有壓隧洞伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)試驗研究及應用

詹 杰，殷鴻飛，孫志恒

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610；2.三亞城市投資建設(shè)有限公司，海南 三亞 572000；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 概述

我國水資源時空分布不均衡，實施跨流域、跨地區(qū)調(diào)水工程越來越多，輸水隧洞是調(diào)水工程中的主要建筑物。目前我國城市引調(diào)水工程的輸水隧洞總里程世界第一，正在服役的有引灤入津(12km)、引黃入晉(204km)、引漢濟渭(98km)、新疆大板調(diào)水(31.89km)、大伙房輸水(85.32km)、南水北調(diào)西線(244km)、南水北調(diào)穿黃(2×4km)、白龍江引水工程(308km)、滇中引水(612km)、引大入秦(110km)、遼西北供水(290.5km)、青海引大濟湟(24.17km)及鄂北水資源配套工程(119.43km)等隧洞工程。受伸縮縫止水結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工質(zhì)量、止水材料質(zhì)量的影響，一些有壓輸水隧洞(包括壓力箱涵、倒虹吸等結(jié)構(gòu))伸縮縫滲漏嚴重，不但降低了引調(diào)水工程的經(jīng)濟效益，而且直接影響工程使用壽命，嚴重的滲漏導致周圍山體滑坡、輸水隧洞垮塌等事故。有壓輸水隧洞伸縮縫具有承擔溫度變形和不均勻變形的作用，在正常運行期間其止水結(jié)構(gòu)要承擔迎水面高壓水壓力作用，在檢修期間要承擔背水面山巖的外水壓力。處理有壓輸水隧洞伸縮縫內(nèi)部止水帶失效是一項很困難的工作，目前常用的方法是鑿除伸縮縫止水帶周邊混凝土，重新安裝止水帶，再重新澆筑周邊混凝土；或者是在伸縮縫止水帶附近打孔進行化學灌漿；或者在伸縮縫表面錨固或粘貼一層橡膠止水帶。這幾種方法都不能保證伸縮縫長期止水效果，并且工期長、造價高。為了防止有壓輸水隧洞伸縮縫滲漏或修復已經(jīng)滲漏的伸縮縫止水破損，提高有壓輸水隧洞伸縮縫止水的可靠性，在伸縮縫混凝土表面設(shè)置一道可靠的柔性止水結(jié)構(gòu)是一種方便、有效的措施。

2 伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)

根據(jù)有壓輸水隧洞運行條件，對隧洞伸縮縫表層止水結(jié)構(gòu)要求應滿足抵抗背水面及迎水面水壓力的雙向作用，滿足伸縮縫適應結(jié)構(gòu)變形，止水材料耐老化、耐水、防沖刷、環(huán)保，滿足長期運用等要求。同時，表層止水結(jié)構(gòu)要施工方便、便于維修，對原結(jié)構(gòu)無破壞。為此，本文對如圖1所示的輸水隧洞伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)進行了試驗研究。

在圖1中的伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)中，伸縮縫表面預留深2～4cm、寬2～5cm的矩形槽，矩形槽內(nèi)嵌填高彈性聚脲砂漿，伸縮縫表面涂刷4mm厚、30～40cm寬的SK手刮聚脲復合胎基布作為防滲涂層。槽內(nèi)嵌填的高彈性聚脲砂漿彈性好，壓縮50%后可以完全恢復，斷裂伸長率在10%～30%之間，能適應伸縮縫的變形要求；有良好的抗裂性和變形性；抗壓及抗拉強度高，可以承受背水壓力，同時支撐表層防滲涂層。表面涂刷的SK手刮聚脲抗拉強度大于20MPa、斷裂伸長率大于200%、吸水率小于5%，具有強度高、柔性大、耐久性好的優(yōu)點。聚脲中間復合胎基布，可以承擔迎水面高水壓的長期作用。為了防止防滲涂層在高速水流作用下掀起，在聚脲收邊部位打磨成三角形槽，保證收邊部位的聚脲厚度大于2mm。

圖1 輸水隧洞伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)

3 背水面壓水試驗

背水面壓水試驗的目的是研究輸水隧洞表層柔性止水結(jié)構(gòu)在背水壓力作用下防止外水內(nèi)滲的效果。在材料比選中，首先研究了在槽內(nèi)充填聚氨酯密封膠和聚硫密封膏等柔性防滲材料，表面涂刷4mm SK手刮聚脲復合胎基布。試驗結(jié)果表明，由于在槽內(nèi)充填的聚氨酯密封膠和聚硫密封膏本體強度較低，伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)只能抵抗0.3MPa左右的外水壓力，不能滿足高外水壓力的要求。為此，選定了在槽內(nèi)充填強度較大的高彈性聚脲砂漿。試驗加工了6個尺寸為70cm×50cm×20cm的混凝土試塊，試塊中部開矩形槽，槽長40cm，槽寬和槽深的尺寸分別為：3cm×2cm(1#和2#試塊)、3cm×3cm(3#和4#試塊)和2cm×2cm(5#和6#試塊)。將伸縮縫周邊混凝土表面打磨、清洗、晾干，槽底部粘貼一層塑料薄膜(作為隔離層)，槽側(cè)面及底面涂刷界面劑，待界面劑表干后直接刮涂第一層SK手刮聚脲，1h后在槽內(nèi)分層回填高彈性聚脲砂漿，砂漿與混凝土面齊平，再刮涂SK手刮聚脲，聚脲表干前在伸縮縫部位15cm范圍內(nèi)鋪蓋胎基布，再涂刷2～3遍SK手刮聚脲，每次涂刷SK手刮聚脲的允許作業(yè)時間在3h以內(nèi)，直至伸縮縫部位聚脲厚度達4mm，寬度為30cm。在模型背面預留的孔內(nèi)安裝壓水裝置，伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)模型試驗示意圖如圖2所示。

圖2 伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)模型試驗示意圖

試驗加載過程中，背水壓力從0.5MPa開始加壓，穩(wěn)壓20min后增加0.2MPa。模型破壞前，伸縮縫內(nèi)部的高彈性聚脲砂漿凸起，繼續(xù)加載，伸縮縫附近SK手刮聚脲局部出現(xiàn)鼓包，一旦聚脲出現(xiàn)鼓包，背水壓力表開始下降，如果繼續(xù)加壓，聚脲鼓包會繼續(xù)增大，直至破壞。

伸縮縫表層止水結(jié)構(gòu)模型試驗描述過程及試驗結(jié)果見表1，在背水壓力作用下，1#、2#模型槽寬3cm，可承受的最大背水壓力為1.0～1.1MPa；3#和4#模型槽3cm深，但養(yǎng)護時間較短(16d)，高彈性聚脲砂漿未完全固化，粘接強度較低，可承受的最大背水壓力約為1.0MPa；5#模型槽的寬度為2cm，表面聚脲涂層厚度為4mm，可承受的最大背水壓力為1.7MPa，6#模型由于養(yǎng)護時間較短(16d)，高彈性聚脲砂漿未完全固化，可承受的最大背水壓力約為0.9MPa。

表1 伸縮縫表層止水結(jié)構(gòu)模型試驗描述及結(jié)果

試驗結(jié)果表明：①槽的深度越大，可以承受的背水壓力越大；②表層的聚脲涂層厚度越大，可以承受的背水壓力越大；③槽的寬度越大，適應變形能力越大，但可以承受的背水壓力越??；④涂層與混凝土的粘接強度越大，承受背水壓力大；⑤槽內(nèi)的高彈性聚脲砂漿養(yǎng)護時間要大于30d。

4 迎水面壓水試驗

模型內(nèi)徑為48cm的鋼桶，桶內(nèi)澆筑混凝土試塊，中央預留一道長約25cm、寬為2cm的貫穿槽，槽內(nèi)無充填材料，表面分別涂刷不同厚度的涂刷SK手刮聚脲，聚脲中間粘貼一層胎基布。迎水面加載模型試驗裝置示意圖如圖3所示，將與鋼法蘭澆筑在一起的混凝土板與上部帶有鋼蓋板的法蘭連接在一起，上部有鋼蓋板的法蘭有進水口和水壓力表。待模型滿足養(yǎng)護時間(混凝土養(yǎng)護28d、SK手刮聚脲養(yǎng)護15d)后開始加水試驗，水壓力采用自動加載設(shè)備，由模型進水口處自動加壓設(shè)備施加穩(wěn)定的水壓力，該設(shè)備可以自動加載，保持試驗期間水壓力處于設(shè)置值穩(wěn)壓狀態(tài)。

圖3 迎水面加載模型試驗裝置示意圖

試驗起始水壓力從0.2MPa開始，按0.1MPa/h的速度逐漸加大水壓力。伸縮縫迎水面壓水試驗結(jié)果表明，在沒有高彈性聚脲砂漿支撐的情況下，聚脲涂層在水壓力作用下向內(nèi)凹陷，聚脲涂層厚度大于3.0mm時，僅依靠復合胎基布的聚脲涂層就可以獨立承受1.0MPa的迎水面水壓力，聚脲涂層厚度大于4mm時，聚脲復合胎基布涂層可以滿足1.5MPa的迎水面壓力的要求，5mm以上厚度的復合胎基布的聚脲涂層可以獨立承受超過2.0MPa的壓力。在伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)中，伸縮縫下部是高彈性聚脲砂漿，可以支撐表層的聚脲涂層，聚脲涂層是不會出現(xiàn)向內(nèi)凹陷的情況。試驗表明，表層聚脲涂層厚度越大，承受的迎水面水壓力越大。

5 表層柔性止水結(jié)構(gòu)施工工藝

(1)基面處理：沿伸縮縫迎水面及槽內(nèi)兩側(cè)混凝土打磨、清洗，將混凝土表面烘干。為了保證聚脲涂層與周圍混凝土的搭接牢固可靠，避免在高速水流沖刷下開口掀起，在聚脲涂刷范圍的周邊收邊處混凝土打磨成倒三角槽，三角形槽邊深大于2mm。

(2)涂刷界面劑：基礎(chǔ)面處理表干燥后，在混凝土表面涂刷界面劑，涂刷厚度薄而均勻，無漏涂，無堆積現(xiàn)象。每側(cè)界面劑的涂刷寬度要大于聚脲寬度5cm以上。

(3)刮涂第1遍SK手刮聚脲：待界面劑表干后，在伸縮縫表面兩側(cè)及槽內(nèi)刮涂約1～2mm厚的聚脲。

(4)回填高彈性聚脲砂漿：待第1遍SK手刮聚脲表干后，凹槽內(nèi)填充高彈性聚脲砂漿，最少分2遍填充，回填第2遍高彈性聚脲砂漿時要等第1遍高彈性聚脲砂漿表層固化。

(5)刮涂SK手刮聚脲及粘貼胎基布：高彈性聚脲砂漿成型固化后，刮涂第2遍SK手刮聚脲，第2遍聚脲表干前在聚脲表面粘貼1層胎基布，第2遍聚脲表干后刮涂第3遍、第4遍聚脲，直到伸縮縫表面中間的聚脲涂層厚度≥4mm，兩邊的聚脲厚度≥2mm。

6 工程應用實例

6.1 南水北調(diào)南干渠輸水隧洞伸縮縫滲漏處理

南干渠輸水隧洞工程是北京市南水北調(diào)配套工程之一，全長26.82km。2018年通過對南干渠輸水隧洞襯砌混凝土內(nèi)部缺陷檢查發(fā)現(xiàn)：伸縮縫縫內(nèi)嵌填的聚硫密封膏部分出現(xiàn)泥化、擠出脫落現(xiàn)象；局部伸縮縫存在擠壓變形導致縫面混凝土壓碎和縫內(nèi)填塞物擠出；伸縮縫因張開變形較大導致接縫拉開；伸縮縫出現(xiàn)滲水、洇濕現(xiàn)象。為了保證輸水安全，2019年初停水檢修期間，對輸水隧洞伸縮縫滲漏缺陷進行了處理。

通過方案比較，確定南水北調(diào)南干渠輸水隧洞伸縮縫滲漏缺陷處理采用圖1所示的表層柔性止水結(jié)構(gòu)方案。首先剔除伸縮縫內(nèi)原充填物，回填油麻繩，用快速堵漏劑封堵滲漏，表層預留寬2cm、深3cm的矩形槽，矩形槽側(cè)面涂刷界面劑和SK手刮聚脲，聚脲表干后槽內(nèi)回填高彈性聚脲砂漿，高彈性聚脲砂漿固化后在伸縮縫表面涂刷SK手刮聚脲，聚脲厚度為4mm、寬度為30cm，聚脲中間復合1層寬20cm的胎基布。在聚脲涂刷范圍的周邊收邊處混凝土打磨成倒三角槽，聚脲與周圍混凝土搭接邊平滑過渡。

由于施工在4—6月份，期間輸水隧洞內(nèi)部環(huán)境很潮濕，給施工造成了很大困難，通過采用通風、烘干、采用層間處理劑及潮濕型界面劑等措施，保證了施工質(zhì)量。目前南水北調(diào)南干渠輸水隧洞伸縮縫滲漏缺陷處理后已運行3年，伸縮縫止水未見異常。

6.2 西枝江壓力箱涵伸縮縫滲漏處理

深圳市東江水源工程是為長遠解決深圳水源短缺問題而建設(shè)的大型跨流域調(diào)水工程，工程東起惠州，從東江及西枝江兩河取水，沿線經(jīng)管道、隧洞、箱涵、渡槽，至深圳市寶安區(qū)西麗水庫，干線全長106km。通過停水檢查發(fā)現(xiàn)，西枝江壓力箱涵出現(xiàn)伸縮縫局部滲漏現(xiàn)象，影響到工程的使用壽命及周邊環(huán)境，需要對滲漏的伸縮縫進行處理。

由于西枝江壓力箱涵伸縮縫在運行期間承受帶壓的內(nèi)水外滲作用，在檢修期間承受外水內(nèi)滲的作用，設(shè)計采用了圖1所示的伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)方案，伸縮縫兩側(cè)混凝土表面打磨干凈(寬30cm)；剔除伸縮縫內(nèi)木板，用切割機開矩形槽，深度大于6cm，內(nèi)部用快速堵漏劑臨時堵水(約3cm厚)，對于漏水量較大的伸縮縫采用化學灌漿進行臨時堵漏；矩形槽內(nèi)涂刷潮濕型界面劑，界面劑表干后涂刷2mm厚SK手刮聚脲；矩形槽內(nèi)回填高彈性聚脲砂漿，與兩側(cè)混凝土面齊平；伸縮縫兩側(cè)混凝土表面涂刷潮濕型界面劑，界面劑表干后涂刷1遍SK手刮聚脲，寬度大于25cm，鋪設(shè)20cm寬胎基布，再涂刷SK手刮聚脲，直到中間鋪設(shè)胎基布部位的涂層厚度大于4.0mm。

箱涵伸縮縫漏水處理運行5年后現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，采用伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)處理后，箱涵伸縮縫止水效果良好。

7 結(jié)語

輸水隧洞伸縮縫表層柔性止水結(jié)構(gòu)具有能適應伸縮縫變形、表層止水效果好的特點。在有壓隧洞表面增設(shè)1道表層柔性止水結(jié)構(gòu)，通過在伸縮縫側(cè)面打孔壓水可以檢查伸縮縫內(nèi)部止水帶及表層柔性止水結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，顯著提高了有壓輸水隧洞伸縮縫止水的可靠性及耐久性。本文提出的隧洞伸縮縫表層止水結(jié)構(gòu)及施工工藝是一種止水效果可靠、施工簡單、便于檢查與維修的新型止水結(jié)構(gòu)，已在實際工程中得到成功應用，值得推廣應用。