混凝土面板堆石壩接縫止水技術的新進展

混凝土面板堆石壩接縫止水技術的新進展

郝巨濤 魯一暉 賈金生 竇鐵生 杜振坤 鄧正剛

中國水利水電科學研究院，北京，100044

　　摘要：我國混凝土面板堆石壩經過20年的發展，大壩面板接縫止水從結構、材料到施工技術都有了長足的發展。本文結合洪家渡、吉林臺、三板溪等工程實例，對這一發展情況進行了介紹，包括已被國內大多數高壩采用的新型止水結構、針對吉林臺提出的粘性填料自愈性止水結構、為確保嵌填密實研制的柔性填料擠出機等。這些技術在工程應用中均取得了令人滿意的效果。

　　關鍵詞： 混凝土面板堆石壩   接縫止水結構   止水材料   止水施工技術

　　1  前言
　　
　　我國采用現代技術修筑碾壓式混凝土面板堆石壩已近20年了。最早開工建設的是西北口面板壩，最早建成的是關門山水庫大壩。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），由我國中標建設的馬來西亞巴昆面板壩（205m）也已經開工。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。本文對九五攻關以后國內面板壩的接縫止水技術的發展進行了總結，以供工程參考。

　　2  止水結構型式

　　九五攻關期間，中國水科院在大量研究工作的基礎上，提出了新型止水結構型式^[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。近來多數工程選用了不銹鋼膨脹螺栓，對有抗凍要求的地區采用水泥漿回填膨脹螺栓孔。為了適應大接縫位移，將表層止水帶設計成波浪形，其尺寸可以完全吸收接縫位移，而不致在止水帶中產生過大的附加應力。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置了支撐橡膠棒（或PVC棒）。橡膠棒應確保在止水運行過程中滯留在縫口，不被壓入接縫以發揮支撐作用。另外，新型止水結構在底部銅止水和表層塑性嵌縫材料止水基本保持了常規止水的做法，在波形止水帶上部同樣設置表層塑性嵌縫材料。所不同的是，銅止水按照大變形數值分析和模型試驗得到的結果進行尺寸設計，可以確保銅止水在運行中不發生破壞，同時銅片上還復合了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止水性能，而普通柔性填料沒有這一要求。新型止水結構在表層柔性填料頂部用GB復合蓋板覆蓋，與以往面膜不同的是，這一復合蓋板具有優異的抗老化性，與下部柔性填料優異的粘貼性，蓋板自身具有一定延伸率和強度，以適應接縫位移和承受水壓力的需要。這種新型止水結構型式已經獲得了國家發明專利。

圖1  水布埡面板壩周邊縫表層止水結構型式

　　上述新型止水結構首先在福建122m高的芹山面板壩獲得了應用，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驗表明這種新型止水結構在工程中是切實可行的。繼芹山之后，國內水布埡、洪家渡、吉林臺、紫坪鋪、引子渡等一批高面板壩采用了新型止水結構型式，見表1。目前洪家渡面板壩已經蓄水，滲漏量小于20 L/S。

表1  國內外采用新型止水結構的高面板壩

　　在以上新型止水結構的基礎上，2002年結合吉林臺面板壩的工程需要，又開發提出了柔性填料自愈型止水結構^[3]，見圖2。吉林臺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度地震烈度設計。按工程要求，周邊縫止水應確保一旦發生漏水后具備足夠的自愈止水能力。根據研究提出了圖2所示的止水結構，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止水能力，由于具備遇水膨脹性，可以將漏水的接縫進行封閉。根據試驗結果，當接縫漏水時，GBW經過5d的緩慢膨脹使接縫漏水停止，并可以繼續承受直至2MPa的水壓力作用不漏水。目前該自愈止水結構已經在吉林臺面板壩使用。

圖2  吉林臺周邊縫表層止水結構

　　3  止水技術標準

　　2005年電力行業標準《水工建筑物止水帶技術規范》（DL/T 5215-2005，以下簡稱“止水帶規范”）和《水工建筑物塑性嵌縫密封材料技術標準》（DL/T 949-2005，以下簡稱“嵌縫密封材料標準”）發布實施，這是在總結國內水工建筑物接縫止水技術，特別是面板壩接縫止水技術的基礎上編制的。與以往標準相比，止水帶規范的進展主要反映在以下方面：

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

　　（2）提出當作用水頭超過100m時，宜采用復合型止水帶，并提出了性能要求和試驗方法。

　　（3）在近年來科研成果的基礎上，同時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計方法。近年來的試驗研究成果包括（a）長橡膠板的拉伸性能試驗研究、（b）橡膠、塑料、銅止水焊縫接頭強度的試驗研究、（c）橡膠的長期拉伸性能試驗研究。

　　（4）在近年來的大變形有限元數值分析和含焊縫銅止水剪切大模型試驗研究的基礎上，提出了銅止水抵抗接縫剪切位移能力的設計方法。

　　（5）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。

　　嵌縫密封材料標準首先對兩種不同類型的密封材料進行了區分，并提出了不同的技術指標要求。將嵌填在接縫中并保持在嵌填位置發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）。嵌縫密封材料標準給出了兩種密封材料的技術指標（見表2）和試驗方法。對于面板壩的柔性填料，以往國內比較看重拉伸強度、延伸率等指標。經過工程應用研究表明，耐水、耐堿鹽、耐凍融循環、耐高低溫性能、與混凝土粘結的可靠性、抗滲抗擊穿性能、流動止水性能、施工嵌填性能是重要的技術指標。在滿足這些指標時，拉伸強度和延伸率的要求可以放寬。對于流動止水性能，在九五攻關的大模型試驗和九五后的小模型試驗研究基礎上，提出了簡便易行的試驗方法。經過近十年的研究改進，國內止水材料技術、特別是面板壩的止水材料技術水平得到了很大發展，從止水性能上已經超過了國外同類材料，形成了中國特色，達到了國際領先水平。

表2  嵌縫密封材料的技術指標（DL/T 949-2005）

　　4  施工技術

　　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行了潮濕粘接劑的研究。實驗結果表明，GB潮濕面粘接劑經過長期水中浸泡、高低溫、300次凍融循環后，粘接強度與常溫條件相比不下降，且強度均大于GB材料自身的強度，粘結界面完好不破壞。在水溫80℃、浸泡7天的加速泡水試驗條件下，經過拉伸試驗檢驗，粘接面完好率為70％。當溫度低于0°C時，粘接劑的固化比較緩慢，但不影響固化。經過24小時后，在+8℃、+4℃、0℃、-8℃、-4℃養護條件下，粘接劑的強度已經超過了GB材料自身的強度，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，最大壩高80.8m。2001年曾對面板混凝土破損部分采用粘貼GB復合三元乙丙板進行補強處理。由于施工在當年12月進行，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，可以適應潮濕低溫的要求，補強效果令人滿意。工程已于2002年投入正常運行。

　　4.2  止水帶、蓋板的連接技術

　　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。為此從洪家渡工程開始，中國水科院進行了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，工程實踐證明是可行的，取得了較好的接頭連接效果。目前國內很多面板壩工程都采用了這種接頭連接技術。

圖3  GB三復合橡膠板的T型接頭示意圖        圖4  GB三復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  復合橡膠板現場接頭硫化設備示意圖

　　目前工地現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了現場接頭硫化設備（見圖6），可以實現蓋板和止水帶的現場硫化連接，使其成為一個整體，提高了止水的可靠性。

　　4.3  柔性填料擠出機

　　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的問題，施工嵌填方法不當時，密實度只有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將直接導致嵌填數量不足，影響接縫止水設計效用的發揮。另外不密實使填料中含有過多的空洞，將導致填料的擠壓流動不穩定，容易發生流動中斷，不利于材料發揮流動止水作用。因此解決塑性填料的嵌填不密實問題已經迫在眉睫。針對這一情況，中國水科院與西安理工大學合作，開發研制了柔性填料擠出機（見圖7），可以實現周邊縫和張拉縫填料的現場一次擠出成形。實踐證明，既確保了嵌填數量，又由于擠出機擠出壓力的作用，大大改善了柔性填料與混凝土之間的粘接效果，提高了施工質量。

圖7  臺式車柔性填料擠出機在公伯峽面板壩施工

　　目前這種擠出機已在青海公伯峽面板壩的垂直縫上獲得成功應用，取得令人滿意的嵌填效果，現場每臺設備擠出嵌填速率可達10m/h（斷面340cm²），填縫質量好，斷面均勻，明顯優于人工填縫，受到工程人員好評。目前臺車式擠出機可以進行300~1000cm²斷面的擠出填縫，這一技術值得工程推廣使用。

圖8  柔性填料擠出機施工效果

　　5  結語

　　我國混凝土面板堆石壩經過20年的發展，面板接縫止水從結構、材料到施工技術都有了長足的發展。本文結合九五以后國內止水技術的工程實踐對這一發展情況進行了介紹，包括已被國內多數高面板壩采用的新型止水結構、針對吉林臺提出的自愈性止水結構、表層蓋板和止水帶的連接技術、為確保柔性填料嵌填密實研制的柔性填料擠出機等。這些技術在工程應用中均取得了令人滿意的效果，對于促進面板壩壩型的發展起到了推動作用。新近發布實施的止水帶規范和嵌縫密封材料電力行業標準是國內這些技術的總結，將對普及新型止水技術和推動止水技術的進一步發展發揮積極作用。

　　參考文獻

[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]，水利學報，2001，（2）：35-38.

[2] 賈金生，郝巨濤等，面板壩周邊縫止水發展狀況和新型表層止水[J]，水利水電技術，1998，29（2）：19-22.

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