梁希林，趙 波，李敬瑋，何旭生

（1.松江河電站建設局，吉林 吉林 134500；2.中國水利水電科學研究院 結構材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

混凝土面板堆石壩在我國水電工程建設中已被廣泛采用，其面板接縫的止水結構體系在大壩的安全運行中占有重要位置。中國水利水電科學研究院在“九五”、“十五”期間對止水體系，包括結構和材料進行了深入系統(tǒng)的研究，提出了如圖1所示的止水結構，目前國內高面板壩工程通常采用這種結構。

止水體系普遍采用的錨固系統(tǒng)是用膨脹螺栓和扁鋼壓條將止水蓋板錨固在混凝土面板和趾板上。北方寒冷地區(qū)冬季庫區(qū)形成冰蓋，并與止水體系凍結在一起，由于庫區(qū)水位的頻繁變化，冰蓋會對止水錨固體系產生較大的影響，甚至造成止水體系局部出現(xiàn)膨脹螺栓拔出而失去錨固功能的情況，如牡丹江蓮花面板壩、吉林小山面板壩及青海小干溝面板壩等都出現(xiàn)過結冰造成的止水體系局部破壞現(xiàn)象［1］。因此，研究寒冷地區(qū)面板壩工程止水體系及提高安全運行措施至關重要。

本文總結分析寒冷地區(qū)庫區(qū)結冰對止水錨固體系的破壞作用，結合模擬試驗，討論止水體系安全運行要求及工程建議。

2 結冰對止水錨固系統(tǒng)的破壞方式

止水體系在庫區(qū)結冰過程中會與冰產生凍結，包括止水蓋板和扁鋼壓條與冰的凍結。隨著水位的變化，會因冰上下移動的趨勢產生作用于止水錨固系統(tǒng)的拉拔力，造成止水體系局部出現(xiàn)膨脹螺栓拔出、角鋼被拉彎及止水帶被撕裂等破壞現(xiàn)象。經過總結和分析，結冰的破壞作用主要有以下幾種方式：（1）凍融對錨固螺栓錨固力的影響。由于膨脹螺栓錨固孔沒有進行密封處理或處理不當，水進入孔內，使孔內混凝土表面受到凍融破壞，孔內水的結冰膨脹作用對膨脹螺栓和混凝土之間的緊密接觸造成影響，從而降低錨固螺栓的錨固力；（2）結冰過程中出現(xiàn)的冰層對錨固螺栓的凍脹拉拔力，圖2說明了凍脹拉拔力產生的原因。降溫過程中冰與膨脹螺栓外露部分凍結，隨著溫度的降低，冰層的膨脹對螺栓產生凍結拉拔力；（3）由于冰蓋與止水體系的凍結，主要包括與膨脹螺栓外露部分、扁鋼壓條以及蓋板，在水位變化時對錨固系統(tǒng)產生破壞拉拔力以及剪切力。

本文針對以上影響因素分別進行了試驗研究。

3 試驗研究

3.1 冰層對膨脹螺栓凍脹拉拔力測定

3.1.1 試驗原理和方法 將旋有螺母的M10的膨脹螺栓立于水槽中央（螺母端向下），螺桿下頂端粘上一薄層塑性GB膠，以避免螺桿頂端受到冰的膨脹力作用。螺桿沒入水中30mm，螺桿水面上端同樣粘上一層塑性GB膠，以保證在冰膨脹過程中螺桿受力長度不變。螺桿上頂端與應力傳感器接觸，整個測量過程中保持應力傳感器與水槽底部的距離不變。通過應力傳感器就可以對冰在膨脹過程中施加在螺桿上的力進行測量。試驗裝置如圖3所示，為了消除降溫過程中試驗儀器的系統(tǒng)誤差，試驗中針對每一降溫速率分別進行水槽中有水和無水試驗，無水試驗結果作為空白試驗，以消除測量系統(tǒng)降溫引起的誤差。試驗中分別采用40℃/2h、40℃/4h、40℃/6h的速度降溫，然后恒溫1～2h。

3.1.2 測試結果 不同的降溫速率得到的凍脹拉拔力列于表1中。試驗結果表明，降溫速率越大拉拔力越大，然而實際情況降溫速率遠小于試驗采用的降溫速率。圖4是降溫速率為40℃/2h得到的凍脹拉拔力曲線，試驗中得到的最大拉拔力應大于實際冰對螺桿的拉拔力。為確保工程安全，30mm長度凍結螺桿選擇試驗中最大拉拔力值F冰膨脹拉拔＝1016N作為估算基礎。

表1 不同降溫速率下的最大拉拔力

3.2 冰蓋與止水體系的凍結力測定

3.2.1 測試方法 冰與扁鋼壓板凍結強度測定方法見圖5。試驗將金屬板固定在水面上，下表面接觸水，放入低溫箱12h，使金屬板下表面與冰凍結在一起，然后在拉力機上拉拔，測試破壞強度。同理，測試GB橡膠蓋板及螺栓與冰的凍結強度。螺栓與冰的凍結力測試方法見圖6。

3.2.2 測試結果 表2為不同凍結溫度下測定的止水體系中不同材料與冰的凍結強度數(shù)據(jù)。

表2 冰層與止水體系凍結力數(shù)據(jù)

由表2可見，螺栓與冰的凍結拉拔破壞力最大為3.39kN；扁鋼與冰凍結強度最大為0.314MPa；橡膠蓋板的凍結強度最大為0.021MPa。

3.3 膨脹螺栓錨固力試驗研究 膨脹螺栓錨固力的大小是止水系統(tǒng)密封可靠的基礎，特別是低溫存在結冰現(xiàn)象的情況下，其大小直接關系到止水系統(tǒng)可靠性。本文采用工程中普遍應用的M10膨脹螺栓進行試驗。

3.3.1 膨脹螺栓錨固力測定 在膨脹螺栓錨固系統(tǒng)中，膨脹螺栓螺母的上緊力是很重要的一個參數(shù)，螺母的松緊程度直接影響到膨脹螺栓所能提供的錨固力。試驗中采用體積為150mm×150mm×150mm的C30混凝土試塊，一面的中心打孔錨固M10mm×120mm膨脹螺栓，植入深度80mm。采用不同力矩上緊螺母。停放24h后進行拉拔試驗。表3是試驗中得到的螺母上緊力與膨脹螺栓拉拔力之間的關系。

表3 膨脹螺栓螺母上緊力與其提供拉拔力的關系

由表3可見，膨脹螺栓提供的錨固力隨著螺母上緊力的提高而提高，當上緊力矩達到8N·m以上時，M10規(guī)格的膨脹螺栓拉斷，達到了M10螺栓所能提供的錨固力極限值，其提供的最大錨固力超過32kN。

3.3.2 錨固孔不同密封方式的凍融破壞程度比較 為了研究錨固孔不同密封方式的錨固效果，試驗選擇了不使用灌注密封劑、采用SK環(huán)氧粘接劑灌注及采用GB彈性密封劑灌注密封共3種方案進行對比試驗。試驗中采用100mm×100mm×100mm的混凝土試件，按照3種試驗方案安裝膨脹螺栓，埋入深度為80mm，膨脹螺栓的上緊力矩為20N·m。常溫固化養(yǎng)護7d，取3種方案的試件各一組進行300次凍融實驗，對試件進行拉拔力測試。表4是不同粘接灌注料凍融與否的拉拔力測試結果以及試件的破壞形式。

表4 不同密封型式的膨脹螺栓凍融與否拉拔力和破壞形式

試驗結果表明，不用粘接劑灌注的膨脹螺栓試件經過凍融后全部開裂損壞。對于GB彈性密封劑和SK環(huán)氧粘結劑密封的試件，外形完整。從拉拔的破壞形式及數(shù)值可以看出，SK環(huán)氧粘結劑灌注的試件的拉拔破壞強度明顯高于GB彈性密封劑灌注密封的試件，且其拉拔破壞力的分散性小，說明SK環(huán)氧粘結劑做為灌注密封劑明顯好于GB彈性密封劑。

膨脹螺栓拉拔中另一個重要的參數(shù)是拉拔過程中螺栓的位移情況，理想的情況是在很小的拉出位移情況下提供很大的拉力。表5是不同上緊力的膨脹螺栓拉拔力達到10kN時的拉出位移值。

表5 10kN拉拔力的拉出位移

從表5可見，拉出位移隨上緊力距的提高有減小的趨勢，但10N·m以后不明顯。對比表5最后2列數(shù)據(jù)表明，利用SK底膠做為灌注粘接劑的錨固螺栓不但提供更高的錨固力，而且拉出位移小，說明SK底膠做為灌注粘接劑的錨固方式有更好的穩(wěn)定性和可靠性。

4 止水體系錨固安全的討論和分析

冰蓋形成并與止水體系凍結后，水位變化時會使冰蓋上移或下滑，上升時冰蓋對錨固系統(tǒng)的影響見圖7，下滑時影響類似，都會對錨固螺栓形成垂直的拉拔力和剪切力。

對剪切力不再進行定量的試驗研究，其對錨固系統(tǒng)的影響更多的是剪切疲勞破壞，長期作用可能會引起錨固螺栓的松動。對拉拔力的作用分析以冰的凍結破壞作為破壞的極限條件，因為各種受力方式最苛刻的極限情況都可以歸結為冰與止水體系凍結的破壞。現(xiàn)以工程上有代表性的止水體系參數(shù)為基礎進行分析，參數(shù)假設如下：（1）錨固壓條采用扁鋼，寬度為60mm；（2）錨固螺栓間距250mm；（3）錨固螺栓錨固后突出部分30mm；（4）蓋板規(guī)格采用寬度為900mm的GB橡膠蓋板。

若不考慮蓋板與下層填料等部分的粘接作用，假設所有的力都傳遞到螺栓上。則一個錨固螺栓承受的冰的極限拉拔力可以認為由兩部分組分：

其中：F冰凍脹拉拔為由于冰膨脹而產生的對螺桿拉拔力；F凍結拉拔為冰與止水體系不同部分凍結為一體，由冰蓋的運動趨勢產生的對止水錨固系統(tǒng)的拉拔力，它由3部分組成，分別是冰與扁鋼、冰與橡膠蓋板以及冰與膨脹螺栓的凍結拉拔力。

由前面表2的數(shù)據(jù)和假設的止水體系參數(shù)，計算結果總結如下：F扁鋼-冰凍結＝0.314×250×60×10-3＝4.71kN；F蓋板-冰凍結＝0.021×250×450×（π/2）＝2.36kN；F膨脹螺栓-冰凍結＝3.39kN；F凍脹拉拔＝1.02kN。

由此得到1根螺栓上可能受到的最大拉拔力F極限拉拔=11.48kN。然而工程實際中上面的4個力不太可能同時達到最大，并且還有止水體系的其他部分的粘接作用來分擔拉拔力等因素，但這個值對分析錨固系統(tǒng)的可靠性是有意義的。

若采用平頭膨脹螺栓則可以基本消除凍脹拉拔力和冰與膨脹螺栓的凍結力，這種情況下F極限拉拔力=F扁鋼-冰凍結+F蓋板-冰凍結=7.07kN，另外消除了冰蓋對錨固螺栓的剪切力疲勞損傷作用，可大大提高工程可靠性。

通過分析可知，1根功能完好的M10膨脹螺栓可以提供32kN以上的錨固力，而處理不當?shù)呐蛎浡菟ㄌ峁┑腻^固力會低于11.48kN，如果由幾根處理不好的螺栓處在臨近的位置，則有可能造成錨固失效。因此，錨固螺栓的正確處理是工程安全的關鍵。

5 結論及工程建議

本文通過對結冰所產生的凍脹對錨固系統(tǒng)的拉拔破壞力值及冰與螺栓凍結強度、冰與扁鋼壓條及橡膠蓋板的凍結強度等參數(shù)的試驗測定和分析，得到結冰對止水錨固系統(tǒng)影響的一些定量結果，這些結果對工程設計和施工有一定的參考價值，總結如下：（1）膨脹螺栓螺母上緊力要達到8kN以上，單根M10膨脹螺栓能提供32kN以上的拉拔力，所以功能正常的膨脹螺栓在工程上是安全可靠的；（2）對于平頭膨脹螺栓拉拔力為7.07kN，并消除了剪切力作用，可以大大提供工程可靠性；（3）普通膨脹螺栓錨固孔的凍融或凍脹破壞是很嚴重的，工程中應該利用膠粘灌注料進行粘接和封堵；灌注膠粘劑不僅僅提供凍融或凍脹的保護，選擇合理的灌注密封劑還可以提供理想的錨固行為和施工可靠性；灌注膠粘劑的選擇上應避免彈性的、低模量的膠種，要選擇粘接力強、模量高的結構膠粘劑，如SK環(huán)氧膠粘劑；膨脹螺栓錨固和膠粘劑粘接的協(xié)同作用能提供更可靠的錨固效果。

［1］蘇萍，金正浩，金偉.寒冷地區(qū)面板堆石壩面板頂部止水研究［J］.水力發(fā)電，2002，28（7）：29-31.