筑物或基础产生裂缝，引起渗漏。混凝土坝和浆砌石坝渗漏病害通常处理的基本原则是“上截下排，以截为主，以排为辅”，根据渗漏的层次部位，危害程度，施工状况以及修补条件等实际情况制定合理可靠的处理措施，通常我们的处理方式为：①对于建筑物本身的处理，以上游面封堵为主；②对于基础渗漏的处理，以截为主，辅之以排；③对于接触渗漏或绕坝渗漏的处理，应先封堵，以排补救。

3.应用前景展望

在水利工程中，渗漏是常见的坝体病害之一，传统渗漏的处理措施有表面涂抹、表面贴补、凿槽嵌补、灌浆、构筑防渗层等。虽然这些措施能在短期内达到预期的使用目的，但其普遍具有工作量大，影响混凝土完整性及强度，作用较小等局限性。目前技术允许范围内，标本兼治的最佳措施就是将超疏水材料覆盖在与水接触的混凝土表面，形成一层空气膜，避免坝面直接与水摩擦接触，减少浸泡，从而达到有效防止发生渗漏的现象，此技术也充分符合“以截为主”的渗漏主要处理原则。同时，在溢洪道溢流面上覆盖一层高强度超疏水材料，可减小水流对陡坡段和出口处的冲刷，避免溢洪道陡坡段内墙被冲刷，底板被掀起、下滑或局部接缝破坏以及消能设施的破坏；采用高强度超疏水材料还能防止气蚀破坏，避免产生蜂窝、麻面及混凝土脱落现象，在弯道处布设高强度疏水材料，可以减小阻力而防止翼墙冲刷破坏。在超疏水材料与建筑物两种材料的粘结性方面，潘洪波等专家对超疏水材料粘结效果进行分析，通过150多次试验发现，硅氧烷与超疏水材料的粘结性能十分理想，为超疏水材料的应用起到积极作用。值得注意的是，水工建筑物所处的水环境十分复杂多样，受不同地域内气候、水文、地质等因素影响，水中沙石、冰凌、水生物、矿物质等均会对材料产生不同程度的破坏，这就对超疏水材料在水利工程中的推广应用形成制约：①混凝土坝上游迎水面面积广，材料需求量大；②水工建筑物运行周期长，建筑材料要求具有足够强度的耐久性；③风吹日晒使得坝体混凝土在不同程度上会出现裂缝，若使用刚性材料，会伴随混凝土开裂而开裂，导致失去疏水作用。

4.结论

荷叶效应为超疏水材料的研究提供了现实依据，而超疏水材料在水工建筑物领域的应用目前仍处于空白状态，若能有效解决材料强度、价格等限制因素，并加以推广利用，将在坝体防渗、溢洪道冲刷、漏水、水闸腐蚀、渠系输水建筑物的防渗等方面起到良好的作用，为建设新型智慧水利工程做出贡献。

参考文献：

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[4]姜天宇.我国输水工程信息化建设的难点与对策[J].水利技术监督，2017，25（01）：32-34.

作者简介：

孙文奇（1998-）、男、汉、学生、河南平顶山、身份证号：41042219980726761x、研究方向：水利工程的前景.

王亚坤（1994-）、男、汉、学生、河南、身份证号：412726199411180896.