寒冷地區(qū)結(jié)冰現(xiàn)象對(duì)混凝土面板堆石壩接縫止水體系的影響

梁希林，趙 波，李敬瑋，何旭生

（1.松江河電站建設(shè)局，吉林 吉林 134500；2.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

混凝土面板堆石壩在我國水電工程建設(shè)中已被廣泛采用，其面板接縫的止水結(jié)構(gòu)體系在大壩的安全運(yùn)行中占有重要位置。中國水利水電科學(xué)研究院在“九五”、“十五”期間對(duì)止水體系，包括結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，提出了如圖1所示的止水結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)高面板壩工程通常采用這種結(jié)構(gòu)。

止水體系普遍采用的錨固系統(tǒng)是用膨脹螺栓和扁鋼壓條將止水蓋板錨固在混凝土面板和趾板上。北方寒冷地區(qū)冬季庫區(qū)形成冰蓋，并與止水體系凍結(jié)在一起，由于庫區(qū)水位的頻繁變化，冰蓋會(huì)對(duì)止水錨固體系產(chǎn)生較大的影響，甚至造成止水體系局部出現(xiàn)膨脹螺栓拔出而失去錨固功能的情況，如牡丹江蓮花面板壩、吉林小山面板壩及青海小干溝面板壩等都出現(xiàn)過結(jié)冰造成的止水體系局部破壞現(xiàn)象［1］。因此，研究寒冷地區(qū)面板壩工程止水體系及提高安全運(yùn)行措施至關(guān)重要。

本文總結(jié)分析寒冷地區(qū)庫區(qū)結(jié)冰對(duì)止水錨固體系的破壞作用，結(jié)合模擬試驗(yàn)，討論止水體系安全運(yùn)行要求及工程建議。

2 結(jié)冰對(duì)止水錨固系統(tǒng)的破壞方式

止水體系在庫區(qū)結(jié)冰過程中會(huì)與冰產(chǎn)生凍結(jié)，包括止水蓋板和扁鋼壓條與冰的凍結(jié)。隨著水位的變化，會(huì)因冰上下移動(dòng)的趨勢(shì)產(chǎn)生作用于止水錨固系統(tǒng)的拉拔力，造成止水體系局部出現(xiàn)膨脹螺栓拔出、角鋼被拉彎及止水帶被撕裂等破壞現(xiàn)象。經(jīng)過總結(jié)和分析，結(jié)冰的破壞作用主要有以下幾種方式：（1）凍融對(duì)錨固螺栓錨固力的影響。由于膨脹螺栓錨固孔沒有進(jìn)行密封處理或處理不當(dāng)，水進(jìn)入孔內(nèi)，使孔內(nèi)混凝土表面受到凍融破壞，孔內(nèi)水的結(jié)冰膨脹作用對(duì)膨脹螺栓和混凝土之間的緊密接觸造成影響，從而降低錨固螺栓的錨固力；（2）結(jié)冰過程中出現(xiàn)的冰層對(duì)錨固螺栓的凍脹拉拔力，圖2說明了凍脹拉拔力產(chǎn)生的原因。降溫過程中冰與膨脹螺栓外露部分凍結(jié)，隨著溫度的降低，冰層的膨脹對(duì)螺栓產(chǎn)生凍結(jié)拉拔力；（3）由于冰蓋與止水體系的凍結(jié)，主要包括與膨脹螺栓外露部分、扁鋼壓條以及蓋板，在水位變化時(shí)對(duì)錨固系統(tǒng)產(chǎn)生破壞拉拔力以及剪切力。

本文針對(duì)以上影響因素分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)研究

3.1 冰層對(duì)膨脹螺栓凍脹拉拔力測(cè)定

3.1.1 試驗(yàn)原理和方法 將旋有螺母的M10的膨脹螺栓立于水槽中央（螺母端向下），螺桿下頂端粘上一薄層塑性GB膠，以避免螺桿頂端受到冰的膨脹力作用。螺桿沒入水中30mm，螺桿水面上端同樣粘上一層塑性GB膠，以保證在冰膨脹過程中螺桿受力長度不變。螺桿上頂端與應(yīng)力傳感器接觸，整個(gè)測(cè)量過程中保持應(yīng)力傳感器與水槽底部的距離不變。通過應(yīng)力傳感器就可以對(duì)冰在膨脹過程中施加在螺桿上的力進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)裝置如圖3所示，為了消除降溫過程中試驗(yàn)儀器的系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)中針對(duì)每一降溫速率分別進(jìn)行水槽中有水和無水試驗(yàn)，無水試驗(yàn)結(jié)果作為空白試驗(yàn)，以消除測(cè)量系統(tǒng)降溫引起的誤差。試驗(yàn)中分別采用40℃/2h、40℃/4h、40℃/6h的速度降溫，然后恒溫1～2h。

3.1.2 測(cè)試結(jié)果 不同的降溫速率得到的凍脹拉拔力列于表1中。試驗(yàn)結(jié)果表明，降溫速率越大拉拔力越大，然而實(shí)際情況降溫速率遠(yuǎn)小于試驗(yàn)采用的降溫速率。圖4是降溫速率為40℃/2h得到的凍脹拉拔力曲線，試驗(yàn)中得到的最大拉拔力應(yīng)大于實(shí)際冰對(duì)螺桿的拉拔力。為確保工程安全，30mm長度凍結(jié)螺桿選擇試驗(yàn)中最大拉拔力值F冰膨脹拉拔＝1016N作為估算基礎(chǔ)。

表1 不同降溫速率下的最大拉拔力

3.2 冰蓋與止水體系的凍結(jié)力測(cè)定

3.2.1 測(cè)試方法 冰與扁鋼壓板凍結(jié)強(qiáng)度測(cè)定方法見圖5。試驗(yàn)將金屬板固定在水面上，下表面接觸水，放入低溫箱12h，使金屬板下表面與冰凍結(jié)在一起，然后在拉力機(jī)上拉拔，測(cè)試破壞強(qiáng)度。同理，測(cè)試GB橡膠蓋板及螺栓與冰的凍結(jié)強(qiáng)度。螺栓與冰的凍結(jié)力測(cè)試方法見圖6。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果 表2為不同凍結(jié)溫度下測(cè)定的止水體系中不同材料與冰的凍結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

表2 冰層與止水體系凍結(jié)力數(shù)據(jù)

由表2可見，螺栓與冰的凍結(jié)拉拔破壞力最大為3.39kN；扁鋼與冰凍結(jié)強(qiáng)度最大為0.314MPa；橡膠蓋板的凍結(jié)強(qiáng)度最大為0.021MPa。

3.3 膨脹螺栓錨固力試驗(yàn)研究 膨脹螺栓錨固力的大小是止水系統(tǒng)密封可靠的基礎(chǔ)，特別是低溫存在結(jié)冰現(xiàn)象的情況下，其大小直接關(guān)系到止水系統(tǒng)可靠性。本文采用工程中普遍應(yīng)用的M10膨脹螺栓進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3.1 膨脹螺栓錨固力測(cè)定 在膨脹螺栓錨固系統(tǒng)中，膨脹螺栓螺母的上緊力是很重要的一個(gè)參數(shù)，螺母的松緊程度直接影響到膨脹螺栓所能提供的錨固力。試驗(yàn)中采用體積為150mm×150mm×150mm的C30混凝土試塊，一面的中心打孔錨固M10mm×120mm膨脹螺栓，植入深度80mm。采用不同力矩上緊螺母。停放24h后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。表3是試驗(yàn)中得到的螺母上緊力與膨脹螺栓拉拔力之間的關(guān)系。

表3 膨脹螺栓螺母上緊力與其提供拉拔力的關(guān)系

由表3可見，膨脹螺栓提供的錨固力隨著螺母上緊力的提高而提高，當(dāng)上緊力矩達(dá)到8N·m以上時(shí)，M10規(guī)格的膨脹螺栓拉斷，達(dá)到了M10螺栓所能提供的錨固力極限值，其提供的最大錨固力超過32kN。

3.3.2 錨固孔不同密封方式的凍融破壞程度比較 為了研究錨固孔不同密封方式的錨固效果，試驗(yàn)選擇了不使用灌注密封劑、采用SK環(huán)氧粘接劑灌注及采用GB彈性密封劑灌注密封共3種方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用100mm×100mm×100mm的混凝土試件，按照3種試驗(yàn)方案安裝膨脹螺栓，埋入深度為80mm，膨脹螺栓的上緊力矩為20N·m。常溫固化養(yǎng)護(hù)7d，取3種方案的試件各一組進(jìn)行300次凍融實(shí)驗(yàn)，對(duì)試件進(jìn)行拉拔力測(cè)試。表4是不同粘接灌注料凍融與否的拉拔力測(cè)試結(jié)果以及試件的破壞形式。

表4 不同密封型式的膨脹螺栓凍融與否拉拔力和破壞形式

試驗(yàn)結(jié)果表明，不用粘接劑灌注的膨脹螺栓試件經(jīng)過凍融后全部開裂損壞。對(duì)于GB彈性密封劑和SK環(huán)氧粘結(jié)劑密封的試件，外形完整。從拉拔的破壞形式及數(shù)值可以看出，SK環(huán)氧粘結(jié)劑灌注的試件的拉拔破壞強(qiáng)度明顯高于GB彈性密封劑灌注密封的試件，且其拉拔破壞力的分散性小，說明SK環(huán)氧粘結(jié)劑做為灌注密封劑明顯好于GB彈性密封劑。

膨脹螺栓拉拔中另一個(gè)重要的參數(shù)是拉拔過程中螺栓的位移情況，理想的情況是在很小的拉出位移情況下提供很大的拉力。表5是不同上緊力的膨脹螺栓拉拔力達(dá)到10kN時(shí)的拉出位移值。

表5 10kN拉拔力的拉出位移

從表5可見，拉出位移隨上緊力距的提高有減小的趨勢(shì)，但10N·m以后不明顯。對(duì)比表5最后2列數(shù)據(jù)表明，利用SK底膠做為灌注粘接劑的錨固螺栓不但提供更高的錨固力，而且拉出位移小，說明SK底膠做為灌注粘接劑的錨固方式有更好的穩(wěn)定性和可靠性。

4 止水體系錨固安全的討論和分析

冰蓋形成并與止水體系凍結(jié)后，水位變化時(shí)會(huì)使冰蓋上移或下滑，上升時(shí)冰蓋對(duì)錨固系統(tǒng)的影響見圖7，下滑時(shí)影響類似，都會(huì)對(duì)錨固螺栓形成垂直的拉拔力和剪切力。

對(duì)剪切力不再進(jìn)行定量的試驗(yàn)研究，其對(duì)錨固系統(tǒng)的影響更多的是剪切疲勞破壞，長期作用可能會(huì)引起錨固螺栓的松動(dòng)。對(duì)拉拔力的作用分析以冰的凍結(jié)破壞作為破壞的極限條件，因?yàn)楦鞣N受力方式最苛刻的極限情況都可以歸結(jié)為冰與止水體系凍結(jié)的破壞?，F(xiàn)以工程上有代表性的止水體系參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，參數(shù)假設(shè)如下：（1）錨固壓條采用扁鋼，寬度為60mm；（2）錨固螺栓間距250mm；（3）錨固螺栓錨固后突出部分30mm；（4）蓋板規(guī)格采用寬度為900mm的GB橡膠蓋板。

若不考慮蓋板與下層填料等部分的粘接作用，假設(shè)所有的力都傳遞到螺栓上。則一個(gè)錨固螺栓承受的冰的極限拉拔力可以認(rèn)為由兩部分組分：

其中：F冰凍脹拉拔為由于冰膨脹而產(chǎn)生的對(duì)螺桿拉拔力；F凍結(jié)拉拔為冰與止水體系不同部分凍結(jié)為一體，由冰蓋的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)產(chǎn)生的對(duì)止水錨固系統(tǒng)的拉拔力，它由3部分組成，分別是冰與扁鋼、冰與橡膠蓋板以及冰與膨脹螺栓的凍結(jié)拉拔力。

由前面表2的數(shù)據(jù)和假設(shè)的止水體系參數(shù)，計(jì)算結(jié)果總結(jié)如下：F扁鋼-冰凍結(jié)＝0.314×250×60×10-3＝4.71kN；F蓋板-冰凍結(jié)＝0.021×250×450×（π/2）＝2.36kN；F膨脹螺栓-冰凍結(jié)＝3.39kN；F凍脹拉拔＝1.02kN。

由此得到1根螺栓上可能受到的最大拉拔力F極限拉拔=11.48kN。然而工程實(shí)際中上面的4個(gè)力不太可能同時(shí)達(dá)到最大，并且還有止水體系的其他部分的粘接作用來分擔(dān)拉拔力等因素，但這個(gè)值對(duì)分析錨固系統(tǒng)的可靠性是有意義的。

若采用平頭膨脹螺栓則可以基本消除凍脹拉拔力和冰與膨脹螺栓的凍結(jié)力，這種情況下F極限拉拔力=F扁鋼-冰凍結(jié)+F蓋板-冰凍結(jié)=7.07kN，另外消除了冰蓋對(duì)錨固螺栓的剪切力疲勞損傷作用，可大大提高工程可靠性。

通過分析可知，1根功能完好的M10膨脹螺栓可以提供32kN以上的錨固力，而處理不當(dāng)?shù)呐蛎浡菟ㄌ峁┑腻^固力會(huì)低于11.48kN，如果由幾根處理不好的螺栓處在臨近的位置，則有可能造成錨固失效。因此，錨固螺栓的正確處理是工程安全的關(guān)鍵。

5 結(jié)論及工程建議

本文通過對(duì)結(jié)冰所產(chǎn)生的凍脹對(duì)錨固系統(tǒng)的拉拔破壞力值及冰與螺栓凍結(jié)強(qiáng)度、冰與扁鋼壓條及橡膠蓋板的凍結(jié)強(qiáng)度等參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定和分析，得到結(jié)冰對(duì)止水錨固系統(tǒng)影響的一些定量結(jié)果，這些結(jié)果對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價(jià)值，總結(jié)如下：（1）膨脹螺栓螺母上緊力要達(dá)到8kN以上，單根M10膨脹螺栓能提供32kN以上的拉拔力，所以功能正常的膨脹螺栓在工程上是安全可靠的；（2）對(duì)于平頭膨脹螺栓拉拔力為7.07kN，并消除了剪切力作用，可以大大提供工程可靠性；（3）普通膨脹螺栓錨固孔的凍融或凍脹破壞是很嚴(yán)重的，工程中應(yīng)該利用膠粘灌注料進(jìn)行粘接和封堵；灌注膠粘劑不僅僅提供凍融或凍脹的保護(hù)，選擇合理的灌注密封劑還可以提供理想的錨固行為和施工可靠性；灌注膠粘劑的選擇上應(yīng)避免彈性的、低模量的膠種，要選擇粘接力強(qiáng)、模量高的結(jié)構(gòu)膠粘劑，如SK環(huán)氧膠粘劑；膨脹螺栓錨固和膠粘劑粘接的協(xié)同作用能提供更可靠的錨固效果。

［1］蘇萍，金正浩，金偉.寒冷地區(qū)面板堆石壩面板頂部止水研究［J］.水力發(fā)電，2002，28（7）：29-31.