混凝土面板堆石壩接縫止水技術(shù)的新進(jìn)展

混凝土面板堆石壩接縫止水技術(shù)的新進(jìn)展

郝巨濤 魯一暉 賈金生 竇鐵生 杜振坤 鄧正剛

中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100044

　　摘要：我國混凝土面板堆石壩經(jīng)過20年的發(fā)展，大壩面板接縫止水從結(jié)構(gòu)、材料到施工技術(shù)都有了長足的發(fā)展。本文結(jié)合洪家渡、吉林臺(tái)、三板溪等工程實(shí)例，對這一發(fā)展情況進(jìn)行了介紹，包括已被國內(nèi)大多數(shù)高壩采用的新型止水結(jié)構(gòu)、針對吉林臺(tái)提出的粘性填料自愈性止水結(jié)構(gòu)、為確保嵌填密實(shí)研制的柔性填料擠出機(jī)等。這些技術(shù)在工程應(yīng)用中均取得了令人滿意的效果。

　　關(guān)鍵詞： 混凝土面板堆石壩   接縫止水結(jié)構(gòu)   止水材料   止水施工技術(shù)

　　1  前言
　　
　　我國采用現(xiàn)代技術(shù)修筑碾壓式混凝土面板堆石壩已近20年了。最早開工建設(shè)的是西北口面板壩，最早建成的是關(guān)門山水庫大壩。目前已建和在建的、壩高超過100m的面板壩已有30多座，壩高達(dá)到或超過180m的有水布埡（233m）、三板溪（185m）和洪家渡（180m），由我國中標(biāo)建設(shè)的馬來西亞巴昆面板壩（205m）也已經(jīng)開工。與其他壩型不同，由于面板壩的接縫位移在各種壩型中較大，止水技術(shù)難度較高，面板的接縫止水對于面板壩具有特殊重要的意義。本文對九五攻關(guān)以后國內(nèi)面板壩的接縫止水技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，以供工程參考。

　　2  止水結(jié)構(gòu)型式

　　九五攻關(guān)期間，中國水科院在大量研究工作的基礎(chǔ)上，提出了新型止水結(jié)構(gòu)型式^[1，2]，見圖1。該型式將中部止水帶提至表層，采用在趾板和面板中預(yù)埋的角鋼和螺栓、或膨脹螺栓將止水帶固定在縫口混凝土表面。近來多數(shù)工程選用了不銹鋼膨脹螺栓，對有抗凍要求的地區(qū)采用水泥漿回填膨脹螺栓孔。為了適應(yīng)大接縫位移，將表層止水帶設(shè)計(jì)成波浪形，其尺寸可以完全吸收接縫位移，而不致在止水帶中產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力。為了確保止水帶在大接縫張開情況下承受高水壓力作用，在止水帶下面的縫口處設(shè)置了支撐橡膠棒（或PVC棒）。橡膠棒應(yīng)確保在止水運(yùn)行過程中滯留在縫口，不被壓入接縫以發(fā)揮支撐作用。另外，新型止水結(jié)構(gòu)在底部銅止水和表層塑性嵌縫材料止水基本保持了常規(guī)止水的做法，在波形止水帶上部同樣設(shè)置表層塑性嵌縫材料。所不同的是，銅止水按照大變形數(shù)值分析和模型試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，可以確保銅止水在運(yùn)行中不發(fā)生破壞，同時(shí)銅片上還復(fù)合了GB柔性止水板，以提高銅止水的抗繞滲能力；嵌縫柔性填料必須具備可靠的流動(dòng)止水性能，而普通柔性填料沒有這一要求。新型止水結(jié)構(gòu)在表層柔性填料頂部用GB復(fù)合蓋板覆蓋，與以往面膜不同的是，這一復(fù)合蓋板具有優(yōu)異的抗老化性，與下部柔性填料優(yōu)異的粘貼性，蓋板自身具有一定延伸率和強(qiáng)度，以適應(yīng)接縫位移和承受水壓力的需要。這種新型止水結(jié)構(gòu)型式已經(jīng)獲得了國家發(fā)明專利。

圖1  水布埡面板壩周邊縫表層止水結(jié)構(gòu)型式

　　上述新型止水結(jié)構(gòu)首先在福建122m高的芹山面板壩獲得了應(yīng)用，該壩于1998年10月開始蓄水，大壩總體滲漏量小于5 L/S。芹山面板壩的成功經(jīng)驗(yàn)表明這種新型止水結(jié)構(gòu)在工程中是切實(shí)可行的。繼芹山之后，國內(nèi)水布埡、洪家渡、吉林臺(tái)、紫坪鋪、引子渡等一批高面板壩采用了新型止水結(jié)構(gòu)型式，見表1。目前洪家渡面板壩已經(jīng)蓄水，滲漏量小于20 L/S。

表1  國內(nèi)外采用新型止水結(jié)構(gòu)的高面板壩

　　在以上新型止水結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，2002年結(jié)合吉林臺(tái)面板壩的工程需要，又開發(fā)提出了柔性填料自愈型止水結(jié)構(gòu)^[3]，見圖2。吉林臺(tái)一級砂礫石面板壩位于新疆喀什河，壩高157m，壩頂長445m，大壩按9度地震烈度設(shè)計(jì)。按工程要求，周邊縫止水應(yīng)確保一旦發(fā)生漏水后具備足夠的自愈止水能力。根據(jù)研究提出了圖2所示的止水結(jié)構(gòu)，與圖1不同的是將表層柔性填料靠近縫口部分用GBW遇水膨脹填料替換。GBW不僅具備一定的流動(dòng)止水能力，由于具備遇水膨脹性，可以將漏水的接縫進(jìn)行封閉。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)接縫漏水時(shí)，GBW經(jīng)過5d的緩慢膨脹使接縫漏水停止，并可以繼續(xù)承受直至2MPa的水壓力作用不漏水。目前該自愈止水結(jié)構(gòu)已經(jīng)在吉林臺(tái)面板壩使用。

圖2  吉林臺(tái)周邊縫表層止水結(jié)構(gòu)

　　3  止水技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

　　2005年電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物止水帶技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5215-2005，以下簡稱“止水帶規(guī)范”）和《水工建筑物塑性嵌縫密封材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 949-2005，以下簡稱“嵌縫密封材料標(biāo)準(zhǔn)”）發(fā)布實(shí)施，這是在總結(jié)國內(nèi)水工建筑物接縫止水技術(shù)，特別是面板壩接縫止水技術(shù)的基礎(chǔ)上編制的。與以往標(biāo)準(zhǔn)相比，止水帶規(guī)范的進(jìn)展主要反映在以下方面：

　　（1）提出了各種止水帶（含銅止水）和復(fù)合用密封止水材料的指標(biāo)性能和試驗(yàn)方法，提出了各種止水帶（含銅止水）的接頭強(qiáng)度要求。

　?。?）提出當(dāng)作用水頭超過100m時(shí)，宜采用復(fù)合型止水帶，并提出了性能要求和試驗(yàn)方法。

　?。?）在近年來科研成果的基礎(chǔ)上，同時(shí)參照以前的科研成果，提出了橡膠、塑料止水帶和銅止水的厚度設(shè)計(jì)方法。近年來的試驗(yàn)研究成果包括（a）長橡膠板的拉伸性能試驗(yàn)研究、（b）橡膠、塑料、銅止水焊縫接頭強(qiáng)度的試驗(yàn)研究、（c）橡膠的長期拉伸性能試驗(yàn)研究。

　?。?）在近年來的大變形有限元數(shù)值分析和含焊縫銅止水剪切大模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了銅止水抵抗接縫剪切位移能力的設(shè)計(jì)方法。

　?。?）施工要求方面，提出了采用T型、十字型接頭的整體式接頭要求，焊接工藝要求等。

　　嵌縫密封材料標(biāo)準(zhǔn)首先對兩種不同類型的密封材料進(jìn)行了區(qū)分，并提出了不同的技術(shù)指標(biāo)要求。將嵌填在接縫中并保持在嵌填位置發(fā)揮止水作用的稱為嵌縫止水條；將在水壓力作用下，由嵌填位置流入接縫發(fā)揮止水作用的稱為柔性填料。面板壩表層止水采用的是后一種密封材料（柔性填料）。嵌縫密封材料標(biāo)準(zhǔn)給出了兩種密封材料的技術(shù)指標(biāo)（見表2）和試驗(yàn)方法。對于面板壩的柔性填料，以往國內(nèi)比較看重拉伸強(qiáng)度、延伸率等指標(biāo)。經(jīng)過工程應(yīng)用研究表明，耐水、耐堿鹽、耐凍融循環(huán)、耐高低溫性能、與混凝土粘結(jié)的可靠性、抗?jié)B抗擊穿性能、流動(dòng)止水性能、施工嵌填性能是重要的技術(shù)指標(biāo)。在滿足這些指標(biāo)時(shí)，拉伸強(qiáng)度和延伸率的要求可以放寬。對于流動(dòng)止水性能，在九五攻關(guān)的大模型試驗(yàn)和九五后的小模型試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出了簡便易行的試驗(yàn)方法。經(jīng)過近十年的研究改進(jìn)，國內(nèi)止水材料技術(shù)、特別是面板壩的止水材料技術(shù)水平得到了很大發(fā)展，從止水性能上已經(jīng)超過了國外同類材料，形成了中國特色，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

表2  嵌縫密封材料的技術(shù)指標(biāo)（DL/T 949-2005）

　　4  施工技術(shù)

　　4.1  潮濕面粘接劑

　　在施工過程中，混凝土面遇水往往是不可避免的。為了確保柔性填料在潮濕混凝土表面的粘貼進(jìn)行了潮濕粘接劑的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GB潮濕面粘接劑經(jīng)過長期水中浸泡、高低溫、300次凍融循環(huán)后，粘接強(qiáng)度與常溫條件相比不下降，且強(qiáng)度均大于GB材料自身的強(qiáng)度，粘結(jié)界面完好不破壞。在水溫80℃、浸泡7天的加速泡水試驗(yàn)條件下，經(jīng)過拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)，粘接面完好率為70％。當(dāng)溫度低于0°C時(shí)，粘接劑的固化比較緩慢，但不影響固化。經(jīng)過24小時(shí)后，在+8℃、+4℃、0℃、-8℃、-4℃養(yǎng)護(hù)條件下，粘接劑的強(qiáng)度已經(jīng)超過了GB材料自身的強(qiáng)度，拉伸破壞后，粘接界面完好無損。

　　松山面板壩位于吉林省松江縣境內(nèi)，最大壩高80.8m。2001年曾對面板混凝土破損部分采用粘貼GB復(fù)合三元乙丙板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。由于施工在當(dāng)年12月進(jìn)行，施工溫度低至-15℃，且混凝土表面積雪潮濕，對粘接劑的性能要求很高。工程使用GB潮濕粘接劑的效果表明其性能可靠，可以適應(yīng)潮濕低溫的要求，補(bǔ)強(qiáng)效果令人滿意。工程已于2002年投入正常運(yùn)行。

　　4.2  止水帶、蓋板的連接技術(shù)

　　面板接縫表層止水所用蓋板在周邊縫與垂直縫相接處的連接十分重要，其現(xiàn)場施工十分困難。以往的工程均采用搭接、對接等方法，效果不好，使該處成為止水的薄弱點(diǎn)。為此從洪家渡工程開始，中國水科院進(jìn)行了T型接頭（見圖3）、彎角接頭（見圖4）、立式交叉接頭（見圖5）的研究，工程實(shí)踐證明是可行的，取得了較好的接頭連接效果。目前國內(nèi)很多面板壩工程都采用了這種接頭連接技術(shù)。

圖3  GB三復(fù)合橡膠板的T型接頭示意圖        圖4  GB三復(fù)合橡膠板的彎角接頭示意圖

圖5  波形止水帶的立式交叉接頭示意圖   圖6  復(fù)合橡膠板現(xiàn)場接頭硫化設(shè)備示意圖

　　目前工地現(xiàn)場的止水帶以及蓋板都存在接頭問題。特別是表層蓋板目前多采用對接粘貼和搭接接頭，效果很差且不可靠。針對這種情況水科院開發(fā)了現(xiàn)場接頭硫化設(shè)備（見圖6），可以實(shí)現(xiàn)蓋板和止水帶的現(xiàn)場硫化連接，使其成為一個(gè)整體，提高了止水的可靠性。

　　4.3  柔性填料擠出機(jī)

　　面板壩表層止水中柔性填料施工目前普遍存在嵌填不密實(shí)的問題，施工嵌填方法不當(dāng)時(shí)，密實(shí)度只有70％左右。由于表層蓋板的尺寸是固定的，因此施工中嵌填不密實(shí)將直接導(dǎo)致嵌填數(shù)量不足，影響接縫止水設(shè)計(jì)效用的發(fā)揮。另外不密實(shí)使填料中含有過多的空洞，將導(dǎo)致填料的擠壓流動(dòng)不穩(wěn)定，容易發(fā)生流動(dòng)中斷，不利于材料發(fā)揮流動(dòng)止水作用。因此解決塑性填料的嵌填不密實(shí)問題已經(jīng)迫在眉睫。針對這一情況，中國水科院與西安理工大學(xué)合作，開發(fā)研制了柔性填料擠出機(jī)（見圖7），可以實(shí)現(xiàn)周邊縫和張拉縫填料的現(xiàn)場一次擠出成形。實(shí)踐證明，既確保了嵌填數(shù)量，又由于擠出機(jī)擠出壓力的作用，大大改善了柔性填料與混凝土之間的粘接效果，提高了施工質(zhì)量。

圖7  臺(tái)式車柔性填料擠出機(jī)在公伯峽面板壩施工

　　目前這種擠出機(jī)已在青海公伯峽面板壩的垂直縫上獲得成功應(yīng)用，取得令人滿意的嵌填效果，現(xiàn)場每臺(tái)設(shè)備擠出嵌填速率可達(dá)10m/h（斷面340cm²），填縫質(zhì)量好，斷面均勻，明顯優(yōu)于人工填縫，受到工程人員好評。目前臺(tái)車式擠出機(jī)可以進(jìn)行300~1000cm²斷面的擠出填縫，這一技術(shù)值得工程推廣使用。

圖8  柔性填料擠出機(jī)施工效果

　　5  結(jié)語

　　我國混凝土面板堆石壩經(jīng)過20年的發(fā)展，面板接縫止水從結(jié)構(gòu)、材料到施工技術(shù)都有了長足的發(fā)展。本文結(jié)合九五以后國內(nèi)止水技術(shù)的工程實(shí)踐對這一發(fā)展情況進(jìn)行了介紹，包括已被國內(nèi)多數(shù)高面板壩采用的新型止水結(jié)構(gòu)、針對吉林臺(tái)提出的自愈性止水結(jié)構(gòu)、表層蓋板和止水帶的連接技術(shù)、為確保柔性填料嵌填密實(shí)研制的柔性填料擠出機(jī)等。這些技術(shù)在工程應(yīng)用中均取得了令人滿意的效果，對于促進(jìn)面板壩壩型的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。新近發(fā)布實(shí)施的止水帶規(guī)范和嵌縫密封材料電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是國內(nèi)這些技術(shù)的總結(jié)，將對普及新型止水技術(shù)和推動(dòng)止水技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展發(fā)揮積極作用。

　　參考文獻(xiàn)

[1] 賈金生，郝巨濤等，高混凝土面板堆石壩周邊縫新型止水[J]，水利學(xué)報(bào)，2001，（2）：35-38.

[2] 賈金生，郝巨濤等，面板壩周邊縫止水發(fā)展?fàn)顩r和新型表層止水[J]，水利水電技術(shù)，1998，29（2）：19-22.

[3] 魯一暉，郝巨濤等，吉林臺(tái)電站混凝土面板壩周邊縫自愈型止水結(jié)構(gòu)[J]，水力發(fā)電，2005，31（1）：42-45.