混凝土面板堆石壩面板表層止水施工技術及發(fā)展

鄧正剛，郝巨濤，王愛玲，魯一暉，竇鐵生，何旭升，徐 耀

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120)

混凝土面板堆石壩面板表層止水施工技術及發(fā)展

鄧正剛1，郝巨濤1，王愛玲2，魯一暉1，竇鐵生1，何旭升1，徐 耀1

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.水電水利規(guī)劃設計總院，北京100120)

我國混凝土面板堆石壩面板接縫表層止水施工技術大致經(jīng)歷了4個階段，最初的人工施工階段是依靠繩梯工人站在壩坡上通過手工將填料嵌填在面板接縫表面；半機械化施工階段是先用擠出機將填料擠出成型，再由人工鋪填；機械化施工階段是擠出機借助平臺車在壩面陡坡上行走完成填料的嵌填施工；一體化機械施工階段是施工組合臺車系統(tǒng)中的擠出機將蓋板和填料同時擠出安裝在面板接縫表面，該方法是未來面板接縫表層止水施工技術的發(fā)展方向。

面板接縫；表層止水；擠出機；一體化機械施工；混凝土面板堆石壩

0 引 言

從西北口水電站工程混凝土面板堆石壩開始建設至今，我國采用現(xiàn)代碾壓技術修建面板堆石壩已有30多年，與國外相比，面板壩建設起步雖然較晚，但是發(fā)展迅速。特別是在1995年至今的20多年里，先后建成了100 m級的混凝土面板堆石壩50多座，其中有世界最高的面板堆石壩——湖北清江水布埡大壩。

面板接縫表層止水是面板壩第一道防滲體系的關鍵環(huán)節(jié)之一，若其在任一環(huán)節(jié)發(fā)生滲漏，同時在大壩堆石體的過渡料對墊層料的支撐、反濾保護作用失效時，墊層料就會在一定水頭的滲流作用下出現(xiàn)滲透破壞，造成墊層料流失，形成逐步擴大的滲流通道，引起面板脫空、塌陷，最終影響整個壩體的穩(wěn)定。

1 面板接縫表層止水結構

按接縫所處位置的不同，可以將面板堆石壩面板接縫表層止水分為周邊縫、垂直張性縫、垂直壓性縫、防浪墻底縫和各種水平施工縫。從西北口面板壩建設開始，我國就在國外面板接縫止水設計經(jīng)驗的基礎上，基本確定周邊縫和垂直張性縫的表層采用柔性填料作為止水，目前，在建和已建的高面板壩的周邊縫表層柔性止水主要采用圖1所示結構，該結構是中國水利水電科學研究院(以下簡稱“中國水科院”)通過“九五”攻關研究提出的新型止水結構形式[1-2]。

圖1 周邊縫表層柔性止水結構

鑒于溝后水庫潰決的主要誘因是庫水位超過防浪墻底縫縫面高程，同時防浪墻底縫止水失效造成壩頂大量漏水，壩頂砂礫石料幾乎完全飽和后失穩(wěn)，最終引起壩體滑坡。設計人員在后來的工程中高度重視了防浪墻底縫的作用，采用了如圖2所示的適應大變形的新型表層柔性止水結構，該結構增加了波浪形橡膠止水帶，用以加強防浪墻底縫。

圖2 防浪墻底縫表層柔性止水結構

位于面板混凝土表面的接縫止水，由于施工質量易于檢查，有質量問題時也容易修復，所以大多數(shù)100m級的混凝土面板壩在面板垂直壓性縫和水平施工縫的表面都設計了表層柔性止水，垂直張性縫、垂直壓性縫和水平施工縫的表層柔性止水結構分別如圖3所示。

圖3 表層柔性止水結構

以柔性填料為主的混凝土面板壩表層止水防滲結構，在壩體沒有產(chǎn)生變形前，柔性填料與表層蓋板一起通過密封面板接縫兩側的混凝土表面發(fā)揮止水作用；當壩體發(fā)生較大沉降和變形，特別是面板接縫張開甚至底部銅止水發(fā)生張拉、剪切破壞時，需要柔性填料在水壓力的作用下流入接縫腔內封堵滲漏通道，繼續(xù)發(fā)揮止水作用，以保證壩體安全，因此，柔性填料嵌填完成后，其自身的密實度以及其與面板混凝土表面間粘接的緊密程度將直接影響面板壩第一道防滲體系的防滲效果。

2 面板接縫表層止水施工技術

我國混凝土面板壩接縫表層止水施工技術大致可以分為人工施工、半機械化施工、機械化施工和一體化機械施工4個階段。2002年以前，混凝土面板接縫表層止水全部都采用人工施工，為解決機械化施工的問題，中國水科院從2002年開始就投入資金、人力并聯(lián)合西安理工大學進行研制，由于面板接縫表層止水機械化施工技術涉及較多環(huán)節(jié)，存在較大的技術難度，在研制過程中遇到了不少難題。經(jīng)過多年堅持不懈的努力，研究人員實現(xiàn)了該技術的快速機械化施工，并基本實現(xiàn)可以將該技術應用在面板全部表層接縫止水的施工中。

2.1 接縫表層止水人工施工

面板接縫表層止水的人工施工是指進行止水施工的工人依靠繩梯站在坡比為1∶1.4甚至1∶1.3的壩面，采用手工作業(yè)方式將預先切割成相應形狀的柔性填料嵌入面板間的V形槽并錘實壓平，然后在填平后的V形槽兩側繼續(xù)分層嵌填、粘貼柔性填料，直到將柔性填料嵌填成斷面尺寸符合設計要求的扇形鼓包，在完成一段柔性填料的嵌填后，將蓋板蓋在扇形鼓包表面并將蓋板錨固、封閉。

工人長時間依靠繩梯站在壩坡上通過手工嵌填柔性填料，勞動強度大，人身安全也存在較大風險，同時由于柔性填料的斷面大多是矩形的板或柱，且柔性填料本身粘軟并具有一定的彈塑性，所以在壩面陡坡上工人通過手工將柔性填料密實地嵌入V 形槽，并完成斷面尺寸符合設計要求的扇形鼓包的嵌填是相當困難的，當外界溫度偏低導致柔性填料硬度增大時，嵌填困難的問題尤為突出，為保證施工質量，必須加強旁站監(jiān)理的監(jiān)督，才能有效保證柔性填料嵌填的密實度。

從已建工程情況來看，手工嵌填柔性填料的效率很低，嵌填質量不理想，普遍存在嵌填密實度不夠導致柔性填料嵌填數(shù)量不足的問題，特別在工期緊張需要同時多開幾個接縫表層止水施工工作面時，問題更加突出，影響了接縫止水設計效果的發(fā)揮，特別在接縫發(fā)生張拉變形時，柔性填料可能會因嵌填數(shù)量的不足而發(fā)生流動中斷，不能發(fā)揮流動止水的作用，削弱了面板接縫防滲體系的安全性。

2.2 接縫表層止水半機械化施工

采用機械設備代替工人手工嵌填柔性填料是提高面板接縫表層止水施工質量唯一有效的途徑，2002 年中國水科院研發(fā)了如圖4所示的柔性填料擠出機，該設備在貴州引子渡、洪家渡等面板接縫表層止水的施工中進行了試驗性應用。

圖4 柔性填料擠出機

擠出機的工作過程為：由入料口投入柔性填料，經(jīng)擠壓螺旋壓實后擠入成型內模中，在內模腔內處于高塑性狀態(tài)的柔性填料在壓力的作用下，通過多孔板塑化后擠滿成型外模，擠滿于成型外模內的柔性填料產(chǎn)生反作用力，繼而推動擠出機在面板接縫表面移動，然后擠壓螺旋再將由入料口投入的柔性填料壓實擠入，如此反復，直到完成柔性填料的嵌填施工。

由于外模需要承受柔性填料擠入時產(chǎn)生的擠壓力，因此需要使用膨脹螺栓將外模固定在面板混凝土的表面上，擠出機在接縫表面前行一段距離后，需裝上新的外模，同時卸下已嵌填好柔性填料部分的外模并處理備用，隨著擠出機在接縫表面不斷前行，需要不斷裝上新外模、卸下已嵌填部分的外模。

由于該設備沒有配置行走動力，加上外模裝卸的效率很低，因此柔性填料的擠出嵌填速度很慢，只有3～4 m/h，而且在沒有輔助設備的情況下，基本無法在坡比為1∶1.4的壩面上行走并完成柔性填料的擠出施工，因此很難在實際工程中推廣應用。

盡管如此，設備在拆除關節(jié)式支承輪后，按設計要求的扇形尺寸擠出柔性填料的效率還是比較高的，并且擠出成型的柔性填料均勻密實、粘性好，為此河南盤石頭、山西西龍池等工程在面板接縫表層止水施工時，先在壩頂采用擠出機將柔性填料按設計要求的扇形斷面尺寸擠出成型，然后分段傳送到施工現(xiàn)場，再由人工鋪填在接縫表面，完成柔性填料的嵌填施工，這一階段稱為表層柔性止水半機械化施工。

2.3 接縫表層止水機械化施工

圖5 壩面施工平臺車

為解決柔性填料擠出機不能在坡比為1∶1.4甚至1∶1.3的壩面陡坡上行走這一難題，結合公伯峽面板壩工程，中國水科院研制了如圖5所示的可以輔助擠出機在壩坡上進行施工的平臺車，該平臺車配置了方向控制系統(tǒng)，為擠出機的安裝和運行預留了空間，安裝了擠出機的平臺車通過壩頂卷揚機的牽引，放置在壩坡上形成一個安全、方便施工的操作平臺，同時，利用平臺車的壓力，可以將柔性填料擠出成型所需的外模壓在面板接縫表面，外模之間通過U形連接卡進行連接，方便裝卸，使擠出機可以在壩面陡坡上連續(xù)行走進行擠出嵌填施工，提高了施工速度。

平臺車一方面解決了擠出機不能在壩坡上單獨行走施工的問題，另一方面使柔性填料擠出成型所需的外模不需要再在面板混凝土表面打孔后用膨脹螺栓固定，采用平臺車后，公伯峽水電站的面板垂直張性縫柔性填料的擠出嵌填速度達到了10 m/h[4]。

為進一步提高柔性填料擠出嵌填的施工速度，在平臺車的基礎上又研制了如圖6所示的由履帶式牽引臺車、擠出施工臺車、送料臺車等設備組成的施工組合臺車系統(tǒng)。

圖6 施工組合臺車系統(tǒng)

履帶式牽引臺車上設計了可以停放擠出施工臺車的斜臺，斜臺坡度可調整控制到與壩面坡度一致，需要進入下一個工作面時，牽引臺車可直接將擠出施工臺車和停在施工臺車上的送料臺車沿壩面拉到牽引臺車的斜臺表面停放，然后一起運送到下一工作面就位，縮短了設備挪位安裝所需的時間。

送料臺車可以直接開到擠出施工臺車的平臺上，并可快速往返于擠出施工臺車和壩頂之間，用于運送施工所需的材料。

改進柔性填料擠出嵌填成型方式、取消成型外模后的擠出機，將柔性填料擠出成為外形尺寸符合設計要求的扇形斷面后，填料在重力作用下直接落到面板接縫間設計要求的混凝土表面。剛通過螺旋擠壓成型的填料不僅柔軟，而且粘性很大，可以很好地與接縫兩側的混凝土表面和蓋板粘接。

擠出施工臺車配有蓋板卷軸和夯實機，隨著施工臺車在接縫表面自下而上擠出柔性填料后，操作人員可同時釋放蓋板，并將蓋板安裝在已擠出成形的扇形填料鼓包上，緊接著采用夯實機把填料與蓋板和混凝土間的結合面夯實壓緊。

通過使用施工組合臺車系統(tǒng)和取消柔性填料擠出成型所需的外模，大大加快了面板接縫表層止水機械化施工的速度，吉林雙溝、湖北潘口、新疆溫泉混凝土面板壩在面板接縫表層止水的施工中都采用了該技術，現(xiàn)場擠出成形速度最高時達到了120 m/h[5]，真正實現(xiàn)了面板接縫表層柔性止水的快速機械化施工。

2.4 接縫表層止水一體化機械施工

面板接縫表層止水在從人工施工到半機械化施工、再到快速機械化施工的過程中，柔性填料的擠出嵌填成型經(jīng)歷了無成型外模到有成型外模、再到無成型外模的循環(huán)過程，從嵌填成型的密實度和與面板混凝土表面的粘結效果來看，有成型外模時柔性填料嵌填施工的密實度和粘結效果最好。

使用施工組合臺車系統(tǒng)進行面板接縫表層止水快速機械化施工時，雖然擠出成型的柔性填料密實度很好，但由于面板接縫的V形槽和接縫兩側混凝土表面的平整度往往不夠好，有時V形槽還存在較大的尺寸誤差，這時，即使采用夯實機也不容易將空隙過大部位的柔性填料與蓋板和混凝土間的結合面夯實，同時，蓋板是采用人工輔助釋放安裝在扇形填料鼓包上的，這些都對施工的質量和效率產(chǎn)生了不利影響。

為進一步提高施工質量和效率，在隨后的研制中，中國水科院的科研人員又改進了施工組合臺車系統(tǒng)中擠出成型部分的結構，改進后的施工組合臺車系統(tǒng)可以將蓋板作為成型外模，作為成型外模的蓋板不再需要卸下后再安裝使用，加快了施工速度，同時，由于有了成型外模，柔性填料可以在擠壓力的作用下充分地將存在較大尺寸誤差的V形槽和接縫兩側不平整的混凝土表面填充密實，并與蓋板和混凝土表面很好地粘結在一起，不再需要夯實機進行夯實，使面板接縫表層止水施工的整體效率和質量得到了很大的提高。

采用施工組合臺車系統(tǒng)帶著蓋板將填料一次性擠出完成表層止水施工的方法稱為接縫表層止水一體化機械施工，該方法是未來面板接縫表層止水施工技術的發(fā)展方向。

3 存在的問題與改進措施

與人工施工相比，面板接縫表層止水采用一體化機械施工的成本較高，根據(jù)2001年的水利水電工程概預算定額分析計算，面板垂直縫表層止水采用人工施工所需的直接人工費約為22.35元/m，周邊縫約為68.75元/m[6]，即使按目前實際人工工資約140元/日計算，垂直縫采用人工施工的直接人工費也才約為105元/m，周邊縫約為320元/m，而采用一體化機械施工技術進行施工，垂直縫的直接施工費約為250元/m，周邊縫約為650元/m，比人工施工的直接施工費高出了一倍多。因此，至今絕大多數(shù)混凝土面板壩在面板接縫表層止水的施工中主要還是采用人工施工。

提高設備的自動化程度，進而提高面板接縫表層止水機械化施工的效率，這是降低一體化機械施工成本的唯一路徑，從目前情況看，為提高機械施工的效率還應對相關設備作以下幾方面的改進：

(1)采用配置隨車起重機的卡車代替履帶式牽引臺車，增加可視化操作平臺，將卡車改為擠出施工的綜合控制中心，施工結束后，卡車又可以作為運輸工具將所有施工設備運回，降低設備進出場所需的運輸費。

(2)改進擠出機，提高擠出機的擠出效率，加快擠出施工的速度。

(3)改進擠出施工臺車，增加橡膠棒(或PVC棒)安裝、底膠涂刷等系統(tǒng)，減少機上人員及輔助人員的使用數(shù)量。

(4)增加扁鋼安裝、蓋板封邊系統(tǒng)，提高扁鋼安裝和蓋板封邊的效率。

與20年前相比，水電市場現(xiàn)在臨時工的實際日工資增加了3倍多，2014年時西南水電市場的人工單價大概為100元/工日左右(實際還要高)[7]，在一些地區(qū)，承包人往往需要支付到150元甚至更高的日工資才能雇到普通的臨時工，采用人工施工的成本在不斷地提高，相信隨著施工設備綜合施工效率的提高，機械施工費用的降低，以及施工質量要求的進一步嚴格，將會有更多的面板壩工程在面板接縫止水的施工中采用一體化機械施工技術。

[1]賈金生，郝巨濤，呂小彬，等. 高混凝土面板堆石壩周邊縫新型止水[J]. 水利學報，2001，1(2)：35-38.

[2]賈金生，郝巨濤. 面板壩周邊縫止水發(fā)展狀況和新型表層止水 [J]. 水利水電技術，1998，29(2)：19-22.

[3]李君純. 青海溝后水庫潰壩原因分析[J]. 巖土工程學報，1994，16(6)：1-14.

[4]石四存，武選正. 公伯峽面板堆石壩止水設計與機械化施工 [J]. 水力發(fā)電，2004，30(8)：25-27.

[5]何旭升，魯一暉，郭霞輝，等. 混凝土面板堆石壩面板表層止水機械化施工技術[J]. 水力發(fā)電，2012，38(8)：55-57.

[6]王國忠，程燕. 混凝土面板堆石壩止水工程單價分析與研究[J]. 東北水利水電，2001，19(9)：1-3.

[7]黃大恒. 水電建設工程工期延誤補償問題探討[J]. 人民長江，2014，45(22)：18-21.

(責任編輯 王 琪)

Development of Construction Technology of Joint Surface Waterstop for Concrete Slabs of CFRD

DENG Zhenggang1, HAO Jutao1, WANG Ailing2，LU Yihui1, DOU Tiesheng1, HE Xusheng1, XU Yao1

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

The construction technology of joint surface waterstop for concrete slabs of CFRD in China has experienced four stages roughly. The artificial construction stage is that workers rely on rope ladder to stand on dam slope and embed plastic filler on the surface of slab joints by hand. The semi-mechanized construction stage is using filler extrusion machine to extrude plastic filler as compacted shape which conforms to design requirements and then to fill it on the surface of slab joint by hand. The mechanical construction stage is using filler extrusion machine to complete embedding of plastic filler while it walks on dam slope with the aid of flat carriage. The integrated mechanical construction stage is using filler extrusion machine installed in integrated flat carriage to extrude plastic filler on the surface of slab joints and install cover on the surface of embedded filler at the same time. The integrated mechanical construction is the future development direction of the construction technology of joint surface waterstop.

slab joint; surface waterstop; filler extrusion machine; integrated mechanical construction; CFRD

2016-07-27

鄧正剛(1968—)，男，貴州安順人，高級工程師，碩士，主要從事水工材料和技術的研究和推廣應用.

TV641.43

A

0559-9342(2016)12-0065-04