1.2 水利工程与气候变化

1.2.1 寒潮事件对水利工程的影响

某大坝为混凝土单支墩大头坝，最大坝高78.5m，坝顶长593.3m，库容34.6亿m³，坝址区位于辽宁省桓仁县境内，多年年平均气温6.2℃，最低月平均气温-14.2℃，最低气温-35.7℃，属严寒地区。据现场实测，1973年，在该坝混凝土浇筑后的第一个冬季，由于混凝土内外温差作用在大坝上游面，将产生1.5MPa的拉应力，寒潮来临时，由于该坝所处环境严寒并缺乏有效的保温措施，混凝土表面拉应力高达2.0MPa，由此该坝产生了众多的表面裂缝。因此，寒潮导致的突然温降是该坝产生表面裂缝的重要原因。

江西省上犹县境内某大坝为混凝土空腹重力坝，全长153m，最大坝高67.5m，多年年平均气温18.8℃，最低月平均气温8.7℃，最低气温-2.6℃。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的斜裂缝，裂缝位置基本在4个闸墩的同一部位。经科研人员进行仿真计算研究表明，1970年11月坝体遭受寒潮袭击是这些裂缝产生的重要原因，该坝体在1970年11月遭受猛烈寒潮袭击，2d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3.0MPa，而此时的混凝土抗拉强度仅0.7MPa，导致闸墩上裂缝的产生。

某渡槽位于我国华北地区境内，该地区多年年平均气温12.3℃，最低月平均气温-4.3℃，该地区每年冬春季节平均寒潮数3次左右。2006年3～4月间该地区遭受“U”型寒潮袭击，降温幅度达到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，槽身侧壁裂缝深度为5cm左右，裂缝深度没有超过钢筋保护层深度，仍属表面裂缝。

2009年末至2010年初，东北、华北及内蒙古中东部地区出现持续低温天气，部分站点最低气温突破历史极值。2010年1月1～6日，我国北方地区再次遭受强寒潮袭击，西北地区东部、华北、黄淮等地日平均气温普遍下降8～12℃，其中，内蒙古中西部、华北西北部下降12～15℃。

1.2.2 冻融事件对水利工程的影响

我国北方地区为混凝土重力坝，最大坝高91.7m，坝顶长1080m，库容108亿m³，坝址区位于松花江上，属严寒地区，平均每年冻融循环次数上游面为132次，尾水位变化区258次，坝顶最大负温区深7m，下游坝面深4m。据1963年调查，由于冻融破坏，上游面破损面积8800m²，占调查面积的1/3；下游面非溢流坝段地面以上破损面积6600m²，深度10～40cm，局部达1～2m，冻融破坏后混凝土表面软化、疏松、剥落，剥落程度逐渐加深。受坝上部水平缝的冻胀影响，该坝坝顶逐年抬高，从1959～1986年，平均每年抬高1.2mm，严重影响坝体结构的整体安全性。

某大坝为混凝土宽缝重力坝，最大坝高113.75m，坝顶长828m，库容38.95亿m³，坝址区位于鸭绿江上，多年平均气温6.2℃，最低月平均气温-18.4℃，最低气温-32.6℃，属严寒地区。大坝下游面朝向偏南，受太阳辐射热影响，坝面冻融每年可达135次，因施工质量较差和抗冻等级偏低，大坝建成运行不到10年，就造成了严重的表层混凝土冻融破坏。据1980年调查资料显示，溢流坝表面混凝土冻融破坏面积就高达10000m²，占整个溢流坝面的50%以上，混凝土冻融剥蚀深度5～12cm，严重的达30～50cm，平均冻融剥蚀深度达10cm以上。根据现场钻孔取样试验结果，距坝面0.2m左右的混凝土强度在11.0～13.0MPa，再往深部混凝土的强度超过20.0MPa，大面积开挖后测试，旧混凝土的强度都超过23.0MPa，而完好的下曲线段取样试验的平均强度为30.0MPa。

某大坝为混凝土重力坝，最大坝高106.6m，坝顶长900m，最大库容149亿m³，坝址区位于鸭绿江上，多年年平均气温6.5℃，最低月平均气温-12.8℃，最低气温-38.3℃，属寒冷地区。由于大坝混凝土设计未考虑冻融条件，整个溢流面和上下游水位变动区的坝面冻融破坏很严重。根据1946年和1947年的调查，溢流面普遍存在破损现象，破损深度在10cm以上的部位有200多处，总面积达13000m²。根据1953～1955年调查，大坝的冻融破坏是逐年发展的，1953年破坏比率为35%，1954年为40%，1955年则达到70%，冻融破坏平均深度为15cm。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%以上的混凝土芯样在经历了75次冻融循环后就发生破坏。

我国现有气象资料的极端最低温度为-52.3℃，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；根据公开报道进行不完全统计，仅湖南、贵州、四川、广西、湖北、重庆的水利行业的直接经济损失就合计达58.7亿元，占民政部公布的全国1111亿元直接经济损失的5.3%。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气温达到-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。

1.2.3 干旱事件对水利工程的影响

安徽省境内丰乐河上某大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高54.0m，厚高比0.23，坝顶弧长216.15m，多年年平均气温15.0～16.0℃，最低月平均气温7℃左右，极端最高气温39.8℃。1978年夏季，该地区出现百年不遇的长期干旱温度气候，水库同时处于空库状态，致使坝体长期处于空库+自重+温升荷载组合下运行，由此引起拱坝向上游变位，在下游坝面拱座附近产生较大拉应力，1978年5月7日到8月26日，在大坝左岸下游2号坝块高程195m至6号坝块高程165m发现裂缝，裂缝基本上平行于岸坡方向，总长度达80m左右，缝宽达1.0mm；右岸12号坝块高程175m至14号坝块高程176.3m裂缝沿高程175m水平建筑缝延伸29.35m长。

薄壁水工混凝土结构的墙、板等厚度大约在0.7～1.2m之间，近些年来，在我国的淮河流域和太湖流域的几个工程中，发现了较多的温度和干缩裂缝，其中以闸墩和地涵墩墙侧面的垂直裂缝居多。在墙长25～30m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0.2～0.4mm，较为严重的情况是在29m的分缝间距内，裂缝达10多条，而且更多的显示出干缩裂缝的特征。如果是发生在结构重要部分的严重开裂现象，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。

某大型渡槽是南水北调中线总干渠上一座大型交叉建筑物，工程位于河北省保定市满城县境内。该工程在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，每跨槽身平均有7条。裂缝分布在20m跨的4跨中有44条，在主梁有11条，次梁有14条，侧墙有19条；30m跨的8跨中有39条。裂缝的长度在0.5～3.0m之间，宽度在0.02～0.2mm之间，深度在10～47mm之间。此外，该工程同样在2006年5～9月高温季节浇筑的Ⅲ标段14跨槽身，一共发现裂缝74条，每跨槽身平均有5条裂缝，裂缝长度在0.5～4.0m之间，多是中间宽，两端窄，宽度在0.02～0.2mm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，属由于空气干旱而产生的干缩裂缝。

近些年来，我国连续发生长历时干旱温度事件，如2006年川渝地区发生百年不遇的特大干旱，高峰期有1500万人发生临时饮水困难，农业经济损失达174亿；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事件，最多时2088万人饮水困难，直接经济损失达236亿元；2011年春夏，我国长江中下游地区发生了持续干旱等等。近几年我国发生的极端干旱事件持续时间之长、影响程度之重均在历史上尚不多见。以2010年西南五省的特大干旱为例，该地区的长历时持续干旱使大量水库低水位运行甚至干涸，长历时暴露于干旱温度条件下，导致许多水库发生裂缝，对汛期的安全蓄水造成影响。