混凝土面板坝止水带设计与柔性填料 贾金生，郝巨涛，陈肖蕾 ( 中国水利水电科学研究院，北京100044) 关键词：止水带；柔性填料；设计原则；控制指标；混凝土面板堆石坝；高坝 摘 要：1998年以前完工的30座100 m以上的面板坝中，有约1/6的坝蓄水后漏水量大而采取了减少漏水的工程措施。为提高100 m以上高面板坝止水的安全可靠性与耐久性，对其止水带结构型式及柔性填料的性能等进行了研究，提出了高钢筋混凝土面板坝止水带的设计原则，阐述了柔性填料的工作原理并确定了性能控制指标
前言 自1985年以来，我国经过科研、设计、施工等单位的协同攻关，已先后成功将钢筋混凝土面板这种止水防渗形式用于十三陵抽水蓄能电站全池防渗、福建芹山狭窄河谷陡边坡筑坝、软岩筑坝以及高寒、高海拔筑坝等工程项目上。 十三陵上池总防渗面积17.5万m2，面板接缝总长2.1万m，实测冬季最低气温达-19℃，最高气温为40.3℃，电站正常运行期间，水位涨落速度约为每小时7～9 m，电站于1995年蓄水运行，2000年实测最大渗漏量为5.63 L／s（70%～80%集中在进水口附近），相当于每天渗漏量占库容的0.011%，库盆四周测压管水位均低于库底高程［1］。该工程与德国的瑞本勒特电站抽水蓄能电站、法国拉古施抽水蓄能电站工程类似，但1955年竣工的瑞本勒特上池因每天渗漏量达到了总库容的2.13%，1974年不得不进行大范围修补，并于1993年改建为沥青混凝土全池防渗。拉古施电站上池于1975年竣工，初期实测渗漏量达到100 L／s，相当于每天渗漏量占总库容的0.432%，从1976年至1978年，不得不放空水库进行处理，并在接缝止水表面增设新的止水，经过三年的处理，渗漏量降为11.7 L／s。由此可见，十三陵上池止水材料选择与止水原则是合适的，使用的柔性嵌缝止水材料的性能控制指标达到了安全可靠的目标。 福建芹山面板坝最大坝高120 m，坝顶全长286.5 m，岸坡较陡，计算分析预估的剪切变位最大有可能达到45 mm，因此采用了文献［2］推荐的止水结构与材料，该工程于1999年10月蓄水，至今已运行2年多，测到的大坝漏水量小于5 L／s，取得了良好的效果。由于芹山面板坝取消了放空洞，因此止水做得较为细致，铜止水及新型表层止水经大模型试验，证明在125 MPa水压力作用下，即使周边缝发生沉陷6 mm、张开30 mm、剪切滑移45 mm的位移，周边缝也不会发生大的渗漏。芹山面板坝与哥伦比亚的格里拉斯面板坝（坝高125 m，剪切位移56 mm）、巴西的阿里亚面板坝（坝高160 m、剪切位移24.4 mm）类似，但格里拉斯坝、阿里亚坝的漏水量比较大，因此“九五”科技攻关取得的新型止水结构与材料的研究成果［3］可以较安全地用于100 m以上及200 m级的大型面板坝工程，如水布垭、三板溪等。 国内修建的众多面板坝工程，成功的实例是非常多的，但也有不少失败的教训，如垮坝或因渗漏量过大被迫放空水库进行修补处理等都造成了重大损失。大坝出现病险状况虽然有多种原因，但就大部分情况而言，面板坝止水不完善是其中重要原因之一。止水的费用与整个工程相比或与因漏水需放空水库进行修补而造成的损失相比往往是微不足道的，因此对100m以上的面板坝加强有针对性的止水研究及施工期止水质量、止水工艺检查就格外重要。国内的西北口、十三陵、天生桥、芹山以及水布垭等面板坝，针对止水结构与材料都做了大量的研究工作，取得了丰富的成果，为我国面板坝工程的发展奠定了良好的技术基础。DL／T5115-2000《混凝土面板堆石坝接缝止水技术规范》是国内外经验教训和科研成果的总结，本文是对此规范的进一步阐述与补充。 1 钢筋混凝土面板坝止水带设计原则 各种止水带是钢筋混凝土面板坝常采用的接缝止水材料，对于100 m以下的面板坝，各种止水带的选择与设计基本是可行的，存在的主要问题是止水带的质量检测、施工期的安装与保护等。对于100 m以上的面板坝，由于水头高、变位大，因此对应的尺寸设计、强度的尺寸效应、接头的强度、抗绕渗等问题随着坝高的增加而越来越突出，为此对止水带厚度确定、止水带的型式与尺寸等进行了较深入的研究，以增加止水带的安全可靠性。 1.1 止水带的厚度确定 橡胶和塑料止水带的厚度t应不小于6 mm，同时满足式(1)的要求。 式中，t为止水带的厚度；P为作用在止水带上的可能最大水压力，MPa；u1为接缝的设计张开值，当止水带下游侧设有衬垫材料时，应适当考虑其对接缝的设计张开值的影响；k1为安全储备系数，一般可取1.1～1.2，沉陷、剪切变位大时取大值；k2为橡胶或塑料强度的尺寸影响系数，可取0.5；k3为橡胶或塑料止水带接头强度与母材强度之比，应根据试验确定，橡胶止水带采用现场硫化方法接头时，k3可取0.5～0.7，PVC止水带采用焊接方法接头时，k3可取0.8；R为橡胶或塑料止水带的设计拉伸强度；R0为橡胶或塑料止水带的标准试片拉伸强度，MPa，按照GB／T 528确定。 铜止水带的厚度应不小于0.8 mm，并应满足式(1)，式中k2可取1.0，铜止水带采用黄铜焊条进行单面两道对焊方法连接时，k3可取0.7～0.8。铜止水带应采用软（M）态纯铜带材加工而成，抗拉强度应不小于205 MPa，伸长率应不小于3%。式(1)中的系数是基于文献［2］、［3］、［5］中有关试验数值及国内工程的应用成果。由于橡胶或塑料止水带的标准试片拉伸强度远大于止水带成型产品的拉伸强度，通常接近2倍，故k2取0.5。 1.2 止水带的型式和尺寸 止水带型式和尺寸通常是依据工程类比确定的，国内重要工程或业主较重视的工程往往在此基础上委托科研单位进行更深入的试验及计算分析。对于止水带型式和尺寸的选择，有以下原则应该遵循： （1）设计止水带时，水压力、变位等引起的应力应小于材料的设计强度。 （2）设计水压力和接缝位移作用下，止水带应不发生或少发生绕渗，橡胶、PVC止水带承受的水头高于100 m或铜止水带承受的水头高于140 m时，宜采用类似于图1、2、3所示的复合型止水带，复合用密封材料的性能指标见表1。 （3）应尽量选择定型产品和工程应用已证明成功的产品； （4）止水带发生拉伸变位时，其承载能力和止水能力将显著降低，因此应尽量采用合适的结构型式吸收变形，避免止水带靠材料拉伸适应变形，即确定止水带中心变形部分的尺寸时，中心部分结构上的可伸展长度应大于接缝位移矢径长。 （5）止水带下部尽量设有支撑结构，避免止水带在大拉伸变位时承受高水头水荷载； （6）止水带型式和尺寸应考虑制造工艺和施工的影响，设计时应留有余地； （7）位于钢筋混凝土结构接缝中的止水带应考虑钢筋布置的影响； （8）橡胶或PVC止水带嵌入混凝土中的宽度一般为120～200 mm，原则上应不小于止水带处骨料最大粒径的4～6倍； （9）橡胶或PVC止水带一侧应有不少于2个止水带肋，为提高受拉伸断面变薄时的止水的可靠性，肋高、肋宽应不小于止水带的厚度； （10）止水带接头是止水带薄弱部分，因此止水带的接头处应设在剪切变位较小的位置，并尽量减少止水带的接头，止水带承受的剪切位移大于2.5 cm时，建议做模拟试验及分析； （11）确定铜止水带断面尺寸时，建议参照表2估算铜止水带接缝剪切位移作用下的应力水平，模拟试验测得的应力水平值应小于0.74。 2 柔性嵌缝止水材料止水原理与控制指标 文献［4］给出柔性嵌缝止水材料的控制指标见表3。柔性嵌缝止水材料是“七五”期间在国外类似材料的基础上开发出来的，经过“七五”、“八五”、“九五”攻关并结合西北口、万安溪、十三陵、芹山、水布垭等工程的研究或实践，逐步确定了柔性填料的控制指标。 周边缝常规表层止水结构是基于表层止水材料“自愈”原理的止水结构。它的工作原理是，周边缝表层嵌缝止水材料在其顶部橡胶类密封盖板等材料的覆盖保护下，在均布水压力作用和各种气温条件下，逐渐地流满变形后的缝腔，在受到周边缝中部止水或底部铜止水垫层料的支撑下，最终淤堵周边缝，形成稳定可靠的止水结构。 为了提高止水的安全可靠性，文献［2］提出了一种新型表层止水结构，在周边缝止水中，引入了金属止水与结构止水的概念，不仅简化了施工，而且将表层柔性嵌缝止水材料的工作原理简化为：周边缝表层嵌缝止水材料在其顶部橡胶类密封盖板等材料的覆盖保护下，在均布水压力作用和各种气温条件下，密封波形止水带两个固定端与混凝土之间的微小缝隙，并在波形止水带、橡胶棒的可靠支撑下，形成稳定可靠的止水结构。周边缝底部铜止水则作为一道单独止水，增加周边缝的安全性。 根据上述柔性嵌缝止水材料的工作原理并考虑耐久性及便于施工的要求，面板坝的接缝止水，尤其是周边缝的常规止水，以前曾比较强调柔性填料的拉伸强度和断裂伸长率等性能，认为强度高、断裂伸长率大，材料就比较好。根据国内外面板坝的实践经验，尤其是止水失败或止水不成功的教训看，做好止水，主要有三方面要求，即材料自身的可靠性、材料与混凝土粘接可靠性和施工性能、压力水作用下的流动性及耐冻融循环性和耐压力水的击穿性。材料自身的可靠性主要包括材料的耐久性(即在水、碱、酸盐等溶液浸泡下不能分散、分离，重量不能损失过大，经过一定数量的冻融循环后材料各项性能降低量在允许范围以内)，在均布水压力作用下耐压力水的击穿性能、流动性能及抗渗性能，耐热性、耐寒性、抗拉性能等。由于柔性填料的设计工作条件应该是在受压、受剪下止水防渗，并应尽量避免出现受拉状态，所以与其他性能相比，柔性填料抗拉性能指标的重要性相对要低一些。通常柔性填料拉伸强度低的，其扯断伸长率就大，两项指标具有相关性。表3中的抗拉性能指标数据是国内近年工程经验与研究成果的总结，与以前相比降低了要求。 柔性填料与混凝土之间粘接面的可靠性主要包括常温下与混凝土的粘接性，常温下、低温下、高温下、冻融循环条件下的粘接面的耐久性。对于用于其他水工建筑物如隧洞施工缝止水等，有时需要考虑柔性填料与新拌混凝土的粘接性及对应的粘接面的耐久性。粘接面的耐久性是指在水、碱、酸、盐等溶液浸泡下或在空气中放置一定时间，它的性能的变化在允许范围以内，如粘接面不会自动脱开，不会成为漏水通道，在承受一定的剪、拉力作用下不先于材料自身破坏等。 对于在潮湿面及水中施工的情况，则需要考虑柔性填料与对应的混凝土的粘接性及对应的粘接面的耐久性。柔性填料一般都有一定的粘结性，但通常都需要采用氯丁类、环氧类等专用粘结剂实现与混凝土面的可靠粘结，粘结的可靠性与耐久性既需要大量试验验证，也需要大量工程应用证明，否则容易给工程造成不应有的损失。 柔性填料的施工性能主要包括常温下施工的方便性、施工期材料保护的方便性、施工后柔性填料在面板坝面板倾斜的条件下及相应的温度下保持在原位的性能等。柔性填料的施工性能用数值表示较为困难，它与柔性填料的自身性能及其粘接面性能也有一定的相关性。在表3中，施工度、流淌值是相应的指标，抗拉强度、断裂伸长率是相关的指标。 表3中给出了柔性填料的密度指标，要求不小于1.15 g／cm3，原因是柔性填料密度应大于1.0 g／cm3，并有一定余度，以利于长期安全可靠。国外面板坝周边缝止水多用IGAS，国内面板坝多用GB和SR。GB止水材料的检测结果见表4、5。 文献［4］中柔性填料性能控制指标的适用范围是水利水电枢纽工程中1、2、3级和高70 m以上的4、5级混凝土面板堆石坝，但对坝高200 m以上或有特殊要求的高混凝土面板堆石坝工程，接缝止水材料还应进行专门研究。 对于一项具体工程，除厂家提供测试结果外，还应委托通过国家计量认证的单位进行检测，以保证材料的安全可靠。一般工程应检测泡水、密度、常温下与混凝土面的粘接、施工度和常温抗拉强度、常温断裂伸长率等。对于施工期须在潮湿面施工的，则需要补做潮湿面情况下与混凝土面的粘接。对于有冻融循环、低温、酸、碱、盐环境要求的工程，则应根据需要做相应的性能指标试验。
参考文献 ［1］刘连希，洪重元，郝荣国，等.混凝土全面防渗技术在蓄能电站上水库工程中应用的综合研究报告［R］.国家电力公司北京勘测设计研究院，2001年7月［2］贾金生，郝巨涛，吕小彬.福建穆阳溪芹山水电站面板坝止水结构与止水材料试验研究［R］.中国水利水电科学研究院，1997年12月［3］贾金生，郝巨涛，吕小彬，等.清江水布垭混凝土面板堆石坝新型止水结构与新型止水材料研究［R］.中国水利水电科学研究院，1998年6月［4］卢立生，傅志安，杨世源，等.混凝土面板堆石坝接缝止水技术规范DL／T5115-2000 ［5］贾金生，于骁中，甄永严，等.十三陵抽水蓄能电站上池防渗面板接缝表层止水方案与试验［R］.中国水利水电科学研究院，1995年9月 摘自北极星电技术网
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