寒冷地區(qū)混凝土面板堆石壩止水結(jié)構(gòu)及配套施工技術(shù)研究

景健偉，雷秀玲，李艷萍，黃如卉，李中田，王 銳

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

蒲石河流域地處遼寧省東部，屬溫帶濕潤東亞季風(fēng)氣候區(qū)。冬季受西伯利亞、蒙古高壓控制，盛行西風(fēng)或西北風(fēng)，天氣寒冷干燥。多年平均封江日期為11月29日，多年平均開江日期為3月23日，河流的穩(wěn)定封凍期約4個月，實測最大冰厚0.77 m。流域多年平均氣溫6.6℃，極端最高氣溫35.0℃，極端最低氣溫-38.5℃，最大凍土深1.32 m，屬嚴(yán)寒地區(qū)。

蒲石河抽水蓄能電站上水庫的擋水建筑物為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程395.50 m，最大壩高78.5 m，壩頂寬10 m，全長714 m，鋼筋混凝土面板壩上、下游坡比均為 1∶1.4。下游壩坡外為“之”字形上壩公路。

蒲石河抽水蓄能電站上水庫正常蓄水位392.00 m，死水位360.00 m，每天水庫水位陡降、陡升最大落差達(dá)32 m，面板堆石壩冬季運行與檢修受冰凍影響較常規(guī)電站更為嚴(yán)重，而面板結(jié)構(gòu)縫又是大壩防滲體系中的最薄弱環(huán)節(jié)，因此，必須保證其結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠。本文從止水蓋板、錨固螺栓、壓條材料的選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面結(jié)合寒冷地區(qū)特點開展優(yōu)化研究，為寒冷地區(qū)面板堆石壩止水結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工提供配套技術(shù)。

2 止水蓋板優(yōu)化

止水蓋板作為整個止水結(jié)構(gòu)的表面覆蓋物，對其下面嵌縫密封材料、止水棒等止水材料起著重要的保護(hù)作用，因此止水蓋板不僅應(yīng)具有良好的彈性，還應(yīng)兼具耐老化、拉伸強(qiáng)度高、延伸率大、耐凍融、耐腐蝕、耐撕裂及耐沖擊等性能。東北地區(qū)早期的面板堆石壩一般采用三元乙丙橡膠板，但效果一般。在黑龍江蓮花、吉林省小山、河北豐寧等水電站的面板壩面層止水結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固中，均采用了加筋復(fù)合三元乙丙橡膠板作為面板面層止水蓋板，經(jīng)過多年運行，效果較好。

通過對3個不同廠家生產(chǎn)的加筋和不加筋三元乙丙橡膠板進(jìn)行性能試驗表明，止水蓋板是否加筋對斷裂拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率影響較大，加筋蓋板在防重物沖擊、防冰推撕裂等抗沖擊性能方面要明顯優(yōu)于不加筋蓋板，因此，對于蒲石河上水庫混凝土面板壩面層止水結(jié)構(gòu)，推薦采用加筋止水蓋板。

加筋復(fù)合三元乙丙橡膠板蓋板結(jié)構(gòu)形式為：蓋板總厚度8 mm，為提高止水蓋板抗老化性能，蓋板表面采用2 mm厚的三元乙丙橡膠與6 mm厚天然橡膠復(fù)合，在橡膠板內(nèi)部加入兩層網(wǎng)狀尼龍布，形成兩布三膠式加筋復(fù)合三元乙丙橡膠板。

3 止水蓋板上下端頭連接工藝研究

受材料運輸及工程施工實際情況的影響，常常需要在現(xiàn)場進(jìn)行止水蓋板連接。而端頭的連接質(zhì)量直接關(guān)系到橡膠蓋板的止水性能、防護(hù)性能及長期耐久性能。橡膠止水蓋板端頭粘接工藝分為冷粘法和熱粘法，合理確定粘接工藝對于保證端頭連接質(zhì)量尤為重要。

冷粘施工工藝為：將兩塊橡膠板接頭預(yù)粘部位進(jìn)行打磨，各保留膠板原厚度的一半。清洗膠板受粘面，干燥后涂刷膠粘劑粘接。

熱粘施工工藝為：將在溫度為50℃左右條件下預(yù)熱的橡膠止水蓋板端頭水平放入預(yù)熱后的硫化器內(nèi)，在止水蓋板端頭中間處放入生橡膠，用測力扳手?jǐn)Q緊加壓螺栓，壓強(qiáng)達(dá)到1.5 MPa左右后再加熱加壓板使其溫度升至150℃，持續(xù)夾持約20 min（根據(jù)生橡膠的硫化速度而定）直至粘接牢固，然后松開硫化器的緊固螺栓，把橡膠止水蓋板從硫化器中取出，自然冷卻至常溫后即完成粘接。熱粘連接工藝可采用錯臺單層硫化和多層咬合搭接兩種方式。

止水蓋板接頭性能檢驗結(jié)果見表1。試驗結(jié)果顯示，采用冷粘工藝時橡膠止水蓋板接頭抗拉強(qiáng)度較低，與母材強(qiáng)度之比為0.40，不滿足DL/T 5215—2005《水工建筑物止水帶技術(shù)規(guī)范》止水帶接頭強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比不小于0.6的技術(shù)要求；采用熱粘工藝時，錯臺單層硫化及多層咬合搭接硫化的接頭與母材強(qiáng)度之比分別為0.63和1.00，均滿足規(guī)范要求；多層咬合搭接硫化粘接技術(shù)能夠減小或避免接頭強(qiáng)度損失，保證橡膠止水蓋板的整體質(zhì)量。

表1 止水蓋板接頭性能檢驗結(jié)果

4 錨固螺栓結(jié)構(gòu)優(yōu)化

錨固螺栓分為螺套和螺桿兩個組成部分。在原止水結(jié)構(gòu)中，螺套外表面棱臺過多、螺孔設(shè)計深度大，不僅加工難度大、生產(chǎn)成本高，而且在實際施工時螺桿不易完全擰入螺套，因此通過試驗研究及施工模擬，對錨固螺栓結(jié)構(gòu)做如下優(yōu)化：①縮短螺桿長度；②簡化螺套外表面棱臺結(jié)構(gòu)；③減小螺套的螺孔深度。優(yōu)化后的錨固螺栓結(jié)構(gòu)見圖1，正常澆筑面板混凝土采用結(jié)構(gòu)一；預(yù)留止水蓋板下臥槽并預(yù)埋錨固螺母澆筑面板混凝土采用結(jié)構(gòu)二。

圖1 優(yōu)化后的錨固螺栓結(jié)構(gòu) （單位：mm）

5 錨固螺栓間距及壓條扁鋼預(yù)留孔形狀優(yōu)化

在原止水結(jié)構(gòu)中，錨固螺栓間距為15 cm，扁鋼壓板預(yù)留孔形狀與平頭螺栓頂部完全吻合，對螺套埋設(shè)具有較高的精度要求?？紤]到止水施工混凝土面平整度差異，將錨固螺栓間距做適當(dāng)調(diào)整，以降低加壓鋼板彈性形變恢復(fù)對錨固螺栓產(chǎn)生的拉拔力。但在實際施工中，錨固螺栓螺套的埋設(shè)位置常存在不同程度的偏移，難以達(dá)到預(yù)期效果。結(jié)合蓮花、豐寧等水電站面板壩止水結(jié)構(gòu)修補(bǔ)工程實際應(yīng)用經(jīng)驗，對錨固螺栓間距及壓條扁鋼預(yù)留孔形狀優(yōu)化如下：①將錨固螺栓間距由15 cm調(diào)整為20 cm；②將扁鋼預(yù)留孔形狀設(shè)計為橢圓形。具體尺寸及間距見圖2。

圖2 扁鋼壓板預(yù)留孔位置示意 （單位：mm）

6 止水結(jié)構(gòu)室外冰凍模擬驗證

冰與材料的凍結(jié)強(qiáng)度越小，冰在材料表面的粘附力越小，材料越不易被破壞。冰與界面的凍結(jié)強(qiáng)度與界面材料有關(guān)，因此進(jìn)行了止水材料及止水結(jié)構(gòu)的室外冰凍模擬試驗，試驗時所有冰樣凍結(jié)及剪切試驗均在室外完成，試驗結(jié)果見表2。

表2 冰與不同止水材料的凍結(jié)強(qiáng)度試驗結(jié)果

從表2可以看出，冰與不同材料界面的凍結(jié)強(qiáng)度有很大差別。凍結(jié)強(qiáng)度順序：混凝土界面＞不銹鋼板界面＞鍍鋅鋼板界面＞掛膠鋼板界面＞橡膠板界面，橡膠止水帶中中國水利水電科學(xué)研究院加筋膠板凍結(jié)強(qiáng)度最小，壓板中掛膠鋼板的凍結(jié)強(qiáng)度略小于鍍鋅鋼板。

根據(jù)冰與止水結(jié)構(gòu)原材料凍結(jié)強(qiáng)度試驗結(jié)果，進(jìn)行了止水結(jié)構(gòu)的室外模擬試驗，選取加筋橡膠板作為蓋板，試驗環(huán)境溫度-15～-25℃，試驗結(jié)果見表3。

表3 止水結(jié)構(gòu)室外冰凍模擬試驗MPa

從表3可以看出，在水平壓力作用下，冰與止水結(jié)構(gòu)之間的凍結(jié)力被剪斷，其中橡膠板+掛膠鋼板的凍結(jié)強(qiáng)度小于橡膠板+鍍鋅鋼板的凍結(jié)強(qiáng)度。冰整體脫離，并沿坡面向上運動，冰樣未發(fā)生破碎，橡膠面板多數(shù)區(qū)域無冰附著，整個橡膠止水結(jié)構(gòu)外觀無破壞。在平行于面板的剪切力作用下，冰與止水結(jié)構(gòu)之間的凍結(jié)力被剪斷，剪切力對這兩種止水形式均未構(gòu)成破壞。橡膠板+掛膠鋼板止水形式的凍結(jié)強(qiáng)度低于橡膠板+鍍鋅鋼板凍結(jié)強(qiáng)度。剪切試驗后冰為整體脫離，冰樣未發(fā)生破碎，橡膠面板多數(shù)區(qū)域無冰附著，少部分有冰，整個橡膠止水結(jié)構(gòu)外觀形式無破壞。

7 施工技術(shù)

在研究面板頂部接縫止水施工工藝時，考慮了正常澆筑面板混凝土和預(yù)留止水蓋板下臥槽并預(yù)埋錨固螺母澆筑面板混凝土兩種施工工藝。

（1）正常澆筑情況下頂部接縫止水施工工藝。當(dāng)面板頂部接縫止水施工基礎(chǔ)條件為正常澆筑施工的混凝土面板時，其施工工序為：機(jī)械開槽→鉆機(jī)打孔→螺母埋設(shè)→止水棒安裝→嵌填密封材料→鋪設(shè)止水蓋板→螺栓錨固扁鋼加壓→邊縫嵌填。

（2）預(yù)留槽并預(yù)埋錨固件情況下頂部接縫止水施工工藝。當(dāng)預(yù)留止水蓋板下臥槽并且預(yù)埋錨固螺母時，面板頂部接縫止水施工工序為：止水棒安裝→嵌填密封材料→鋪設(shè)止水蓋板→螺栓錨固扁鋼加壓→邊縫嵌填。與正常澆筑的混凝土面板相比，省去了機(jī)械開槽→鉆機(jī)打孔→螺母埋設(shè)三道施工工序， 且止水蓋板下臥槽混凝土面平整度高、錨固螺母與混凝土結(jié)合緊密、錨固螺母抗拉拔性能好。因此，推薦使用預(yù)留止水蓋板下臥槽并且預(yù)埋錨固螺母的頂部接縫止水施工工藝。

8 結(jié)論與建議

結(jié)合蒲石河抽水蓄能電站工程，進(jìn)行寒區(qū)混凝土面板堆石壩面板止水結(jié)構(gòu)及配套施工技術(shù)研究并成功應(yīng)用。選取的止水材料具有耐老化、拉伸強(qiáng)度高、耐沖擊性能好等特點；選用的止水結(jié)構(gòu)形式具備易于施工、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢。研究成果如下：

（1）采取適當(dāng)?shù)闹顾雷o(hù)措施，提高寒區(qū)面板接縫頂部止水的防滲和耐久性能，表層防護(hù)體系不被破壞是確保止水結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。

（2）推薦采用澆筑面板混凝土?xí)r預(yù)留止水蓋板下臥槽并預(yù)埋錨固螺母的止水結(jié)構(gòu)施工工藝。

（3）錨固螺栓推薦采用沉頭螺栓 （見圖1），螺栓螺桿長60 mm，螺母長105 mm，絲扣長80 mm，其沉頭最大直徑25 mm。

（4）推薦采用鍍鋅扁鋼或掛膠扁鋼做為壓板。

（5）推薦面板混凝土變形縫采用表面復(fù)合三元乙丙橡膠復(fù)合層 （厚度＞2 mm）抗老化層的加筋橡膠板作為止水蓋板，以提高止水蓋板的抗沖擊性能。

（6）熱粘法工藝較為復(fù)雜，但抗拉強(qiáng)度高，抗?jié)B效果好，建議現(xiàn)場施工采用熱粘法硫化粘接。