柔性防護(hù)體系在蓋下壩水電站超薄拱壩上的應(yīng)用

張喜武，侯福江，王 楊，溫 斌，孫煜東

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林長(zhǎng)春130021）

1 工程概況

蓋下壩水電站位于重慶市云陽(yáng)縣和奉節(jié)縣境內(nèi)長(zhǎng)江一級(jí)支流-長(zhǎng)灘河中上游河段，距下游長(zhǎng)江入口處故陵鎮(zhèn)約45 km，距云陽(yáng)縣城約72 km，水庫(kù)總庫(kù)容3.54×108m3，電站總裝機(jī)容量132 MW。大壩及泄水建筑物為1級(jí)建筑物，消能建筑物為3級(jí)建筑物，引水發(fā)電建筑物為3級(jí)建筑物。

2 壩體體形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 拱壩體形優(yōu)化

拱壩經(jīng)優(yōu)化選定的體形為橢圓雙曲拱壩，最大壩高160.00 m，拱壩基本體形141 m，是我國(guó)最高橢圓雙曲拱壩，壩頂長(zhǎng)153.2 m，拱冠梁底厚14.96 m，厚高比0.106，已建、運(yùn)行的最薄高拱壩，國(guó)內(nèi)外超薄高拱壩參數(shù)統(tǒng)計(jì)。

2.2 取消壩體排水孔及排水廊道

由于工程無冰凍問題，且屬于超薄拱壩，故取消了壩體排水孔，進(jìn)而取消了壩體排水廊道，避免了排水廊道對(duì)超薄拱壩壩體的削弱及壩體局部孔洞應(yīng)力集中，節(jié)省了投資，更重要的是簡(jiǎn)化施工工藝，縮短了工期、減少施工干擾，便于混凝土入倉(cāng)、平倉(cāng)、震搗，對(duì)于保證混凝土澆筑質(zhì)量和進(jìn)度都是有益的。此項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化在國(guó)內(nèi)同級(jí)別拱壩建設(shè)中也是大膽的嘗試，并取得了良好的效果。

3 超薄拱壩增設(shè)柔性防護(hù)體系必要性

1）工程在技施階段取消了壩體排水孔及排水廊道，對(duì)于提高混凝土澆筑質(zhì)量，加快澆筑進(jìn)度是有好處的。然而取消壩體排水孔，壩體內(nèi)滲透壓力勢(shì)必有增大趨勢(shì)，提高混凝土抗?jié)B性能對(duì)減少壩體滲透壓力進(jìn)而減小水力劈裂是有好處的。提高混凝土抗?jié)B性能的常規(guī)辦法是增加混凝土水泥用量，但增加水泥用量導(dǎo)致混凝土水化熱增加，加大了溫控難度和成本。壩體上游面設(shè)置柔性防護(hù)體系，既不增加混凝土中水泥的用量，又提高了壩體防滲性能，噴涂聚脲。

2）工程取消了壩體排水廊道，河床部位保留了基礎(chǔ)灌漿廊道。由于壩體超薄，基礎(chǔ)灌漿廊道距離大壩上游面距離較近，基礎(chǔ)灌漿廊道距離大壩上游面最小距離只有8.0 m，混凝土最大比降17，接近規(guī)范規(guī)定的上限值20，故采取一定的防護(hù)措施提高混凝土抗?jié)B能力，對(duì)保證混凝土耐久性，減少裂縫產(chǎn)生和開展是有宜的。

3）大壩施工中產(chǎn)生的裂縫，大多是壩體內(nèi)外溫差引起的表面裂縫或水平施工縫張開，而混凝土壩上游面的表面裂縫，有在蓄水之后發(fā)展為深層裂縫的可能，如美國(guó)德沃夏克壩和加拿大雷沃斯托克壩的情況[1]。所以混凝土壩的保溫，防裂、防滲等一系列問題是相互關(guān)聯(lián)的，也是人們極為關(guān)心的問題。工程原計(jì)劃壩體上游防滲與施工期保溫結(jié)合，同步進(jìn)行，后由于施工進(jìn)度問題分步實(shí)施。

4）對(duì)于常態(tài)混凝土壩而言，混凝土自身并不存在防滲問題，但國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐、計(jì)算分析、模型試驗(yàn)表明，高拱壩強(qiáng)約束區(qū)運(yùn)行期應(yīng)力復(fù)雜，常常難以分析清楚是否會(huì)在基礎(chǔ)或壩體部位出現(xiàn)裂縫，而壩踵部位的裂縫有可能會(huì)因?yàn)楦咚^水壓力作用發(fā)生水力劈裂，進(jìn)一步擴(kuò)展，甚至使防滲帷幕拉裂，影響工程的正常運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外高拱壩的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，有些高拱壩在運(yùn)行期出現(xiàn)壩踵開裂漏水事故，影響了工程正常運(yùn)行，如薩揚(yáng)舒申斯克拱壩、柯恩布萊因拱壩、茲勒格倫特拱壩、石門拱壩等在運(yùn)行期均出現(xiàn)壩踵開裂。借鑒碾壓混凝土壩上游面薄膜防滲的經(jīng)驗(yàn)，在高拱壩上游面壩踵附近設(shè)置柔性防護(hù)體系，可以防止高拱壩運(yùn)行期壩踵開裂后漏水、避免高壓庫(kù)水進(jìn)入壩踵裂縫引起的危害，并在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高壩體安全度。

5）拱壩施工過程中，溫度控制要求嚴(yán)格，溫控、養(yǎng)護(hù)措施落實(shí)不到位，混凝土在施工期極易出現(xiàn)細(xì)微裂縫，而這種裂縫在蓄會(huì)后有進(jìn)一步開展的可能，由微裂縫發(fā)展成規(guī)模比較大的裂縫，影響壩體整體性、耐久性，甚至影響工程的正常使用，這在混凝土壩施工中也是經(jīng)常出現(xiàn)的問題。大壩上游柔性防護(hù)體系體有效地限制了細(xì)微裂縫進(jìn)一步開展，有效地彌補(bǔ)了混凝土脆性材料抗裂性能差的不足。

6）壩體施工過程中分層澆筑，水平施工縫處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)沿水平施工縫的滲漏通道；由于混凝土入倉(cāng)機(jī)械故障、送電線路故障、天氣等各方面因素，施工冷縫在施工過程中也很難完全避免，這是很多工程建設(shè)過程中出現(xiàn)的施工質(zhì)量缺陷，給壩體蓄水后的滲漏埋下了隱患，而且處理難度極大，處理成本高。壩體上游面柔性防護(hù)體系的設(shè)置，可有效地對(duì)水平施工縫及施工冷縫等質(zhì)量缺陷進(jìn)行補(bǔ)救，截?cái)鄬娱g滲漏通道，避免蓄水后混凝土澆筑質(zhì)量缺陷帶來壩體滲漏的難題。

7）壩體在運(yùn)行期一旦出現(xiàn)裂縫，在高水頭下進(jìn)行裂縫處理難度大、代價(jià)高，這也是水工界的共識(shí)。在高拱壩上游面設(shè)置柔性防護(hù)體系，可以防止高拱壩運(yùn)行期微裂縫開展，減少或避免水下裂縫修補(bǔ)加固，為工程的運(yùn)行、維護(hù)創(chuàng)造有利條件，大大降低了運(yùn)行期修補(bǔ)加固難度和成本。

4 柔性防護(hù)體系技術(shù)方案

4.1 壩縫及裂縫處理

采用水鉆騎壩縫鉆直孔，孔深為30 cm，孔間垂直間距60～100 cm，鉆孔部位須橫縫灌漿結(jié)束。每條壩縫鉆孔完畢后，須用高壓空氣進(jìn)行沖洗。裂縫表面封閉后，應(yīng)首先用（0.1～0.2）MPa壓縮空氣檢查壩縫封閉效果和鉆孔情況。

用直徑2 cm的鋼管做灌漿嘴，灌漿嘴的埋設(shè)深度應(yīng)小于8 cm，灌漿嘴露出混凝土表面長(zhǎng)度應(yīng)大于5 cm。封縫前，混凝土表面用丙酮脫脂，在混凝土表面順縫采用結(jié)構(gòu)膠封縫，封縫厚5～8 mm,寬40 mm。

壩體裂縫寬度小于0.2 mm的裂縫，采用水泥基抗?jié)B微結(jié)晶材料進(jìn)行涂刷。水泥基抗?jié)B微結(jié)晶材料抗?jié)B指標(biāo)1.5 MPa,線膨脹系數(shù)（0.6～0.8）×10-5℃。表面清理液涂刷2遍。

4.2 化學(xué)灌漿

灌漿材料選用高分散性灌漿材料，灌漿壓力根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，一般采用0.15～0.3 MPa。配制漿液應(yīng)在干燥環(huán)境中進(jìn)行，嚴(yán)防配漿中漿液發(fā)生暴聚現(xiàn)象，灌漿過程中如發(fā)生暴聚，應(yīng)立即棄掉。灌漿漿液在使用前應(yīng)攪拌均勻，漿液自制備至用完的時(shí)間不宜超過1 h。灌漿順序?yàn)橄壬詈鬁\，在灌漿過程中發(fā)生冒漿、串漿等情況時(shí)，宜在不中斷灌漿的情況下采用快速堵漏、降壓方法進(jìn)行處理，待快速堵漏材料達(dá)到一定強(qiáng)度后，才能繼續(xù)灌漿；若灌漿被迫中斷，應(yīng)爭(zhēng)取在漿液凝固前及早恢復(fù)。灌漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)是吃漿量很小且臨孔冒漿，此時(shí)應(yīng)保持規(guī)定壓力15 min。灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是以不吸漿為原則，如吸漿率小于10 ml/min，并將灌漿壓力保持恒壓15 min，即可結(jié)束灌漿。

灌漿結(jié)束24 h后割掉灌漿嘴，采用環(huán)氧水泥漿液封孔，所有灌漿工序完成后清除混凝土表面結(jié)構(gòu)膠，采用砂輪打磨，恢復(fù)原結(jié)構(gòu)斷面，保證原結(jié)構(gòu)斷面的平整度，避免對(duì)結(jié)構(gòu)表面造成破壞。

4.3 施工要求

柔性防護(hù)體系作為一種新型的混凝土防護(hù)手段，在蓄水前實(shí)施，可有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B、抗凍、抗溶蝕能力；可避免或減少結(jié)構(gòu)細(xì)微裂縫在蓄水后繼續(xù)開展；可對(duì)于水平施工縫處理缺陷造成的滲漏起到補(bǔ)救作用；可提高結(jié)構(gòu)耐久性和延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用年限，降低運(yùn)行期維護(hù)費(fèi)用。

柔性防護(hù)體系包括：大壩上游混凝土面清理（包括保溫板拆除）、打磨；壩縫防滲密封材料鋪設(shè)；壩踵上游2.5 m范圍內(nèi)巖石表面清理、找平；壩踵上游2.5 m范圍內(nèi)巖石基層界面處理；壩踵及上游環(huán)氧砂漿局部找平；壩面混凝土基層界面處理；防滲涂膜的噴涂；防滲涂膜養(yǎng)護(hù)。

大壩上游柔性防護(hù)工程嚴(yán)禁在雨天、雪天施工，五級(jí)風(fēng)及其以上時(shí)不得施工；施工中途下雨雪時(shí)，應(yīng)做好周邊的防護(hù)工作。大壩上游防滲界面處理劑、防滲涂膜、防滲密封材料的施工環(huán)境氣溫均應(yīng)在5～35℃之間。

4.4 基面處理

柔性防護(hù)體系基面處理尤為重要，壩面及壩踵上游2.5 m范圍內(nèi)巖石找平；壩面找平表面平整度的允許偏差為5 mm；局部表面鋼筋頭割除打磨，并不得有局部突起現(xiàn)象；壩踵與上游巖石接觸部位采用環(huán)氧砂漿填充成弧形，園弧半徑不應(yīng)小于50 mm；混凝土表面磨平后進(jìn)行表面清理，必須保證混凝土表面干凈、干燥。

柔性防護(hù)體系基面找平打磨后，涂刷基層處理劑，基層處理劑應(yīng)與上面覆蓋的柔性涂膜、壩縫化學(xué)灌漿封閉材料、環(huán)氧砂漿相容?；鶎犹幚韯┗鶎用姹仨毟蓛?、干燥；基層處理劑應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)量，充分?jǐn)嚢?，涂刷均勻，覆蓋完全。

4.5 表面柔性防護(hù)涂層實(shí)施

表面柔性防護(hù)涂層配比、涂刷遍數(shù)應(yīng)通過工藝試驗(yàn)選定；表面防護(hù)涂層應(yīng)分遍和多遍涂布，待先涂的涂層干燥成膜后，方可涂布后一遍涂層，且前后兩遍涂層的涂布方向應(yīng)相互垂直；大壩上游防滲涂膜應(yīng)薄涂多遍，不得有流淌和堆積現(xiàn)象；防滲涂膜的收頭處理可采用防滲涂料多遍涂布。

5 結(jié)語(yǔ)

混凝土本身為脆性材料，施工及運(yùn)行過程中受配合比、溫度、濕度、工藝、受力、基礎(chǔ)變形等因素影響產(chǎn)生不同性質(zhì)的裂縫，裂縫在水荷載作用下有進(jìn)一步開展的可能，裂縫的出現(xiàn)對(duì)混凝土薄壁結(jié)構(gòu)整體性、耐久性、安全性影響敏感；即使有些裂縫不會(huì)進(jìn)一步開展，但會(huì)出現(xiàn)沿縫滲水、漏水情況，導(dǎo)致混凝土鈣質(zhì)析出，影響結(jié)構(gòu)耐久性和建筑物外觀。有些壩體裂縫在蓄水后進(jìn)一步惡化，此時(shí)進(jìn)行裂縫處理無論是降水旱地施工還是水下施工，處理難度均較大，經(jīng)濟(jì)代價(jià)巨大，甚至有些裂縫的滲水、漏水根本無法處理，找不到上游的滲漏點(diǎn)，影響結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀。故混凝土薄拱壩設(shè)置柔性防護(hù)是必要的，從施工、運(yùn)行、維護(hù)綜合考慮也是經(jīng)濟(jì)的。

由于柔性防護(hù)體系在水電、水利行業(yè)應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較晚，工程案例較少，柔性防護(hù)采用的材料種類繁多，參數(shù)復(fù)雜，施工工藝迥異，不同的部位、施工條件、環(huán)境因素、運(yùn)行條件對(duì)材料要求差異較大，故在設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工過程中需進(jìn)行充分的分析、論證，選擇合適的材料；壩體柔性防護(hù)采用新材料和新工藝，施工工藝復(fù)雜，界面處理要求嚴(yán)格，故在施工過程中要選擇正規(guī)、有經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍；壩體柔性防護(hù)體系施工受到混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)、溫控、蓄水過程等影響，在施工過程中要做好施工組織工作，保證各工序之間有序進(jìn)行，避免施工干擾和各工序之間的影響，保證施工質(zhì)量和進(jìn)度。