面板坝接缝新型防护盖板止水结构试验

孙志恒，邱祥兴，张 军

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.国网新源控股有限公司，北京 100761）

0 前 言

混凝土面板坝是近30多年来发展较快的坝型，它具有投资省、工期短、安全性好、施工方便、适应性强等优点，在国内外得到了普遍的推广和应用。但是，在混凝土面板防渗体系中，接缝止水仍然是薄弱环节。2000年以后建设的高混凝土面板坝中，除水布垭周边缝在约1/2坝高以下采用了三道止水，其余均只设两道止水，取消了中部止水带，由此可见接缝表层止水是整个止水体系中的一个重要部分，特别是对于高面板坝，整体止水系统的研究重点是表面止水的结构形式与材料的选择。

目前，在混凝土面板坝接缝 （周边缝、趾板缝和面板接缝）表面止水设计中，通常采用在面板接缝止水表面设置防护盖板。我国目前普遍采用柔性防水卷材作为防护盖板，常用的有三元乙丙（EPDM）板、橡胶板和复合SB橡胶板等。洪家渡面板坝工程中提出了三复合盖板，并把盖板作为一道止水进行要求，其橡胶板由三元乙丙橡胶板和强度较高的橡胶板复合硫化而成。但是，这种做法存在以下问题：首先，混凝土面板表面的平整度很难控制，平整度误差通常在1 cm以上，膨胀螺栓最小间距通常为15 cm，盖板与混凝土表面间存在缝隙；其二，混凝土面板周边缝缝口是曲折多变的，存在多个T形或L形折角，在施工过程接头定做和角钢安装很难保证质量，缝隙和缺陷的存在会增加周边缝的库水渗漏量；其三，防护盖板通过螺栓及角钢固定在混凝土表面，紧固螺栓施工工艺复杂，安装较难，难以保证质量；其四，螺栓在水位变化区容易发生冰冻拉拔脱落，且钢板或角铁压条抗锈蚀能力较差，长期在水中及水位变化区容易生锈，耐久性较差。

1 面板坝表层新型防护盖板止水结构

混凝土面板接缝表层新型防护盖板止水结构是将SK刮涂聚脲 （单组分聚脲）刮涂在塑性填料和混凝土表面，固化后形成全封闭的柔性防渗涂层，与混凝土粘接成一体，既可以作为一道独立的表层止水层，又可以保护下部GB、SR、IGAS等塑性填料，是一种能够对面板接缝实行有效的柔性全封闭的表面止水结构。

SK刮涂聚脲的厚度根据坝高确定，塑性填料表面及其与面板接触的拐角部位涂刷厚度一般为4～6 mm，两侧与混凝土接触的长度大于20 cm，厚度大于2 mm。

混凝土面板坝接缝表层新型防护盖板施工工艺为：沿接缝V形槽内放置胶棒，胶棒上覆盖GB柔性填料 （或其他柔性填料），对接缝周边混凝土表面进行打磨、清洗，晾干后涂刷专用界面剂，待界面剂表干后直接刮涂第一层SK刮涂聚脲，并在接缝部位复合30~40 cm宽的胎基布，再涂刷数遍SK刮涂聚脲 （根据设计聚脲的厚度来确定涂刷遍数），直至接缝部位聚脲厚度达到设计值。SK刮涂聚脲与混凝土搭边之间进行收边处理，边缘打磨成三角型，边缘深度2～3 mm，边沿涂刷的刮涂聚脲与混凝土平滑过渡。新型防护盖板止水结构示意图如图1所示。

2 接缝表层柔性防护盖板材料

2.1 SK刮涂聚脲及技术参数

SK刮涂聚脲为单组分聚脲，由异氰酸酯预聚体和封闭的胺类化合物、助剂等构成的液态混合物，采用涂刷、辊涂或刮涂方法施工，在空气中水分作用下，封闭的胺类化合物产生端氨基并与预聚体产生交联点而形成的弹性涂层。

SK刮涂聚脲为脂肪族材料，具有如下特点：①耐老化性能好，不变色；②无毒，可用于饮用水工程；③防渗、抗冲磨性能好；④强度高、延伸率大，与基础混凝土粘接好；⑤耐老化，耐化学腐蚀；⑥材料抗冻性能好，在-45°C条件下，材料仍为柔性；⑦对混凝土裂缝及接缝表面封闭时可以复合胎基布；⑧局部缺陷修补使用同一种材料，施工简单、方便，便于推广。

SK刮涂聚脲分为 “抗冲磨型”和 “防渗型”两种。根据工程的特点，面板坝接缝表面防护采用防渗型SK刮涂聚脲，其主要技术参数见表1。

表1 SK刮涂聚脲（防渗型）主要技术指标

2.2 SK刮涂聚脲与混凝土之间的粘结试验

将SK刮涂聚脲用于混凝土面板坝接缝表层防护盖板，聚脲与混凝土之间的粘结强度至关重要，为此专门研制了潮湿型界面剂，在混凝土表面先涂刷薄层界面剂，再涂刷SK刮涂聚脲，粘接强度会大大提高。粘接试验结果表明，SK刮涂聚脲的本体强度增长比较慢，初凝时间较长，与混凝土表面的界面剂可以充分反应，故SK刮涂聚脲与混凝土之间的粘结强度很高，并且随着固化时间的延长而增大，在使用界面剂的前提下，SK刮涂聚脲与潮湿面混凝土之间的粘结强度大于2.0 MPa（或大于混凝土本体抗拉强度）；SK刮涂聚脲在混凝土干燥的条件下比潮湿条件下，与混凝土之间的粘结强度高。

图1 面板坝接缝新型防护盖板止水结构

为了验证水位以上、水位变化区及水位以下SK涂刷聚脲与面板混凝土之间的粘接强度及耐久性，在北京十三陵抽水蓄能电站上库混凝土面板表面做了局部涂刷SK涂刷聚脲防护试验，并进行了跟踪测试。试验从2008年开始，一直跟踪测量到2012年，试验结果见表2。从表2可以看出，无论在水上、水下还是水位变化区，经过5年的运行，SK刮涂聚脲与面板混凝土之间的粘接强度大于2.0 MPa，随着时间的推移，粘接强度基本上没有变化，涂层耐久性很好。

表2 SK刮涂聚脲与面板混凝土现场粘结强度MPa

2.3 不同温度下SK刮涂聚脲的强度及伸长率测试

为了研究SK刮涂聚脲本体抗冻性能，采用高低温电子万能试验机测试SK刮涂聚脲在低温环境下的拉伸强度及断裂伸长率，防渗型刮涂聚脲测量结果见表3。

表3 SK刮涂聚脲力学性能检测结果

从表3可以看出，SK刮涂聚脲 （防渗型）在低温环境下仍具有良好的柔性，拉断伸长率大于100%，拉伸强度大大提高。

2.4 氙灯人工气候老化试验

氙灯人工气候老化试验是以氙灯为光源，模拟和强化光、热、空气、温度、湿度和降雨等主要因素的一种人工气候老化试验方法。

试验结果如表4所示。从表4的结果可以看出， SK刮涂聚脲耐老化性能最好，双组份聚脲和三元乙丙盖板耐老化性能次之，天然橡胶耐老化性能最差。

表4 氙灯人工加速老化实验成果

3 新型防护盖板止水结构抗冻试验

为了解SK刮涂聚脲对混凝土冻融破坏的防护效果，进行了室内抗冻试验。第一组抗冻试验采用10 cm×10 cm×40 cm的模型试块，混凝土试块抗冻标号小于F50。试件成型后养护28 d以上，在中部四周打磨20 cm宽，涂刷界面剂及SK涂刷聚脲（2mm厚），20天以后放入快速冷冻设备中，按DL/T 5150—2001《水工混凝土试验规程》中的混凝土抗冻性试验步骤进行。

抗冻试验结表明，冻融100次时，未涂刷聚脲的混凝土已经出现50%以上的混凝土表面剥蚀破坏，涂刷聚脲部分的混凝土未剥蚀；冻融300次时，未涂刷聚脲的混凝土已经出现100%的混凝土表面剥蚀破坏，且冻融剥蚀较深，涂刷聚脲部分的混凝土未剥蚀。如果面板混凝土是抗冻的，无论端头是否封闭，涂刷聚脲与混凝土之间粘接均很好。

4 新型防护盖板止水结构长期变形情况试验

为了验证新型柔性盖板止水结构在面板大变形的条件下的耐久性，加工了50 cm×50 cm×20 cm的混凝土试块，两块试块中间预留2～3cm宽的缝 （模拟接缝），接缝表明涂刷界面剂及SK刮涂聚脲，柔性填料表面的SK刮涂聚脲厚度为4～6 mm，柔性填料与混凝土面拐角处聚脲厚度为6 mm，混凝土表面的聚脲厚度为3～4 mm。将试件接近垂直放置，一侧垫起，另一侧悬空，利用模型自重让接缝变形，并在自然环境下暴晒。模型一接缝一侧混凝土板上下剪切错动4 cm，顶部向后错动8 cm，底部向前错动4 cm；模型二接缝顶部长期受拉张开4.5 cm，并有前后3 cm的错动，底部混凝土受挤压。从目前观察的情况来看，暴晒一年半后两个模型接缝表层SK刮涂聚脲无破损及老化现象。

5 现场试验

辽宁蒲石河抽水蓄能电站上库挡水建筑物为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程395.50 m，最大坝高78.5 m，年最高气温达35℃，最低气温-38℃，上水库总库容为1351万m3。蒲石河抽水蓄能电站上水库正常蓄水位392.00 m，死水位360.00 m，每天水库水位陡降、陡升最大落差达32 m，面板堆石坝冬季运行与检修受冰冻影响较常规电站更为严重。

2010年6月，采用新型柔性盖板止水结构在蒲石河蓄能电站上库混凝土面板坝进行了现场试验，试验选择面板36板与37板之间的一条张性接缝，缝长31 m。混凝土面板坝接缝表面采用槽内嵌填橡胶棒及GB柔性填料，表面涂刷SK刮涂聚脲，刮涂聚脲内部复合胎基布。混凝土面板接缝表面防渗具体施工工艺如下：

（1）用角磨机沿混凝土接缝对混凝土表面打磨，并用清水进行清洗，除去灰尘，使表面干净、无污物。

（2）自然晾干后，在接缝两侧混凝土表面涂刷GB柔性填料粘结胶；待粘结胶指触不粘时 （2～3 h），安装GB橡胶止水棒，然后嵌填GB柔性填料，GB柔性填料要填压密实、平整。

（3）GB柔性填料嵌填结束后，沿GB柔性填料两侧混凝土表面涂刷潮湿型界面剂 （总宽60 cm），涂刷均匀、无漏涂。

（4）待潮湿型界面剂表干后 （4～5 h）， 直接刮涂SK刮涂聚脲。涂刷第一遍后，马上粘贴胎基布，将胎基布 （30 cm宽）与SK刮涂聚脲融为一体。SK刮涂聚脲的厚度可以通过面积和涂刷遍数来控制，保证接缝部位 （25 cm范围内）聚脲厚度大于5 mm，边缘部位聚脲厚度大于2 mm。涂刷均匀，每次涂刷一次成型，不要来回涂，防止出现小包。

（5）整体施工结束后，采用自然养护， 20 d左右材料可以达到95%以上强度。养护期间不怕雨淋、暴晒。

运行一年后对接缝新型防护盖板进行了检测，检测结果表明SK刮涂聚脲表面未出现老化及边缘脱开现象；拉拔试验表明，SK刮涂聚脲与面板混凝土之间的粘接强度均大于2.5 MPa。目前已运行3年，情况良好。

6 结 语

通过对面板堆石坝面板接缝采用新型柔性盖板止水结构及配套施工技术的研究，并结合在蒲石河抽水蓄能电站上库面板接缝进行的现场试验表明，SK刮涂聚脲作为表层止水材料具有拉伸强度高、延伸率大、与基础混凝土粘接好、耐老化性能好、耐冲击性能好等特点；接缝表层新型柔性盖板止水结构具有表面防护可靠、防渗效果及耐久性好、易于施工、经济效益显著等优势。SK刮涂聚脲作为表层防护涂层可以单独作为一道独立的防水结构层，大大提高了面板接缝防渗的可靠性，并且便于维修，值得推广应用。

［1］孙志恒，李萌，倪燕，等.SK柔性防护涂料在伸缩缝及裂缝快速修复中的应用［J］.大坝与安全， 2011（1）:48-51.

［2］郭卫平，张军.潘口水电站面板堆石坝防渗系统设计土石坝技术［C］//2010年论文集.北京： 中国电力出版社，2010.

［3］300 m级高面板堆石坝防渗和止水系统适应性研究专题研究成果报告［R］.北京：中国水利水电科学研究院，2010.

［4］王建峰，刘海友.巴贡水电站混凝土面板坝表面分缝止水施工研究［C］//现代堆石坝技术进展，2009.