水庫大壩防滲面板改造加固施工新技術(shù)應(yīng)用研究

王 歡

砌石重力壩具有建筑材料來源豐富、造價低廉、壩頂可溢流、施工工藝簡單等優(yōu)點，在發(fā)展中國家發(fā)展迅速。我國重力壩建設(shè)歷經(jīng)多年實施，其建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷攀升。砌石重力壩的防滲設(shè)施布置主要有3種形式：第一種是在大壩上游面設(shè)置混凝土或鋼筋混凝土防滲面板，第二種是在壩體上游側(cè)設(shè)置混凝土防滲心墻，第三種是使壩體本身防滲。砌石重力壩大多采用在大壩上游面設(shè)置防滲面板的形式，如河北省的朱莊水庫、河南省的寶泉水庫和青田河水庫、云南省的于東水庫、浙江省的交口水庫等，均采用了第一種防滲布置形式。

我國改革開放前已建成的漿砌石重力壩，多數(shù)漿砌石重力壩已運行40多年，壩體已逐漸顯現(xiàn)出各種缺陷和危險，特別是滲漏問題更加嚴(yán)重。正是由于我國水庫大壩建設(shè)中的經(jīng)驗并不豐富，在混凝土防滲漏施工技術(shù)方面的知識和技術(shù)并不健全，特別對于沿海地區(qū)的大壩，混凝土防滲面板的作用就顯得更為重要，這是由于沿海地區(qū)空氣中存在大量腐蝕性物質(zhì)，這些腐蝕性物質(zhì)會加速水庫大壩的銹蝕，進(jìn)而降低水庫大壩的使用壽命。因此混凝土防滲面板保護(hù)作用的好壞直接決定了水庫大壩使用年限。過去材料性能和技術(shù)水平有限，經(jīng)過長期運行，許多漿砌石重力壩上游面板逐漸產(chǎn)生大量裂縫，進(jìn)而出現(xiàn)不同程度的壩體滲漏，這些病害和缺陷危及大壩本身和下游居民。所以，研究和采用新技術(shù)對漿砌石重力壩上游防滲面板進(jìn)行改造和加固是必然趨勢。

1.防滲面板改造加固工藝介紹

漿砌石重力壩防滲加固措施主要包括改建面板或修復(fù)原有鋼筋混凝土面板，其中改建面板措施需要在原有面板外側(cè)上游增設(shè)鋼筋混凝土面板，或在拆除原有上游面板后改建新的防滲面板。在原有上游面板的外側(cè)增加鋼筋混凝土面板，可以保留原有面板，也保留了原有面板的部分防滲性能，可以增強(qiáng)大壩的防滲能力，不會損壞砌石壩體，施工難度較小。因此，通常采取增加上游防滲面板的措施來加固砌石大壩，目前對大壩防滲面板進(jìn)行改造加固主要從以下幾個方面考慮。

1.1 重建面板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

確保避免新面板與舊面板脫離，并保證面板結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定，是發(fā)揮面板防滲作用的前提。通?？刹扇?種方法為面板提供足夠的垂直保持力和水平拉力。第一種是在新舊面板之間設(shè)置錨固化學(xué)鍵合鋼筋，利用鋼筋的剪切和拉伸強(qiáng)度提供向上的垂直保持力和水平錨固力。第二種是在新舊混凝土面板界面涂刷無機(jī)界面膠，利用界面粘結(jié)為改造后的面板提供垂直握持力和粘結(jié)力。第三種是將改造后的面板底部定位在基巖或混凝土板上，這樣可以提供反向的垂直支撐力。

1.2 重建面板施工縫的止水

上游防滲面板施工縫和分縫處是防滲最薄弱的部位，面板施工縫和密封失效通常是壩體滲透破壞的主要原因。因此，改造面板的垂直施工縫應(yīng)通過原壩體的垂直施工縫進(jìn)行切割，水平施工縫可根據(jù)需要設(shè)置，施工縫處應(yīng)采用可靠的密封結(jié)構(gòu)，可考慮修復(fù)和加強(qiáng)原面板的密封結(jié)構(gòu)，或在改造面板中改造密封系統(tǒng)。

1.3 重建面板的防裂性

漿砌石壩上游面積一般較大，壩體的變形和溫度變化將直接影響改建面板的應(yīng)力和應(yīng)變，這將導(dǎo)致面板內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸膨脹，很可能造成改建面板的開裂破壞。因此為了解決這類問題，需要適當(dāng)設(shè)置施工縫，改善材料性能，提高面板強(qiáng)度，以滿足抗裂要求。而且面板表層應(yīng)使用抗裂鋼筋適當(dāng)固定，以抵抗因外界溫度頻繁變化而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。

1.4 改造面板的防凍防腐性

在大壩運行期間，防滲面板底部長期承受較高的水頭，而且由于冬季凍融循環(huán)，會對使用耐久性產(chǎn)生不利影響，因此面板混凝土應(yīng)具有足夠的防滲、防凍和防腐性能，這需要根據(jù)大壩的環(huán)境類別選擇合適的加固混凝土，控制混凝土的最大氯化物含量，提高混凝土密實度，必要時適當(dāng)添加添加劑，或使用特殊的表面保護(hù)涂層等。

2.防滲面板改造加固技術(shù)應(yīng)用

2.1 項目概況

以某水庫除險加固工程為例，其大壩庫容為3560×104m3，壩頂高程115.2m，寬8.0m，壩頂長257m，其中溢流壩段長81m，溢流壩由5個閘室組成，每個閘室寬12m。工程等別為Ⅲ等，因工程壩高超過70m，大壩級別可提高一級，由3級提高到2級，洪水標(biāo)準(zhǔn)不提高。經(jīng)過多年的運行，漿砌石重力壩上游混凝土面板出現(xiàn)了開裂、露筋、蜂窩、孔洞、脫鈣等諸多缺陷，壩體廊道產(chǎn)生了許多明顯的裂縫和滲漏，面板混凝土防滲等級不滿足安全要求，防滲系統(tǒng)存在諸多薄弱環(huán)節(jié)，因此必須對漿砌石重力壩進(jìn)行改造和加固。

2.2 混凝土參數(shù)確立

為解決大壩滲漏問題，大壩的主要防滲加固措施是在原有防滲面板上改造防滲面板，改造后的面板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土防滲面板施工中最核心的環(huán)節(jié)就是選擇合適的水泥原料，通常情況下應(yīng)選擇標(biāo)號大于425#的水泥材料，目的是強(qiáng)化防滲面板施工性能。水庫大壩混凝土防滲面板施工項目中，根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況采用了425#水泥。由于防滲面板施工容易受到水灰比波動的影響，一般情況下水灰比應(yīng)控制在0.5±0.05。

2.3 面板與原壩面粘結(jié)工藝

為保證改造后的防滲板穩(wěn)定性和安全性，加固均采用底部承重和新舊板組合兩種方法，新舊板組合方法包括粘結(jié)鋼筋錨固技術(shù)和界面粘結(jié)技術(shù)。

2.3.1 化學(xué)植筋錨固技術(shù)

上游漿砌石重力壩，鋼筋混凝土面板厚1.0～1.46m。為保證新老混凝土面板的結(jié)合，界面處采用植筋錨固技術(shù)，錨桿排距均為1.5m，錨桿內(nèi)側(cè)水平傾斜5度波紋管，錨固深度50cm，錨固抗拉強(qiáng)度大于100kN。

2.3.2 界面粘結(jié)技術(shù)

為保證新老混凝土防滲面板無縫粘結(jié)，結(jié)合化學(xué)植筋措施，鋼筋還采取在新舊混凝土結(jié)構(gòu)界面涂刷無機(jī)界面膠的措施。通過鑿毛清理界面，均勻刷一層無機(jī)界面粘結(jié)膠，然后澆筑改造后的防滲面板混凝土。無機(jī)界面粘結(jié)膠的技術(shù)規(guī)格見表1，其抗拉強(qiáng)度高于普通混凝土。

表1 無機(jī)界面黏合膠規(guī)格

2.4 面板施工縫和防水密封

2.4.1 面板接縫處的防水密封

為了確保改造后防滲面板的垂直穩(wěn)定性，面板底部位于基巖上，面板水平分隔是施工冷接縫，接縫中沒有間隙，面板中的垂直鋼筋穿過水平施工縫，這意味著垂直鋼筋不會在接縫處切斷。面板的水平施工縫分別位于標(biāo)高180.9m、190.0m和202.6m處。上游新建鋼筋混凝土防滲面板的豎向隔條切穿原壩體的豎向隔條，相鄰隔條之間的距離在11.5～14.75m范圍內(nèi)，新建防滲面板的豎向隔條寬度為1.5cm，隔條內(nèi)安裝有銅止水帶，止水帶厚度為1mm，隔條間隙內(nèi)填充高壓聚乙烯閉孔泡沫。

2.4.2 新老混凝土結(jié)構(gòu)部分之間接縫的密封

SR塑性填料設(shè)置在新面板與溢洪道橋墩或上游進(jìn)水口原有凸出混凝土結(jié)構(gòu)的連接處。密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 接縫處的SR密封結(jié)構(gòu)圖

SR塑性填料的性能如表2所示。SR內(nèi)部填料是SR塑性填料的配套粘合劑。SR外層填料為三元乙丙橡膠增強(qiáng)防滲蓋板，縱橫向抗拉強(qiáng)度大于4.0MPa，延伸率大于350%。

表2 SR密封塑性填料性能表

改造后的防滲面板豎向施工縫貫穿原壩體豎向施工縫，相鄰施工縫間距滿足混凝土變形要求，有利于面板抗裂。改造后的面板表層分布有雙向鋼筋，溢流段防滲面板的典型配筋如圖2所示。

圖2 防滲面板的典型配筋圖

為了提高防滲面板的抗裂性能，在改造后的防滲面板混凝土中摻入適量的單絲聚丙烯纖維，單絲聚丙烯纖維的直徑在13～20μm之間，長度不小于20mm，密度不小于1.1g/cm3，抗拉強(qiáng)度不小于700N/mm2，彈性模量不小于15000N/mm2。在改造后的防滲面板中摻入聚丙烯纖維可以提高面板結(jié)構(gòu)的延性，防止新裂縫的擴(kuò)展，還可以減少溫度裂縫和長期收縮裂縫，顯著提高防滲面板結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

2.5 面板防滲、防凍和防腐工藝

改造后的面板必須承受60m以上的水頭高度，要求混凝土抗?jié)B等級達(dá)到W6以上。水庫最冷月份為冬季1月，平均氣溫在4.6～5.3℃范圍內(nèi)，因此水庫屬于溫和氣候區(qū)，考慮耐久性要求，要求混凝土抗凍等級達(dá)到F100(凍融100次循環(huán))。通過對水庫水質(zhì)的分析和判別，確定水庫水具有弱或中等的碳酸氫鹽腐蝕性，在鋼筋施工過程中采用普通粉煤灰硅酸鹽水泥來提高混凝土的防腐能力。通過試驗確定了水泥的品種和用量、混凝土的外加劑和添加劑、水灰比和含氣量。

3.面板改造及加固效果

大壩上游防滲面板改造工程完成后，對改造后的防滲面板質(zhì)量進(jìn)行了抽樣檢測，檢測采用鉆孔取樣，取樣項目包括防滲面板混凝土抗壓強(qiáng)度和防滲等級，混凝土抗壓強(qiáng)度取樣10組，每組3次，防滲等級取樣6組。10組抗壓強(qiáng)度取樣試驗值均高于C25混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值16.7MPa，6組防滲等級試驗值也均高于設(shè)計要求，滿足改建防滲設(shè)計的質(zhì)量要求。防滲面板改造加固后，漿砌石重力壩通過了質(zhì)量檢測和蓄水調(diào)試，防滲面板質(zhì)量滿足設(shè)計要求，滲漏問題得到解決，外觀得到更新，達(dá)到了加固工程的預(yù)期效果。

4.結(jié)語

多年來，我國的砌石重力壩建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷攀升，也為保障經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和滿足人民生活需求發(fā)揮了重要作用，許多大壩經(jīng)過數(shù)十年的運行，都產(chǎn)生了不同程度的滲漏問題，上游防滲改造是砌石重力壩加固的常用方法，面板改造和加固是解決其自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、施工縫和密封、抗裂、防滲、防凍和防腐等問題的關(guān)鍵方法，并應(yīng)采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、防滲可靠性和耐久性，從過去完成的許多砌石重力壩加固工程中，探索了一些防滲面板改造新技術(shù)的應(yīng)用，積累了一些相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗，希望能為今后類似工程的防滲改造和加固提供參考。