寒冷地区混凝土面板接缝表层平覆型柔性止水结构

孙志恒，李 季，费新峰，徐 耀

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.国家电投集团青海黄河电力技术有限责任公司，青海西宁810016；3.青海黄河中型水电开发有限责任公司，青海海东810501)

1 研究背景

面板堆石坝由于采用当地天然筑坝材料，具有施工较快、经济、对环境影响较小等优点，在我国得到广泛的应用。目前面板接缝表层止水结构普遍采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(简称“锚固型”)。但在寒冷地区冬季库区冰冻容易形成冰盖，因库水位的变化，冰盖会对面板接缝表层的锚固型止水体系产生较大的影响，甚至造成局部出现膨胀螺栓拔出而失去锚固功能的情况。由于面板接缝的止水结构体系在大坝的安全运行中占有重要地位，运行管理单位每年都要投入大量的费用对其进行修复。因此，研究适应寒冷地区气侯特点的面板坝接缝表层止水结构对提高大坝安全运行至关重要。

2 面板坝接缝表层止水破坏工程实例

2.1 察汗乌苏水电站[1]

察汗乌苏水电站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内的开都河中游，地处高寒地区，坝址区多年绝对最低气温为-30 ℃，其中冬季11月～翌年2月平均气温均在0 ℃以下，水库冰封时段为12月～翌年4月。面板坝接缝止水在面板表面整体呈凸形，表层止水材料全部高出面板约10～30 cm。进入冬季后寒冷山区水库库区表面开始结冰，靠近大坝附近冰厚可达70 cm，水库表面结冰以后冰与周围岩体、大坝面板以及面板上的止水紧密接触，库区表面完全封闭。受电网公司调度影响，察汗乌苏水电站冬季水位变化幅度最高可达20 m，水位变化导致库水表面的冰面在自身重力和水的浮力作用下上下浮动。在水位抬高的过程中冰面因浮力向上抬升，同时在冰层冻胀作用下向大坝方向顶推，冰层面板表面凸起接缝止水产生挤压作用，对止水造成挤压破坏；在水位下降的过程中冰面因自重下沉，靠面板一侧的冰块将搭在面板表面，在随着库水位大幅降落最终会折断，与库冰脱离后的冰块会匍匐在面板斜坡面上，冰块在自重作用下有沿坡面下滑的倾向，冰块对面板及止水产生向下的拉力，如果冰块下部附着尖利的树根等坚硬物体，会对止水造成拉裂破坏；如果水位下降的速率较快，冰面急剧破裂，部分暂时滞留在面板及止水表面的冰块将处于悬空状态，在失稳下滑过程中会对止水产生冲击和挤压，对止水造成砸压破坏。

2.2 青海黑泉水库[2]

青海黑泉水库拦河坝为混凝土面板砂砾石坝，坝高123.5 m，混凝土面板周边缝长645.96 m，面板与防浪墙间水平缝长438.6 m，面板垂直缝40条。运行12年来，面板接缝表层GB板损坏日趋严重，且水位变化区损坏更为明显。检查发现，面板接缝部分GB板脱开或撕裂、扁铁压板撕裂变形、固定螺栓在冰块下滑力作用下被拔出或拉细拉长。主要原因是黑泉水库地处高寒地区，年冰冻期长达5个月以上，水库冰冻厚达10 m，扁铁、固定扁铁外露膨胀螺栓头、GB板与水库厚冰层结成密实的整体，在风浪的推动下撞击止水系统，当发电水位降低时，冰层下沉形成拉力，致使表面止水设施遭到破坏；扁铁、外露膨胀螺栓头、GB板与水库厚冰层结成密实的整体时，因水位反复涨落，造成膨胀螺栓机械性疲劳，随着时间的推移接缝止水锚固系统失效；GB板与面板表面未封闭，空隙中的冰长期、反复膨胀引起混凝土疏松，一定程度上导致膨胀螺栓失效，扁铁、GB板脱开。

2.3 山西柏叶口水库[3]

柏叶口水库位于山西省吕梁市交城县会立乡柏叶口村上游约500 m的文峪河干流上，控制流域面积875 km2，总库容9 712万m3，是一座以城市生活和工业供水、防洪为主，兼顾灌溉、发电等综合利用的中型水利枢纽工程，主要由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和水电站等建筑物组成。水库大坝采用了混凝土面板堆石坝，最大坝高88.3 m。2013年9月30日，通过下闸蓄水验收。水库坝址区冬季气候寒冷，多年平均气温10.1～12.5 ℃，极端最高气温37.5 ℃，极端最低气温-42 ℃。大坝蓄水后经两个冬季，在长期水位变化区域内(2 m)，面板接缝止水出现不同程度的损坏。具体表现为：螺栓被拉断，角钢被拉弯，加筋橡胶板表面被撕裂，伸缩缝内部分SR填料局部受损，容易产生渗水，失去了止水作用，危及大坝安全运行。

另外，新疆和田河乌鲁瓦提面板坝、乌鲁木齐河大西沟水库面板坝等都出现过冰冻造成的面板接缝止水结构局部破坏现象。

3 平覆型柔性止水结构

SK手刮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。为了减小冰冻对锚固螺栓的影响以及冰层对锚固螺栓的冻胀拉拔力，文献[4-5]提出了面板接缝表层涂覆型柔性止水结构，即将SK手刮聚脲涂覆在塑性填料和混凝土面板表面，通过SK手刮聚脲与混凝土面板之间的良好粘接来替代锚固型止水结构中的锚固螺栓及压条，该结构既可作为一道独立表层止水，又可保护下部塑性填料，是一种能对面板接缝实行有效全封闭的柔性表层止水结构(见图1)。

图1 接缝表层涂覆型柔性止水结构

但面板接缝表层涂覆型柔性止水结构仍为凸起形式，受结冰时冰层挤压作用及库水位下降时冰层下滑拖曳等综合作用的影响，会造成SK手刮聚脲下部的塑性填料挤压变形。图2是2016年现场进行的试验结果，从图2可以看出，虽然面板接缝表层涂覆型止水周边仍然封闭，止水效果很好，但聚脲下部的塑性填料挤压变形比较厉害，如果运行多年后，塑性填料挤压变形还会发展。

图2 接缝表层涂覆型止水结构挤压变形

为了减小面板表面结冰及化冰时冰对接缝表层止水的破坏，将面板接缝表层涂覆型柔性止水结构中凸起的形状改为“平覆型”，即面板接缝V型槽内充填的GB塑性填料与混凝土面齐平，将SK手刮聚脲平铺在GB塑性填料和两侧混凝土表面，这样就可以有效避免库水面结冰对面板接缝表层止水结构的影响。面板接缝表层平覆型柔性止水结构见图3。

图3 面板接缝表层平覆型柔性止水结构

图3中L为V型槽顶部的GB宽度，V型槽两侧的SK手刮聚脲与面板混凝土之间设置宽L1的柔性胶结层，和宽L2的刚性粘接层。L1是为了延长SK手刮聚脲可参与变形的宽度，L2是SK手刮聚脲与面板混凝土牢固粘接在一起的宽度。

SK手刮聚脲的极限伸长率大于300%，复合胎基布后的极限伸长率大于100%。假设SK手刮聚脲复合胎基布的长期变形量为极限伸长率的1/10，则接缝表面平覆型柔性止水结构中柔性涂层长期可适应的最大张开变形量

Δ=(2L1+L)×10%

(1)

对于压性缝，L1取0；对于张性缝，最大张开位移Δ与坝高有关，一般L1取0～25 cm。为了保证SK手刮聚脲与面板混凝土牢固粘接在一起，参考室内及现场试验结果，要求刚性粘接层L2不小于20 cm。

SK手刮聚脲在GB塑性嵌缝填料表面的涂覆厚度与库水位变化区的最大水位差有关，最大水位差小于20 m时，SK手刮聚脲涂覆厚度为4 mm；最大水位差20～50 m时，SK手刮聚脲涂覆厚度为5 mm；最大水位差50～100 m时，SK手刮聚脲涂覆厚度为6 mm。

4 工程应用实例

纳子峡水电站位于青海省门源县，地处高海拔严寒地区，是大通河流域水利水电规划的13个梯级中的第4座水电站。水库大坝为趾板修建在覆盖层上的混凝土面板砂砾石坝，最大坝高117.60 m，坝顶长416.01 m。2016年4月中旬，坝前冰盖消融后对水库水面(水位3 192.00 m)以上面板进行检查，发现接缝表面止水塑性填料不饱满，变形较为严重；防渗保护盖片存在沿两侧固定端撕开破损现象(见图4)。面板接缝表面止水冬季水位变幅区破损原因主要是冬季面板上结冰形成冰盖，随库水位下降，大坝面板接缝表面止水受冰层挤压、下滑拖曳等综合作用下出现变形和破损。纳子峡水电站大坝安全监测资料表明，大坝面板垂直缝测点开合度和沉陷变形主要发生在初期蓄水期，蓄水结束后基本稳定或趋于稳定，无趋势性变化[6]。靠近右岸的坝横0+382.851断面、坝横0+358.851断面为张开状态，其余断面以压缩为主。测点最大张开量为9.630 mm，测点最大压缩量为-37.521 mm，测点最大沉陷量为+17.598 mm，测点最大抬升量为-10.454 mm。

图4 水位变化区接缝表层盖板脱落

2017年采用平覆型柔性止水结构对水位变化区的面板接缝表层止水破损进行了修复处理。施工步骤为：剔除水位变化区接缝表层的压条、盖板及下部的塑性填料；接缝两侧混凝土表面打磨各30 cm宽；V型槽内重新安装橡胶棒，并用GB填料将V型槽填平，GB填料表层宽L=15 cm；压性缝两侧混凝土表面涂刷25 cm(L2)宽的刚性界面剂，L1=0，刚性界面剂表干后涂刷4 mm厚的SK手刮聚脲，聚脲中间复合了一层胎基布；张性缝两侧混凝土表面涂刷25 cm(L2)的刚性界面剂和5 cm(L1)的柔性界面剂，柔性界面剂的粘接强度与GB填料相当，刚性界面剂表干后涂刷5 mm厚的SK手刮聚脲，聚脲中间复合一层胎基布。

按式(1)计算，纳子峡面板接缝平覆型柔性止水结构柔性涂层长期可适应的最大张开变形量Δ为25.000 mm，远远大于实测面板最大张开量9.630 mm，可以满足水位变化区面板接缝的张拉变形量的要求。处理后的情况见图5。

图5 水位变化区止水破损修复后的情况

修复后运行两年的情况见图6。现场检查发现，水位变化区面板接缝表层平覆型柔性止水结构能适应面板变形的要求，有效地避免了冰胀力、冰推力和冰拔力的作用，面板接缝止水结构无挤压变形及破损现象。说明面板接缝平覆型柔性止水结构抗冰冻破坏效果显著。

5 结 语

面板接缝表层平覆型柔性止水结构是在面板接缝涂覆型柔性止水结构基础上进行了改进，通过对纳子峡水电站水位变化区混凝土面板接缝止水试验及修复处理的实践证明，面板接缝表层平覆型柔性止水结构具有适应变形能力强、表面防护可靠、防冰拔及冰冻胀挤压、耐久性好、易于施工、美观等优势，适用于严寒地区混凝土面板堆石坝水位变化区面板接缝表层止水，可以有效防止冰拔或冰冻胀挤压引起的表层止水破坏，大大提高了面板接缝表层止水的可靠性，并且便于维修，值得推广应用。

图6 运行一年后面板接缝平覆型止水结构完好