寒冷地区结冰现象对混凝土面板堆石坝接缝止水体系的影响

梁希林，赵 波，李敬玮，何旭生

（1.松江河电站建设局，吉林 吉林 134500；2.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

混凝土面板堆石坝在我国水电工程建设中已被广泛采用，其面板接缝的止水结构体系在大坝的安全运行中占有重要位置。中国水利水电科学研究院在“九五”、“十五”期间对止水体系，包括结构和材料进行了深入系统的研究，提出了如图1所示的止水结构，目前国内高面板坝工程通常采用这种结构。

止水体系普遍采用的锚固系统是用膨胀螺栓和扁钢压条将止水盖板锚固在混凝土面板和趾板上。北方寒冷地区冬季库区形成冰盖，并与止水体系冻结在一起，由于库区水位的频繁变化，冰盖会对止水锚固体系产生较大的影响，甚至造成止水体系局部出现膨胀螺栓拔出而失去锚固功能的情况，如牡丹江莲花面板坝、吉林小山面板坝及青海小干沟面板坝等都出现过结冰造成的止水体系局部破坏现象［1］。因此，研究寒冷地区面板坝工程止水体系及提高安全运行措施至关重要。

本文总结分析寒冷地区库区结冰对止水锚固体系的破坏作用，结合模拟试验，讨论止水体系安全运行要求及工程建议。

2 结冰对止水锚固系统的破坏方式

止水体系在库区结冰过程中会与冰产生冻结，包括止水盖板和扁钢压条与冰的冻结。随着水位的变化，会因冰上下移动的趋势产生作用于止水锚固系统的拉拔力，造成止水体系局部出现膨胀螺栓拔出、角钢被拉弯及止水带被撕裂等破坏现象。经过总结和分析，结冰的破坏作用主要有以下几种方式：（1）冻融对锚固螺栓锚固力的影响。由于膨胀螺栓锚固孔没有进行密封处理或处理不当，水进入孔内，使孔内混凝土表面受到冻融破坏，孔内水的结冰膨胀作用对膨胀螺栓和混凝土之间的紧密接触造成影响，从而降低锚固螺栓的锚固力；（2）结冰过程中出现的冰层对锚固螺栓的冻胀拉拔力，图2说明了冻胀拉拔力产生的原因。降温过程中冰与膨胀螺栓外露部分冻结，随着温度的降低，冰层的膨胀对螺栓产生冻结拉拔力；（3）由于冰盖与止水体系的冻结，主要包括与膨胀螺栓外露部分、扁钢压条以及盖板，在水位变化时对锚固系统产生破坏拉拔力以及剪切力。

本文针对以上影响因素分别进行了试验研究。

3 试验研究

3.1 冰层对膨胀螺栓冻胀拉拔力测定

3.1.1 试验原理和方法 将旋有螺母的M10的膨胀螺栓立于水槽中央（螺母端向下），螺杆下顶端粘上一薄层塑性GB胶，以避免螺杆顶端受到冰的膨胀力作用。螺杆没入水中30mm，螺杆水面上端同样粘上一层塑性GB胶，以保证在冰膨胀过程中螺杆受力长度不变。螺杆上顶端与应力传感器接触，整个测量过程中保持应力传感器与水槽底部的距离不变。通过应力传感器就可以对冰在膨胀过程中施加在螺杆上的力进行测量。试验装置如图3所示，为了消除降温过程中试验仪器的系统误差，试验中针对每一降温速率分别进行水槽中有水和无水试验，无水试验结果作为空白试验，以消除测量系统降温引起的误差。试验中分别采用40℃/2h、40℃/4h、40℃/6h的速度降温，然后恒温1～2h。

3.1.2 测试结果 不同的降温速率得到的冻胀拉拔力列于表1中。试验结果表明，降温速率越大拉拔力越大，然而实际情况降温速率远小于试验采用的降温速率。图4是降温速率为40℃/2h得到的冻胀拉拔力曲线，试验中得到的最大拉拔力应大于实际冰对螺杆的拉拔力。为确保工程安全，30mm长度冻结螺杆选择试验中最大拉拔力值F冰膨胀拉拔＝1016N作为估算基础。

表1 不同降温速率下的最大拉拔力

3.2 冰盖与止水体系的冻结力测定

3.2.1 测试方法 冰与扁钢压板冻结强度测定方法见图5。试验将金属板固定在水面上，下表面接触水，放入低温箱12h，使金属板下表面与冰冻结在一起，然后在拉力机上拉拔，测试破坏强度。同理，测试GB橡胶盖板及螺栓与冰的冻结强度。螺栓与冰的冻结力测试方法见图6。

3.2.2 测试结果 表2为不同冻结温度下测定的止水体系中不同材料与冰的冻结强度数据。

表2 冰层与止水体系冻结力数据

由表2可见，螺栓与冰的冻结拉拔破坏力最大为3.39kN；扁钢与冰冻结强度最大为0.314MPa；橡胶盖板的冻结强度最大为0.021MPa。

3.3 膨胀螺栓锚固力试验研究 膨胀螺栓锚固力的大小是止水系统密封可靠的基础，特别是低温存在结冰现象的情况下，其大小直接关系到止水系统可靠性。本文采用工程中普遍应用的M10膨胀螺栓进行试验。

3.3.1 膨胀螺栓锚固力测定 在膨胀螺栓锚固系统中，膨胀螺栓螺母的上紧力是很重要的一个参数，螺母的松紧程度直接影响到膨胀螺栓所能提供的锚固力。试验中采用体积为150mm×150mm×150mm的C30混凝土试块，一面的中心打孔锚固M10mm×120mm膨胀螺栓，植入深度80mm。采用不同力矩上紧螺母。停放24h后进行拉拔试验。表3是试验中得到的螺母上紧力与膨胀螺栓拉拔力之间的关系。

表3 膨胀螺栓螺母上紧力与其提供拉拔力的关系

由表3可见，膨胀螺栓提供的锚固力随着螺母上紧力的提高而提高，当上紧力矩达到8N·m以上时，M10规格的膨胀螺栓拉断，达到了M10螺栓所能提供的锚固力极限值，其提供的最大锚固力超过32kN。

3.3.2 锚固孔不同密封方式的冻融破坏程度比较 为了研究锚固孔不同密封方式的锚固效果，试验选择了不使用灌注密封剂、采用SK环氧粘接剂灌注及采用GB弹性密封剂灌注密封共3种方案进行对比试验。试验中采用100mm×100mm×100mm的混凝土试件，按照3种试验方案安装膨胀螺栓，埋入深度为80mm，膨胀螺栓的上紧力矩为20N·m。常温固化养护7d，取3种方案的试件各一组进行300次冻融实验，对试件进行拉拔力测试。表4是不同粘接灌注料冻融与否的拉拔力测试结果以及试件的破坏形式。

表4 不同密封型式的膨胀螺栓冻融与否拉拔力和破坏形式

试验结果表明，不用粘接剂灌注的膨胀螺栓试件经过冻融后全部开裂损坏。对于GB弹性密封剂和SK环氧粘结剂密封的试件，外形完整。从拉拔的破坏形式及数值可以看出，SK环氧粘结剂灌注的试件的拉拔破坏强度明显高于GB弹性密封剂灌注密封的试件，且其拉拔破坏力的分散性小，说明SK环氧粘结剂做为灌注密封剂明显好于GB弹性密封剂。

膨胀螺栓拉拔中另一个重要的参数是拉拔过程中螺栓的位移情况，理想的情况是在很小的拉出位移情况下提供很大的拉力。表5是不同上紧力的膨胀螺栓拉拔力达到10kN时的拉出位移值。

表5 10kN拉拔力的拉出位移

从表5可见，拉出位移随上紧力距的提高有减小的趋势，但10N·m以后不明显。对比表5最后2列数据表明，利用SK底胶做为灌注粘接剂的锚固螺栓不但提供更高的锚固力，而且拉出位移小，说明SK底胶做为灌注粘接剂的锚固方式有更好的稳定性和可靠性。

4 止水体系锚固安全的讨论和分析

冰盖形成并与止水体系冻结后，水位变化时会使冰盖上移或下滑，上升时冰盖对锚固系统的影响见图7，下滑时影响类似，都会对锚固螺栓形成垂直的拉拔力和剪切力。

对剪切力不再进行定量的试验研究，其对锚固系统的影响更多的是剪切疲劳破坏，长期作用可能会引起锚固螺栓的松动。对拉拔力的作用分析以冰的冻结破坏作为破坏的极限条件，因为各种受力方式最苛刻的极限情况都可以归结为冰与止水体系冻结的破坏。现以工程上有代表性的止水体系参数为基础进行分析，参数假设如下：（1）锚固压条采用扁钢，宽度为60mm；（2）锚固螺栓间距250mm；（3）锚固螺栓锚固后突出部分30mm；（4）盖板规格采用宽度为900mm的GB橡胶盖板。

若不考虑盖板与下层填料等部分的粘接作用，假设所有的力都传递到螺栓上。则一个锚固螺栓承受的冰的极限拉拔力可以认为由两部分组分：

其中：F冰冻胀拉拔为由于冰膨胀而产生的对螺杆拉拔力；F冻结拉拔为冰与止水体系不同部分冻结为一体，由冰盖的运动趋势产生的对止水锚固系统的拉拔力，它由3部分组成，分别是冰与扁钢、冰与橡胶盖板以及冰与膨胀螺栓的冻结拉拔力。

由前面表2的数据和假设的止水体系参数，计算结果总结如下：F扁钢-冰冻结＝0.314×250×60×10-3＝4.71kN；F盖板-冰冻结＝0.021×250×450×（π/2）＝2.36kN；F膨胀螺栓-冰冻结＝3.39kN；F冻胀拉拔＝1.02kN。

由此得到1根螺栓上可能受到的最大拉拔力F极限拉拔=11.48kN。然而工程实际中上面的4个力不太可能同时达到最大，并且还有止水体系的其他部分的粘接作用来分担拉拔力等因素，但这个值对分析锚固系统的可靠性是有意义的。

若采用平头膨胀螺栓则可以基本消除冻胀拉拔力和冰与膨胀螺栓的冻结力，这种情况下F极限拉拔力=F扁钢-冰冻结+F盖板-冰冻结=7.07kN，另外消除了冰盖对锚固螺栓的剪切力疲劳损伤作用，可大大提高工程可靠性。

通过分析可知，1根功能完好的M10膨胀螺栓可以提供32kN以上的锚固力，而处理不当的膨胀螺栓提供的锚固力会低于11.48kN，如果由几根处理不好的螺栓处在临近的位置，则有可能造成锚固失效。因此，锚固螺栓的正确处理是工程安全的关键。

5 结论及工程建议

本文通过对结冰所产生的冻胀对锚固系统的拉拔破坏力值及冰与螺栓冻结强度、冰与扁钢压条及橡胶盖板的冻结强度等参数的试验测定和分析，得到结冰对止水锚固系统影响的一些定量结果，这些结果对工程设计和施工有一定的参考价值，总结如下：（1）膨胀螺栓螺母上紧力要达到8kN以上，单根M10膨胀螺栓能提供32kN以上的拉拔力，所以功能正常的膨胀螺栓在工程上是安全可靠的；（2）对于平头膨胀螺栓拉拔力为7.07kN，并消除了剪切力作用，可以大大提供工程可靠性；（3）普通膨胀螺栓锚固孔的冻融或冻胀破坏是很严重的，工程中应该利用胶粘灌注料进行粘接和封堵；灌注胶粘剂不仅仅提供冻融或冻胀的保护，选择合理的灌注密封剂还可以提供理想的锚固行为和施工可靠性；灌注胶粘剂的选择上应避免弹性的、低模量的胶种，要选择粘接力强、模量高的结构胶粘剂，如SK环氧胶粘剂；膨胀螺栓锚固和胶粘剂粘接的协同作用能提供更可靠的锚固效果。

［1］苏萍，金正浩，金伟.寒冷地区面板堆石坝面板顶部止水研究［J］.水力发电，2002，28（7）：29-31.