寒冷地区面板堆石坝混凝土面板垂直缝止水结构的最新改进

张 军

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省 靖安市 330603)

寒冷地区面板堆石坝混凝土面板垂直缝止水结构的最新改进

张 军

(江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省 靖安市 330603)

寒冷地区的面板堆石坝面板垂直缝表面止水结构受冰冻作用易遭破坏，针对这种情况，从设计到施工进行了多次改进。面板垂直缝SK手刮聚脲保护盖板是一项最新改进技术，施工工艺简单,防渗效果好，对塑性填料的保护可靠，耐久性好,能有效防止冰冻对止水结构造成破坏，具有很好的推广应用价值。

寒冷地区；面板堆石坝；垂直缝止水结构；防冰冻；SK手刮聚脲盖板

0 引言

混凝土面板堆石坝是由堆石或砂砾石分层碾压填筑成坝体，在上游面采用混凝土面板作防渗体而形成的挡水坝[1]。该坝型可广泛适应各种地质、地形和气候条件，施工方便，填筑材料可就地取材，运行安全，现已成为世界公认的一种比较经济实用的坝型。我国自20世纪80年代中期以来，已建和在建的高度为30m以上的面板堆石坝已超过150座。其中，100m以上(水布垭坝高233m)的面板坝已近40座。

混凝土面板垂直缝是面板分块形成的竖向永久接缝。位于面板拉伸区的接缝称张性垂直缝，位于面板压缩区的接缝称压性垂直缝（见图1）。混凝土面板垂直缝不仅位移较大，而且变化复杂。在大坝施工及运行过程中，面板垂直缝将产生垂直于缝面方向的张开位移、沿板厚方向的沉降位移和平行于缝面的纵向剪切位移等三向位移[2-5]。因此，面板垂直缝止水是面板坝防渗体系中的重要组成部分，其止水效果对于面板坝的安全运行具有重要意义，若遭到破坏，整个面板防渗体系将失去防渗功能，影响大坝的正常运行。

图1 混凝土面板堆石坝接缝示意图(纵剖面)

垂直缝止水结构传统做法见图2，图中的塑性填料（以前曾称为柔性填料）是以丁基橡胶等高分子材料为主要原料生产的塑性密封材料，在水压力作用下，能由嵌缝位置挤入接缝中，发挥填缝止水作用。保护盖板是覆盖于塑性填料表面，起密封和保护塑性填料的作用，并均匀传递水压力，辅助塑性填料发挥止水作用的片状材料，一般采用三元乙丙橡胶等耐老化性能好的材料制作。

图2 混凝土面板垂直缝止水结构图

寒冷地区的冬季寒冷而漫长，面板坝冬季运行条件严酷，面板垂直缝表面止水结构在冰推力和冰拔力反复作用下，膨胀螺栓被拔出，压条钢板脱落，防护橡胶盖板被撕裂，塑性嵌缝材料失去防护，在冰冻的作用下逐渐破坏。尤其在秋冬、冬春冻融交替季节，日温差较大导致面板接缝位移量更大，止水结构受损情况尤为突出。我国地处纬度最高的混凝土面板堆石坝——黑龙江省莲花水电站面板堆石坝以及华北地区某水电站面板堆石坝就发生了上述情况。

寒冷地区抽水蓄能电站上库大坝采用混凝土面板堆石坝的工程实例，目前只有在建的辽宁蒲石河抽水蓄能电站。该电站位于辽宁省宽甸满族自治县境内，工程所在地区属温带湿润东亚季风气候区，冬季多受冷高压控制，天气寒冷干燥。对蒲石河抽水蓄能电站上水库面板坝止水结构进行抗冻研究对于同类工程的安全稳定运行具有重要意义。

1 冰冻对面板垂直缝止水结构的影响

《水工建筑物抗冰冻设计规范》（DL/T 5082—1998）推荐水库冰厚可按式（1）计算：

式中δi——水库冰厚，m；

I0——负气温指数，℃·d；

ki——冰厚系数，一般可取0.022～0.026（严寒地区取大值）。

以辽宁蒲石河抽水蓄能电站上水库为例，冬季平均温度T≈–6.8℃，取ki=0.023，不同的库水位固定时间的冰厚计算结果见表1。

表1 蒲石河抽水蓄能电站上水库不同的库水位固定时间的结冰厚度

寒冷地区的水库结冰厚度计算还可采用斯梯芬(Stefen)公式：

式中δi——冰厚，m；

λi——冰的热导率，W/(m·℃)，可取2.32 W/(m·℃)；

I——冻结指数，℃·h；

Qw——水的结晶潜热，kJ/kg，可取335kJ/kg；

ρi——冰的密度，kg/m3，可取 912 kg/m3；

T——冬季平均温度，℃；

t——库水位固定时间，h。

按Stefen公式计算辽宁蒲石河抽水蓄能电站上水库（冬季平均温度T≈－6.8℃）不同的库水位固定时间的冰厚计算结果见表2。表2的数值比表1偏小，但3天之内的结冰厚度值相当接近。

蒲石河抽水蓄能电站在正常运行期间，水位变化频繁，水温偏高，水位固定时间短（不超过10h），从表2 可以看出，冰层厚度不超过3cm，当水位再次以较快的速度（4～5m/h）上升或下降时，冰板将发生屈曲破坏，所以不会形成覆盖整个水面的冰盖。根据以往经验，库区中间可能会形成相对密集的冰块，面板上会有冰棱梗附着，但对大坝面板不会构成影响。但在机组检修期间水位停止变化，随着检修时间的延长，冰盖厚度增加，随着温度的降低，冰与坝体护坡冻结在一起，并逐渐在整个库面形成冰盖，由于初期冰层薄，在温度应力作用下， 冰板发生屈曲破坏，随着屈曲破坏的发生，冰层内部的应力能量得到释放，此时冰板对坝坡的作用力很小。随着水温的降低，冰盖厚度增加，当冰盖厚度超过屈曲破坏的临界厚度，温度胀压力不能使冰盖发生破坏，形成覆盖整个水面的冰盖，此时坝坡和岸坡承受较大的胀压力，而面板垂直缝作为整个防渗系统中最为薄弱的部位，尤易破坏。

表2 按Stefen公式计算蒲石河抽水蓄能电站上水库不同的库水位固定时间的结冰厚度

在结冰过程中，冰层对混凝土面板产生水平推力，此水平推力可分解为对面板的法向压力和沿板面方向的剪力。当水位下降时，冰层沿板面下滑，冰体自重对板面产生剪力。根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（DL/T 5082—1998），静冰压力标准值见表3。

表3 静冰压力标准值

蒲石河地区有记载最大冰厚为0.77m，根据表3采用内插法确定此时静冰压力值约为210kN/m，换算成压强为0.27MPa。

发生冰剪时，冰棱埂在面板上的作用力最大值即为冰-面板的冻结力，当剪力超过这个值，冰与面板就会分离。所以，冰剪力值实际上是由冰棱梗与面板之间的冻结力控制。发生冰推时，冰压力是通过面板前缘的冰盖板施加到面板上。冰盖板爬坡时，冻结界面必然被剪断。冻结力越小，则冰实际能够作用在面板上的力越小，对面板的破坏也就会越小。因此，面板垂直缝应选择与冰之间冻结力最弱的止水材料，设计与冰之间冻结力最弱的止水结构，以减少冰冻对止水结构的破坏。为此，做了以下模拟试验。

(1)冰与各种材料冻结强度试验。

分别进行了冰与混凝土、橡胶板、不锈钢板、镀锌钢板、挂胶钢板的冻结强度试验。试验环境温度－15℃。均匀施加机械压力，直到剪断冰板与界面材料的联系，此时所施加的压力P即为冰与该界面材料的冻结力，冻结强度τ=P/S，S为P作用的横截面积，试验结果见表4。

表4 冰与不同材料的冻结强度试验结果

表4表明：冰与各种橡胶止水、压板的冻结强度有很大差别。冻结强度顺序：混凝土界面＞不锈钢板界面＞镀锌钢板界面＞挂胶钢板界面＞橡胶板界面，橡胶止水带中水科院加筋胶板冻结强度最小，压板中挂胶钢板的冻结强度略小于镀锌钢板。

(2)水平冰胀力试验。

根据冰与止水结构原材料冻结强度试验结果，选取中国水科院加筋橡胶板作为盖板，试验环境温度－15℃。冰胀力模拟试验共进行2次：试验Ⅰ——橡胶盖板+挂胶扁钢压板组合；试验Ⅱ——橡胶盖板+镀锌扁钢压板组合。沿水平方向均匀施加压力，直到剪断冰板与止水结构的联系，此时所施加的压力P在沿面板方向上的分力PH=P×cosα即为冰与止水结构的冻结力，冻结强度τ=PH/S，S为PH作用的横截面积，试验结果见表5。

表5 冰对止水结构水平冰胀力试验结果

试验结果表明，在水平压力作用下，冰与止水结构之间的冻结被剪断，其中橡胶板+挂胶钢板的冻结强度小于橡胶板+镀锌钢板的冻结强度。冰为整体脱离，并沿坡面向上运动，冰样未发生破碎，橡胶面板多数区域无冰附着，少部分有冰，整个橡胶止水结构外观形式无破坏。

(3)止水结构抗剪试验。

模拟电站正常运行期间面板止水结冰情况浇注冰样，进行剪切力试验。检验冰棱梗的剪切作用是否对止水结构产生破坏。试验环境温度_8.5℃。冰体受力区域贴近坡面，试验时沿坡面向下均匀施加压力，直到剪断冰体与止水结构之间的联系，此时所施加的压力P即为冰与止水结构的冻结力，冻结强度τ=P/S，S为P作用的横截面积，试验结果见表6。

表6 冰与止水结构之间剪切试验结果

试验结果表明：在平行于面板的剪切力作用下，冰与止水结构之间的冻结被剪断，止水结构未破坏。冰为整体脱离，冰样未发生破碎，橡胶面板多数区域无冰附着，少部分有冰。橡胶板+挂胶钢板止水形式的冻结强度低于橡胶板+镀锌钢板冻结强度。因剪切力试验温度高于水平冰胀力试验温度，所以表6中的冻结强度低于表5中的冻结强度。

2 面板垂直缝止水结构的改进

试验结果表明，压板为挂胶钢板的冻结强度低于压板为镀锌扁铁的冻结强度，考虑到挂胶钢板比镀锌钢板造价高出64%，而冻结强度降低不大，从经济性方面考虑，面板垂直缝止水结构上部防护材料采用橡胶盖板和镀锌扁钢结构，冰与止水结构之间的联结（冻结）被破坏时，止水结构本身不被破坏。但是，黑龙江省莲花水电站面板堆石坝在投入运行的头两年冬季，面板垂直缝上部止水结构发生了破坏，分析原因，是由于膨胀螺栓的螺母突出于压板，大大增加了冻结强度，以致在冰推力和冰拔力反复作用下，膨胀螺栓被拔出，压条钢板脱落，防护橡胶盖板被撕裂。针对这种情况，采取了重新钻孔、改用沉头膨胀螺栓固定压板的措施，避免螺帽突出以致增加冻结强度，取得了良好效果。

在上述改进的基础上，为了简化工艺，保证质量，对蒲石河上水库面板坝面板垂直缝止水结构进一步做了改进：混凝土面板预留橡胶盖板的下卧槽；将膨胀螺栓改为沉头螺栓；将螺母套筒固定在镀锌扁钢压板上，在浇筑面板混凝土时进行预埋（见图3）。上述改进，有效降低了止水结构与冰的冻结强度，增加了紧固件的锚固力，提高了止水结构抵抗冰推力和冰拔力的能力，保证了垂直缝止水上部结构准确定位，避免了因膨胀螺栓钻孔对面板混凝土产生的冻胀破坏，提高了止水结构和面板混凝土的耐久性。

图3 蒲石河上水库面板堆石坝面板垂直缝止水结构做法

随着技术的革新及新材料的研发与应用，在蒲石河抽水蓄能电站面板垂直缝止水结构施工过程中，采用 SK 手刮聚脲取代面板垂直缝止水塑性填料表面的橡胶盖板，将SK手刮聚脲刮涂在塑性填料和混凝土表面，固化后形成柔性保护层，与混凝土粘接成一体，保护塑性填料，是一种能够对垂直缝进行有效封闭的表面止水结构型式（见图4）。这种SK手刮聚脲保护盖板作为一种面板垂直缝新型防渗处理技术，在蒲石河抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝 36 板与 37 板之间的31m长张性垂直缝进行了试验应用。

图4 面板垂直缝止水SK手刮聚脲保护盖板示意图

SK手刮聚脲为单组分，材料混合均匀，具有以下优异的物理力学性能：防渗能力强、拉伸率大、抗冲耐磨，与混凝土黏结良好；低温柔性好，在_40℃条件下对折不产生裂纹，抗冻性好。SK手刮聚脲不含催化剂，分子结构稳定，具有优异的耐水、耐化学腐蚀及耐老化等性能，在水、酸、碱、油等介质中长期浸泡，性能不降低。其力学性能指标见表7。

BE14 界面剂是SK 手刮聚脲与底材的接面剂，是一种 100%固含量的环氧底漆，该底漆可在饱和水或干表面施工，渗透性好，能充分渗透进混凝土基材内1～2mm。基材处理后，在混凝土表面均匀涂刷 BE14 界面剂，保证 SK 手刮聚脲与混凝土之间的黏结强度大于 2MPa。

表7 SK 手刮聚脲物理力学性能指标

SK手刮聚脲保护盖板施工工艺：

(1) 用角磨机沿混凝土垂直缝预留槽表面及预留缝槽内进行打磨，打磨宽度至混凝土预留槽两侧边沿，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，在预留缝槽内涂刷 GB 塑性填料黏结胶（向槽两侧外延 2cm），待黏结胶指触不粘时（2～3h），安装GB橡胶止水棒，然后嵌填GB塑性填料，要填压密实、平整。

(3) GB 塑性填料嵌填结束后，沿 GB 塑性填料两侧预留槽混凝土表面涂刷 SK-BE14 界面剂，涂刷均匀、无漏涂。

（4）待 SK-BE14 界面剂表干后（4～5h），直接刮涂SK手刮聚脲，其允许作业时间在2h以内，涂布4～5遍。SK手刮聚脲涂刷第一遍后，马上粘贴胎基布，将胎基布（20～30cm宽）与SK 手刮聚脲融为一体。SK手刮聚脲的厚度可以通过面积和涂刷遍数来控制，保证垂直缝部位（25cm 范围内）聚脲厚度大于5mm，边沿部位聚脲厚度大于3mm。涂刷均匀，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。完成后的面板垂直缝SK手刮聚脲保护盖板见图5。

图5 完成后的面板垂直缝SK手刮聚脲保护盖板

3 结束语

混凝土面板堆石坝面板垂直缝SK手刮聚脲保护盖板具有以下优点：

(1)施工工艺简单，效率高，质量容易保证。

(2) 垂直缝外观平整，光洁度高，防渗效果好，对塑性填料的保护可靠。

(3) 耐久性好，与混凝土的黏结强度高，现场的黏结拉拔力试验。

(4) 取消紧固件，大大降低冰的冻结强度，能有效地防止冰冻对止水结构造成破坏。

(5) 每延长米造价略高于采用膨胀螺栓和角钢作为紧固件等常规做法，但低于蒲石河上水库面板堆石坝采用沉头螺栓等抵抗冰冻措施的做法（见图 3）。

蒲石河抽水蓄能电站上水库面板堆石坝在面板一条张性垂直缝试验应用的SK手刮聚脲保护盖板于已完成4年的时间，经历了5个冬季和上水库大坝运行4年的考验，直观检查未发现任何变化。目前，浙江仙居抽水蓄能电站和云南金沙江梨园水电站的面板堆石坝也已采用这样的止水结构，面板垂直缝这种最新的止水结构具有很好的推广应用前景，尤其是对于寒冷地区的面板堆石坝，其防止冰冻破坏的性能更是令人青睐。

[1] 张光斗. 混凝土碾压面板堆石坝的设计与施工［J］. 水力发电学报，1994，15(1):121-126.

[2] 谢晓华，李国英. 成屏混凝土面板堆石坝应力变形分析［J］. 岩土工程学报，2001，23(2):243-246.

[3] 顾淦臣，黄金明. 混凝土面板堆石坝的堆石本构模型与应力变形分析［J］. 水力发电学报，1991，(1): 12-24.

[4] 田艳，王瑞骏，吕海东. 积石峡面板堆石坝应力变形非线性有限元分析［J］. 水资源与水工程学报，2007，18(5): 71-74.

[5] 王仁超，刘金飞，李仕奇. 高心墙堆石坝填筑分期分区优化模型［J］. 土木工程学报，2008，41(2): 105-110.

张 军，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：水工与造价。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.

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