1.1 概述

1.1.1 背景

我国部分大江大河的干流尚未得到有效治理，部分江河缺少控制性骨干工程；沿海仍有超过三成的重点海堤没有达标；全国有3万多座病险水库，威胁着百姓的生命安全，全球气候变化让水利工程体系更显薄弱，安全问题更加突出（陈雷，2009）^［1］。中国已建成各类水库98002座，总库容9323.12亿m^3［2］，全球变暖将增加极端气候在局部区域出现的频次（张建云，2009）^［3］，20世纪50～60年代期间我国寒潮灾害发生频繁，90年代以来全球变暖加剧，但我国剧烈降温的寒潮灾害却仍时有发生（魏凤英，2008）^［4］。全球气候变暖，不仅使全球平均温度升高，而且使得高温、干旱、寒潮、暴雪、暴雨等极端天气发生的概率增加。相应之，突发性的极端冷事件出现的随机性增大，产生的风险自然也会增加，原来可能百年不遇的极端低温可能在几十年内就会发生（丁一汇，2010）^［5］。

根据《气候变化国家评估报告》^［6］，区域气候模式预估我国在21世纪20年代、30年代和50年代平均气温分别升高约1.1～2.1℃、1.5～2.8℃和2.3～3.3℃，这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严重影响，大体上将导致南北分界线北移，现有分界线处以及北方地区的年平均冻融循环次数有可能显著增加，从而加速这部分地区的水工混凝土结构物冻融破坏。另外，气候变暖导致极端气候出现的频次增加，如2008年初，我国南方大部分地区出现了罕见的持续低温冻害天气，由于这部分地区水利工程混凝土的抗冻设防等级偏低，甚至有的工程未考虑抗冻要求，在遭受低温冻害后，该部分地区水利工程受损较严重；另外，我国北方地区近年来出现的低温已突破有记录以来的极端最低气温。因此，气候变化将使我国南方地区水利工程遭受超设计限制低温条件的冻害，其抗冻耐久性问题也不容乐观；而极端低温甚至是突破历史极值的低温又使我国北方地区考虑了抗冻设计的水工混凝土的抗冻耐久性面临新问题。

2011年中央水利工作会议上明确指出“强调加快水利改革发展，……，是应对全球气候变化、增强抵御自然灾害综合能力的迫切需要”。2011年中央1号文件多次提到加强“应急预案”和“应急能力建设”，强调“加强水资源配置工程建设”、“提高防汛抗旱应急能力”、“加强防洪薄弱环节建设”等^［7］。《中国应对气候变化科技专项行动》^［8，9］已将气候变化对重大工程的影响及应对措施研究列为需重点开展的工作之一，另外《中国应对气候变化国家方案》^［10］中明确提出了“大力推广高性能混凝土，提高高性能混凝土的应用比重，延长建筑物的寿命”的方针要求。党的“十八大”报告明确指出“要加快水利建设，增强城乡防洪抗旱排涝能力。加强防灾减灾体系建设，提高气象、地质、地震灾害防御能力……同国际社会一道积极应对全球气候变化。”

目前，美国、欧盟、日本等国家在气候变化影响评价、如何减缓气候变化等领域开展了较多有益的研究工作，但针对极端气候条件对水工建筑材料影响的研究较少，因此，研究极端气候对水工建筑材料的影响，特别是对水工混凝土的影响属于前沿研究领域，混凝土是最广泛使用的建筑材料，它已成为水利、公路、桥梁和城市交通设施建设的大宗材料。本书结合我国水利工程的特点，阐述变化条件下水工混凝土材料的特性。

1.1.2 水利工程调研

水工混凝土是水利工程建设最大宗的建筑材料之一，以我国长江中下游六省一市（湘、鄂、赣、皖、苏、浙、沪）和西南四省（桂、渝、川、黔）大部分地区的大坝为典型水利工程，进行水泥品种、掺和料类型、砂石骨料等混凝土原材料情况的调研工作，调研结果如表1-1所示。

从表1-1的调研情况来看，我国南方地区以大坝为代表的水利工程使用的水工混凝土一般以普通硅酸盐水泥和中热硅酸盐水泥为主，也有少量工程使用了矿渣水泥、硅酸盐水泥或其他特制专用水泥；在掺和料方面以粉煤灰为主，极少数工程使用了磷渣粉等其他种类的掺和料；细骨料一般以人工砂为主，河砂也较常用，粗骨料一般以人工骨料为主，骨料岩性有灰岩、花岗岩、大理岩、白云岩、辉绿岩等多种，也有工程以天然砂卵石为粗骨料。在表1-2中所涉水利工程中混凝土强度等级以C30为主，C15、C20强度等级的混凝土也有使用，混凝土的抗冻等级从F50的低抗冻设计等级到F300的高抗冻设计等级均有涉及。

对我国北方的五大流域（黑龙江流域、黄河、辽河、淮河、海河）的部分水利工程，进行水泥品种、矿物掺和料类型、外加剂、砂石骨料等原材料及混凝土强度、抗冻等级等设计指标的调研工作，调研结果如表1-2所示。

从表1-2的调研情况来看，我国北方地区部分水利工程使用的胶凝材料一般以普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、硅酸盐水泥为主；在掺和料方面以粉煤灰为主，极少数工程使用了硅粉等其他种类的掺和料；细骨料一般以人工砂为主，河砂也较常用，粗骨料中人工骨料及天然卵石都有使用。混凝土强度等级以C25及以上等级为主。F100中抗冻设计等级及F200以上的高抗冻设计等级混凝土使用较多。

1.1.3 极端气候事件

从20世纪80年代开始，我国华北地区气候持续偏旱，进入20世纪90年代，干旱气候从华北平原向黄河中上游地区（陕、甘、宁），汉江流域，淮河上游，四川盆地扩展（陈志恺，2002）^［11］，2006年我国重庆地区出现了百年一遇的持续干旱气候，由于降水严重偏少，气温持续偏高，地面蒸发损失增大，使重庆地区1200多座大小水库出现了不同程度的开裂^［12］，2010年我国西南五省和直辖市出现了长历时的干旱、特大干旱，使得大量蓄水水库的库底直接暴露在干旱温度条件下，给当地的民生水利设施造成了严重的影响，威胁到人民的生命与财产安全，2011年春夏，我国长江中下游地区发生了持续干旱等。由此可见，在持续干旱气候条件下，水工混凝土的性能演变问题也必须引起重视。

21世纪以来，我国已出现低温冻害、极端干旱、突破历史极值的极端低温等事件，如2008年初我国南方地区遭遇的历史罕见的低温、雨雪和冰冻灾害对水利行业的民生工程造成重大破坏；2009年12月1日至2010年1月12日期间，我国东北大部、内蒙古中东部以及北疆东部的极端低温达到-30～-40℃，内蒙古局部地区在-45℃以下，我国华北等地共25站日最低气温超历史极值；2006年川渝地区发生百年一遇的特大干旱；2008～2009年冬春期间，我国北方15省发生百日无雨雪的大面积干旱；2009～2010年西南五省再次发生极端干旱，2011年春夏长江中下游地区发生了持续干旱等。在气候变化条件下，极端寒潮、超低温冻害、持续干旱等气候条件已经对我国的现有水利工程产生了较大影响。

根据国家气象信息中心气象资料室完成的中国地面气候示意图图集（1971～2000年）资料，我国南方地区最冷月（1月）的平均气温如表1-3所示。从表中可知我国南方地区最冷月平均气温一般在0℃以上，属于气候温和区域。以我国长江中下游六省一市（湘、鄂、赣、皖、苏、浙、沪）和西南四省（桂、渝、川、黔）为调研对象，对该11个省市区域在最冷月（1月）间（1971～2000年）的月极端最低气温进行了调研统计，结果如表1-3所示。从表中的数据统计结果看，以长江中下游六省一市及西南四省市为代表的我国南方地区的最冷月（1月）极端最低气温平均值为-8.4℃。

我国气象部门于1969年2月在漠河地区观测到了中国现有气象资料中的极端最低气温-52.3℃，但2010年1月的低温天气使我国部分地区的低温历史极值被打破。因此，对我国三北（东北、华北、西北）主要地区的极端最低温度进行了调研（截至2010年1月），调研结果见表1-4。

从统计情况来看，以长江中下游六省一市和西南四省为代表的我国南方地区最冷月（1月）的平均气温在0℃以上，最冷月（1月）极端最低气温平均为-8.4℃；我国三北地区的极端最低气温平均值为-32.7℃，另外，华北地区的低温历史极值被突破的较多。