張 軍

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省 靖安市 330603)

寒冷地區(qū)面板堆石壩混凝土面板垂直縫止水結(jié)構(gòu)的最新改進(jìn)

張 軍

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省 靖安市 330603)

寒冷地區(qū)的面板堆石壩面板垂直縫表面止水結(jié)構(gòu)受冰凍作用易遭破壞，針對(duì)這種情況，從設(shè)計(jì)到施工進(jìn)行了多次改進(jìn)。面板垂直縫SK手刮聚脲保護(hù)蓋板是一項(xiàng)最新改進(jìn)技術(shù)，施工工藝簡(jiǎn)單,防滲效果好，對(duì)塑性填料的保護(hù)可靠，耐久性好,能有效防止冰凍對(duì)止水結(jié)構(gòu)造成破壞，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

寒冷地區(qū)；面板堆石壩；垂直縫止水結(jié)構(gòu)；防冰凍；SK手刮聚脲蓋板

0 引言

混凝土面板堆石壩是由堆石或砂礫石分層碾壓填筑成壩體，在上游面采用混凝土面板作防滲體而形成的擋水壩[1]。該壩型可廣泛適應(yīng)各種地質(zhì)、地形和氣候條件，施工方便，填筑材料可就地取材，運(yùn)行安全，現(xiàn)已成為世界公認(rèn)的一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的壩型。我國(guó)自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，已建和在建的高度為30m以上的面板堆石壩已超過150座。其中，100m以上(水布埡壩高233m)的面板壩已近40座。

混凝土面板垂直縫是面板分塊形成的豎向永久接縫。位于面板拉伸區(qū)的接縫稱張性垂直縫，位于面板壓縮區(qū)的接縫稱壓性垂直縫（見圖1）。混凝土面板垂直縫不僅位移較大，而且變化復(fù)雜。在大壩施工及運(yùn)行過程中，面板垂直縫將產(chǎn)生垂直于縫面方向的張開位移、沿板厚方向的沉降位移和平行于縫面的縱向剪切位移等三向位移[2-5]。因此，面板垂直縫止水是面板壩防滲體系中的重要組成部分，其止水效果對(duì)于面板壩的安全運(yùn)行具有重要意義，若遭到破壞，整個(gè)面板防滲體系將失去防滲功能，影響大壩的正常運(yùn)行。

圖1 混凝土面板堆石壩接縫示意圖(縱剖面)

垂直縫止水結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)做法見圖2，圖中的塑性填料（以前曾稱為柔性填料）是以丁基橡膠等高分子材料為主要原料生產(chǎn)的塑性密封材料，在水壓力作用下，能由嵌縫位置擠入接縫中，發(fā)揮填縫止水作用。保護(hù)蓋板是覆蓋于塑性填料表面，起密封和保護(hù)塑性填料的作用，并均勻傳遞水壓力，輔助塑性填料發(fā)揮止水作用的片狀材料，一般采用三元乙丙橡膠等耐老化性能好的材料制作。

圖2 混凝土面板垂直縫止水結(jié)構(gòu)圖

寒冷地區(qū)的冬季寒冷而漫長(zhǎng)，面板壩冬季運(yùn)行條件嚴(yán)酷，面板垂直縫表面止水結(jié)構(gòu)在冰推力和冰拔力反復(fù)作用下，膨脹螺栓被拔出，壓條鋼板脫落，防護(hù)橡膠蓋板被撕裂，塑性嵌縫材料失去防護(hù)，在冰凍的作用下逐漸破壞。尤其在秋冬、冬春凍融交替季節(jié)，日溫差較大導(dǎo)致面板接縫位移量更大，止水結(jié)構(gòu)受損情況尤為突出。我國(guó)地處緯度最高的混凝土面板堆石壩——黑龍江省蓮花水電站面板堆石壩以及華北地區(qū)某水電站面板堆石壩就發(fā)生了上述情況。

寒冷地區(qū)抽水蓄能電站上庫(kù)大壩采用混凝土面板堆石壩的工程實(shí)例，目前只有在建的遼寧蒲石河抽水蓄能電站。該電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，工程所在地區(qū)屬溫帶濕潤(rùn)東亞季風(fēng)氣候區(qū)，冬季多受冷高壓控制，天氣寒冷干燥。對(duì)蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)面板壩止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗凍研究對(duì)于同類工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 冰凍對(duì)面板垂直縫止水結(jié)構(gòu)的影響

《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5082—1998）推薦水庫(kù)冰厚可按式（1）計(jì)算：

式中δi——水庫(kù)冰厚，m；

I0——負(fù)氣溫指數(shù)，℃·d；

ki——冰厚系數(shù)，一般可取0.022～0.026（嚴(yán)寒地區(qū)取大值）。

以遼寧蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)為例，冬季平均溫度T≈–6.8℃，取ki=0.023，不同的庫(kù)水位固定時(shí)間的冰厚計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)不同的庫(kù)水位固定時(shí)間的結(jié)冰厚度

寒冷地區(qū)的水庫(kù)結(jié)冰厚度計(jì)算還可采用斯梯芬(Stefen)公式：

式中δi——冰厚，m；

λi——冰的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)，可取2.32 W/(m·℃)；

I——凍結(jié)指數(shù)，℃·h；

Qw——水的結(jié)晶潛熱，kJ/kg，可取335kJ/kg；

ρi——冰的密度，kg/m3，可取 912 kg/m3；

T——冬季平均溫度，℃；

t——庫(kù)水位固定時(shí)間，h。

按Stefen公式計(jì)算遼寧蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)（冬季平均溫度T≈－6.8℃）不同的庫(kù)水位固定時(shí)間的冰厚計(jì)算結(jié)果見表2。表2的數(shù)值比表1偏小，但3天之內(nèi)的結(jié)冰厚度值相當(dāng)接近。

蒲石河抽水蓄能電站在正常運(yùn)行期間，水位變化頻繁，水溫偏高，水位固定時(shí)間短（不超過10h），從表2 可以看出，冰層厚度不超過3cm，當(dāng)水位再次以較快的速度（4～5m/h）上升或下降時(shí)，冰板將發(fā)生屈曲破壞，所以不會(huì)形成覆蓋整個(gè)水面的冰蓋。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，庫(kù)區(qū)中間可能會(huì)形成相對(duì)密集的冰塊，面板上會(huì)有冰棱梗附著，但對(duì)大壩面板不會(huì)構(gòu)成影響。但在機(jī)組檢修期間水位停止變化，隨著檢修時(shí)間的延長(zhǎng)，冰蓋厚度增加，隨著溫度的降低，冰與壩體護(hù)坡凍結(jié)在一起，并逐漸在整個(gè)庫(kù)面形成冰蓋，由于初期冰層薄，在溫度應(yīng)力作用下， 冰板發(fā)生屈曲破壞，隨著屈曲破壞的發(fā)生，冰層內(nèi)部的應(yīng)力能量得到釋放，此時(shí)冰板對(duì)壩坡的作用力很小。隨著水溫的降低，冰蓋厚度增加，當(dāng)冰蓋厚度超過屈曲破壞的臨界厚度，溫度脹壓力不能使冰蓋發(fā)生破壞，形成覆蓋整個(gè)水面的冰蓋，此時(shí)壩坡和岸坡承受較大的脹壓力，而面板垂直縫作為整個(gè)防滲系統(tǒng)中最為薄弱的部位，尤易破壞。

表2 按Stefen公式計(jì)算蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)不同的庫(kù)水位固定時(shí)間的結(jié)冰厚度

在結(jié)冰過程中，冰層對(duì)混凝土面板產(chǎn)生水平推力，此水平推力可分解為對(duì)面板的法向壓力和沿板面方向的剪力。當(dāng)水位下降時(shí)，冰層沿板面下滑，冰體自重對(duì)板面產(chǎn)生剪力。根據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5082—1998），靜冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值見表3。

表3 靜冰壓力標(biāo)準(zhǔn)值

蒲石河地區(qū)有記載最大冰厚為0.77m，根據(jù)表3采用內(nèi)插法確定此時(shí)靜冰壓力值約為210kN/m，換算成壓強(qiáng)為0.27MPa。

發(fā)生冰剪時(shí)，冰棱埂在面板上的作用力最大值即為冰-面板的凍結(jié)力，當(dāng)剪力超過這個(gè)值，冰與面板就會(huì)分離。所以，冰剪力值實(shí)際上是由冰棱梗與面板之間的凍結(jié)力控制。發(fā)生冰推時(shí)，冰壓力是通過面板前緣的冰蓋板施加到面板上。冰蓋板爬坡時(shí)，凍結(jié)界面必然被剪斷。凍結(jié)力越小，則冰實(shí)際能夠作用在面板上的力越小，對(duì)面板的破壞也就會(huì)越小。因此，面板垂直縫應(yīng)選擇與冰之間凍結(jié)力最弱的止水材料，設(shè)計(jì)與冰之間凍結(jié)力最弱的止水結(jié)構(gòu)，以減少冰凍對(duì)止水結(jié)構(gòu)的破壞。為此，做了以下模擬試驗(yàn)。

(1)冰與各種材料凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)。

分別進(jìn)行了冰與混凝土、橡膠板、不銹鋼板、鍍鋅鋼板、掛膠鋼板的凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境溫度－15℃。均勻施加機(jī)械壓力，直到剪斷冰板與界面材料的聯(lián)系，此時(shí)所施加的壓力P即為冰與該界面材料的凍結(jié)力，凍結(jié)強(qiáng)度τ=P/S，S為P作用的橫截面積，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 冰與不同材料的凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表4表明：冰與各種橡膠止水、壓板的凍結(jié)強(qiáng)度有很大差別。凍結(jié)強(qiáng)度順序：混凝土界面＞不銹鋼板界面＞鍍鋅鋼板界面＞掛膠鋼板界面＞橡膠板界面，橡膠止水帶中水科院加筋膠板凍結(jié)強(qiáng)度最小，壓板中掛膠鋼板的凍結(jié)強(qiáng)度略小于鍍鋅鋼板。

(2)水平冰脹力試驗(yàn)。

根據(jù)冰與止水結(jié)構(gòu)原材料凍結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選取中國(guó)水科院加筋橡膠板作為蓋板，試驗(yàn)環(huán)境溫度－15℃。冰脹力模擬試驗(yàn)共進(jìn)行2次：試驗(yàn)Ⅰ——橡膠蓋板+掛膠扁鋼壓板組合；試驗(yàn)Ⅱ——橡膠蓋板+鍍鋅扁鋼壓板組合。沿水平方向均勻施加壓力，直到剪斷冰板與止水結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，此時(shí)所施加的壓力P在沿面板方向上的分力PH=P×cosα即為冰與止水結(jié)構(gòu)的凍結(jié)力，凍結(jié)強(qiáng)度τ=PH/S，S為PH作用的橫截面積，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 冰對(duì)止水結(jié)構(gòu)水平冰脹力試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，在水平壓力作用下，冰與止水結(jié)構(gòu)之間的凍結(jié)被剪斷，其中橡膠板+掛膠鋼板的凍結(jié)強(qiáng)度小于橡膠板+鍍鋅鋼板的凍結(jié)強(qiáng)度。冰為整體脫離，并沿坡面向上運(yùn)動(dòng)，冰樣未發(fā)生破碎，橡膠面板多數(shù)區(qū)域無(wú)冰附著，少部分有冰，整個(gè)橡膠止水結(jié)構(gòu)外觀形式無(wú)破壞。

(3)止水結(jié)構(gòu)抗剪試驗(yàn)。

模擬電站正常運(yùn)行期間面板止水結(jié)冰情況澆注冰樣，進(jìn)行剪切力試驗(yàn)。檢驗(yàn)冰棱梗的剪切作用是否對(duì)止水結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。試驗(yàn)環(huán)境溫度_8.5℃。冰體受力區(qū)域貼近坡面，試驗(yàn)時(shí)沿坡面向下均勻施加壓力，直到剪斷冰體與止水結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，此時(shí)所施加的壓力P即為冰與止水結(jié)構(gòu)的凍結(jié)力，凍結(jié)強(qiáng)度τ=P/S，S為P作用的橫截面積，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 冰與止水結(jié)構(gòu)之間剪切試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：在平行于面板的剪切力作用下，冰與止水結(jié)構(gòu)之間的凍結(jié)被剪斷，止水結(jié)構(gòu)未破壞。冰為整體脫離，冰樣未發(fā)生破碎，橡膠面板多數(shù)區(qū)域無(wú)冰附著，少部分有冰。橡膠板+掛膠鋼板止水形式的凍結(jié)強(qiáng)度低于橡膠板+鍍鋅鋼板凍結(jié)強(qiáng)度。因剪切力試驗(yàn)溫度高于水平冰脹力試驗(yàn)溫度，所以表6中的凍結(jié)強(qiáng)度低于表5中的凍結(jié)強(qiáng)度。

2 面板垂直縫止水結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，壓板為掛膠鋼板的凍結(jié)強(qiáng)度低于壓板為鍍鋅扁鐵的凍結(jié)強(qiáng)度，考慮到掛膠鋼板比鍍鋅鋼板造價(jià)高出64%，而凍結(jié)強(qiáng)度降低不大，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，面板垂直縫止水結(jié)構(gòu)上部防護(hù)材料采用橡膠蓋板和鍍鋅扁鋼結(jié)構(gòu)，冰與止水結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)結(jié)（凍結(jié)）被破壞時(shí)，止水結(jié)構(gòu)本身不被破壞。但是，黑龍江省蓮花水電站面板堆石壩在投入運(yùn)行的頭兩年冬季，面板垂直縫上部止水結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞，分析原因，是由于膨脹螺栓的螺母突出于壓板，大大增加了凍結(jié)強(qiáng)度，以致在冰推力和冰拔力反復(fù)作用下，膨脹螺栓被拔出，壓條鋼板脫落，防護(hù)橡膠蓋板被撕裂。針對(duì)這種情況，采取了重新鉆孔、改用沉頭膨脹螺栓固定壓板的措施，避免螺帽突出以致增加凍結(jié)強(qiáng)度，取得了良好效果。

在上述改進(jìn)的基礎(chǔ)上，為了簡(jiǎn)化工藝，保證質(zhì)量，對(duì)蒲石河上水庫(kù)面板壩面板垂直縫止水結(jié)構(gòu)進(jìn)一步做了改進(jìn)：混凝土面板預(yù)留橡膠蓋板的下臥槽；將膨脹螺栓改為沉頭螺栓；將螺母套筒固定在鍍鋅扁鋼壓板上，在澆筑面板混凝土?xí)r進(jìn)行預(yù)埋（見圖3）。上述改進(jìn)，有效降低了止水結(jié)構(gòu)與冰的凍結(jié)強(qiáng)度，增加了緊固件的錨固力，提高了止水結(jié)構(gòu)抵抗冰推力和冰拔力的能力，保證了垂直縫止水上部結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確定位，避免了因膨脹螺栓鉆孔對(duì)面板混凝土產(chǎn)生的凍脹破壞，提高了止水結(jié)構(gòu)和面板混凝土的耐久性。

圖3 蒲石河上水庫(kù)面板堆石壩面板垂直縫止水結(jié)構(gòu)做法

隨著技術(shù)的革新及新材料的研發(fā)與應(yīng)用，在蒲石河抽水蓄能電站面板垂直縫止水結(jié)構(gòu)施工過程中，采用 SK 手刮聚脲取代面板垂直縫止水塑性填料表面的橡膠蓋板，將SK手刮聚脲刮涂在塑性填料和混凝土表面，固化后形成柔性保護(hù)層，與混凝土粘接成一體，保護(hù)塑性填料，是一種能夠?qū)Υ怪笨p進(jìn)行有效封閉的表面止水結(jié)構(gòu)型式（見圖4）。這種SK手刮聚脲保護(hù)蓋板作為一種面板垂直縫新型防滲處理技術(shù)，在蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)混凝土面板堆石壩 36 板與 37 板之間的31m長(zhǎng)張性垂直縫進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用。

圖4 面板垂直縫止水SK手刮聚脲保護(hù)蓋板示意圖

SK手刮聚脲為單組分，材料混合均勻，具有以下優(yōu)異的物理力學(xué)性能：防滲能力強(qiáng)、拉伸率大、抗沖耐磨，與混凝土黏結(jié)良好；低溫柔性好，在_40℃條件下對(duì)折不產(chǎn)生裂紋，抗凍性好。SK手刮聚脲不含催化劑，分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有優(yōu)異的耐水、耐化學(xué)腐蝕及耐老化等性能，在水、酸、堿、油等介質(zhì)中長(zhǎng)期浸泡，性能不降低。其力學(xué)性能指標(biāo)見表7。

BE14 界面劑是SK 手刮聚脲與底材的接面劑，是一種 100%固含量的環(huán)氧底漆，該底漆可在飽和水或干表面施工，滲透性好，能充分滲透進(jìn)混凝土基材內(nèi)1～2mm。基材處理后，在混凝土表面均勻涂刷 BE14 界面劑，保證 SK 手刮聚脲與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度大于 2MPa。

表7 SK 手刮聚脲物理力學(xué)性能指標(biāo)

SK手刮聚脲保護(hù)蓋板施工工藝：

(1) 用角磨機(jī)沿混凝土垂直縫預(yù)留槽表面及預(yù)留縫槽內(nèi)進(jìn)行打磨，打磨寬度至混凝土預(yù)留槽兩側(cè)邊沿，并用清水進(jìn)行清洗，除去灰塵，使表面干凈、無(wú)污物。

(2) 自然晾干后，在預(yù)留縫槽內(nèi)涂刷 GB 塑性填料黏結(jié)膠（向槽兩側(cè)外延 2cm），待黏結(jié)膠指觸不粘時(shí)（2～3h），安裝GB橡膠止水棒，然后嵌填GB塑性填料，要填壓密實(shí)、平整。

(3) GB 塑性填料嵌填結(jié)束后，沿 GB 塑性填料兩側(cè)預(yù)留槽混凝土表面涂刷 SK-BE14 界面劑，涂刷均勻、無(wú)漏涂。

（4）待 SK-BE14 界面劑表干后（4～5h），直接刮涂SK手刮聚脲，其允許作業(yè)時(shí)間在2h以內(nèi)，涂布4～5遍。SK手刮聚脲涂刷第一遍后，馬上粘貼胎基布，將胎基布（20～30cm寬）與SK 手刮聚脲融為一體。SK手刮聚脲的厚度可以通過面積和涂刷遍數(shù)來(lái)控制，保證垂直縫部位（25cm 范圍內(nèi)）聚脲厚度大于5mm，邊沿部位聚脲厚度大于3mm。涂刷均勻，涂刷一次成型，不要來(lái)回涂，防止出現(xiàn)小包。

(5)整體施工結(jié)束后，采用自然養(yǎng)護(hù)。完成后的面板垂直縫SK手刮聚脲保護(hù)蓋板見圖5。

圖5 完成后的面板垂直縫SK手刮聚脲保護(hù)蓋板

3 結(jié)束語(yǔ)

混凝土面板堆石壩面板垂直縫SK手刮聚脲保護(hù)蓋板具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)施工工藝簡(jiǎn)單，效率高，質(zhì)量容易保證。

(2) 垂直縫外觀平整，光潔度高，防滲效果好，對(duì)塑性填料的保護(hù)可靠。

(3) 耐久性好，與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度高，現(xiàn)場(chǎng)的黏結(jié)拉拔力試驗(yàn)。

(4) 取消緊固件，大大降低冰的凍結(jié)強(qiáng)度，能有效地防止冰凍對(duì)止水結(jié)構(gòu)造成破壞。

(5) 每延長(zhǎng)米造價(jià)略高于采用膨脹螺栓和角鋼作為緊固件等常規(guī)做法，但低于蒲石河上水庫(kù)面板堆石壩采用沉頭螺栓等抵抗冰凍措施的做法（見圖 3）。

蒲石河抽水蓄能電站上水庫(kù)面板堆石壩在面板一條張性垂直縫試驗(yàn)應(yīng)用的SK手刮聚脲保護(hù)蓋板于已完成4年的時(shí)間，經(jīng)歷了5個(gè)冬季和上水庫(kù)大壩運(yùn)行4年的考驗(yàn)，直觀檢查未發(fā)現(xiàn)任何變化。目前，浙江仙居抽水蓄能電站和云南金沙江梨園水電站的面板堆石壩也已采用這樣的止水結(jié)構(gòu)，面板垂直縫這種最新的止水結(jié)構(gòu)具有很好的推廣應(yīng)用前景，尤其是對(duì)于寒冷地區(qū)的面板堆石壩，其防止冰凍破壞的性能更是令人青睞。

[1] 張光斗. 混凝土碾壓面板堆石壩的設(shè)計(jì)與施工［J］. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1994，15(1):121-126.

[2] 謝曉華，李國(guó)英. 成屏混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形分析［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(2):243-246.

[3] 顧淦臣，黃金明. 混凝土面板堆石壩的堆石本構(gòu)模型與應(yīng)力變形分析［J］. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1991，(1): 12-24.

[4] 田艷，王瑞駿，呂海東. 積石峽面板堆石壩應(yīng)力變形非線性有限元分析［J］. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2007，18(5): 71-74.

[5] 王仁超，劉金飛，李仕奇. 高心墻堆石壩填筑分期分區(qū)優(yōu)化模型［J］. 土木工程學(xué)報(bào)，2008，41(2): 105-110.

張 軍，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：水工與造價(jià)。E-mail：jun-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

Latest Improvement of Sealing Structure for Vertical Joints of Concrete Face of Rockfill Dam in Frigid Area

ZHANG Jun
(Jiangxi hongping pumped storage company limited, Jingan 330603, China)

The design and construction of vertical fracture sealing structure have been improved many times based on the situation that the vertical fracture sealing structure of the concrete faced rockkill dam is easily damaged by freezing in frigid area. SK brushing polyurea coverplate of face vertical fracture is the latest improvement technology which has lots of advantages, such as simple for construction, the reliable protection of seepage prevention effect and plastic filling materials, long durability, the effective prevention of the sealing structure’s damage by freezing. It is valuable for popularization and application.

the frigid area; face rockfill dam; vertical fracture sealing structure; anti-freezing; SK brushing polyurea coverplate