孫志恒，李 季，費(fèi)新峰，徐 耀

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.國家電投集團(tuán)青海黃河電力技術(shù)有限責(zé)任公司，青海西寧810016；3.青海黃河中型水電開發(fā)有限責(zé)任公司，青海海東810501)

1 研究背景

面板堆石壩由于采用當(dāng)?shù)靥烊恢尾牧?，具有施工較快、經(jīng)濟(jì)、對環(huán)境影響較小等優(yōu)點，在我國得到廣泛的應(yīng)用。目前面板接縫表層止水結(jié)構(gòu)普遍采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(簡稱“錨固型”)。但在寒冷地區(qū)冬季庫區(qū)冰凍容易形成冰蓋，因庫水位的變化，冰蓋會對面板接縫表層的錨固型止水體系產(chǎn)生較大的影響，甚至造成局部出現(xiàn)膨脹螺栓拔出而失去錨固功能的情況。由于面板接縫的止水結(jié)構(gòu)體系在大壩的安全運(yùn)行中占有重要地位，運(yùn)行管理單位每年都要投入大量的費(fèi)用對其進(jìn)行修復(fù)。因此，研究適應(yīng)寒冷地區(qū)氣侯特點的面板壩接縫表層止水結(jié)構(gòu)對提高大壩安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2 面板壩接縫表層止水破壞工程實例

2.1 察汗烏蘇水電站[1]

察汗烏蘇水電站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)的開都河中游，地處高寒地區(qū)，壩址區(qū)多年絕對最低氣溫為-30 ℃，其中冬季11月～翌年2月平均氣溫均在0 ℃以下，水庫冰封時段為12月～翌年4月。面板壩接縫止水在面板表面整體呈凸形，表層止水材料全部高出面板約10～30 cm。進(jìn)入冬季后寒冷山區(qū)水庫庫區(qū)表面開始結(jié)冰，靠近大壩附近冰厚可達(dá)70 cm，水庫表面結(jié)冰以后冰與周圍巖體、大壩面板以及面板上的止水緊密接觸，庫區(qū)表面完全封閉。受電網(wǎng)公司調(diào)度影響，察汗烏蘇水電站冬季水位變化幅度最高可達(dá)20 m，水位變化導(dǎo)致庫水表面的冰面在自身重力和水的浮力作用下上下浮動。在水位抬高的過程中冰面因浮力向上抬升，同時在冰層凍脹作用下向大壩方向頂推，冰層面板表面凸起接縫止水產(chǎn)生擠壓作用，對止水造成擠壓破壞；在水位下降的過程中冰面因自重下沉，靠面板一側(cè)的冰塊將搭在面板表面，在隨著庫水位大幅降落最終會折斷，與庫冰脫離后的冰塊會匍匐在面板斜坡面上，冰塊在自重作用下有沿坡面下滑的傾向，冰塊對面板及止水產(chǎn)生向下的拉力，如果冰塊下部附著尖利的樹根等堅硬物體，會對止水造成拉裂破壞；如果水位下降的速率較快，冰面急劇破裂，部分暫時滯留在面板及止水表面的冰塊將處于懸空狀態(tài)，在失穩(wěn)下滑過程中會對止水產(chǎn)生沖擊和擠壓，對止水造成砸壓破壞。

2.2 青海黑泉水庫[2]

青海黑泉水庫攔河壩為混凝土面板砂礫石壩，壩高123.5 m，混凝土面板周邊縫長645.96 m，面板與防浪墻間水平縫長438.6 m，面板垂直縫40條。運(yùn)行12年來，面板接縫表層GB板損壞日趨嚴(yán)重，且水位變化區(qū)損壞更為明顯。檢查發(fā)現(xiàn)，面板接縫部分GB板脫開或撕裂、扁鐵壓板撕裂變形、固定螺栓在冰塊下滑力作用下被拔出或拉細(xì)拉長。主要原因是黑泉水庫地處高寒地區(qū)，年冰凍期長達(dá)5個月以上，水庫冰凍厚達(dá)10 m，扁鐵、固定扁鐵外露膨脹螺栓頭、GB板與水庫厚冰層結(jié)成密實的整體，在風(fēng)浪的推動下撞擊止水系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電水位降低時，冰層下沉形成拉力，致使表面止水設(shè)施遭到破壞；扁鐵、外露膨脹螺栓頭、GB板與水庫厚冰層結(jié)成密實的整體時，因水位反復(fù)漲落，造成膨脹螺栓機(jī)械性疲勞，隨著時間的推移接縫止水錨固系統(tǒng)失效；GB板與面板表面未封閉，空隙中的冰長期、反復(fù)膨脹引起混凝土疏松，一定程度上導(dǎo)致膨脹螺栓失效，扁鐵、GB板脫開。

2.3 山西柏葉口水庫[3]

柏葉口水庫位于山西省呂梁市交城縣會立鄉(xiāng)柏葉口村上游約500 m的文峪河干流上，控制流域面積875 km2，總庫容9 712萬m3，是一座以城市生活和工業(yè)供水、防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程，主要由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和水電站等建筑物組成。水庫大壩采用了混凝土面板堆石壩，最大壩高88.3 m。2013年9月30日，通過下閘蓄水驗收。水庫壩址區(qū)冬季氣候寒冷，多年平均氣溫10.1～12.5 ℃，極端最高氣溫37.5 ℃，極端最低氣溫-42 ℃。大壩蓄水后經(jīng)兩個冬季，在長期水位變化區(qū)域內(nèi)(2 m)，面板接縫止水出現(xiàn)不同程度的損壞。具體表現(xiàn)為：螺栓被拉斷，角鋼被拉彎，加筋橡膠板表面被撕裂，伸縮縫內(nèi)部分SR填料局部受損，容易產(chǎn)生滲水，失去了止水作用，危及大壩安全運(yùn)行。

另外，新疆和田河烏魯瓦提面板壩、烏魯木齊河大西溝水庫面板壩等都出現(xiàn)過冰凍造成的面板接縫止水結(jié)構(gòu)局部破壞現(xiàn)象。

3 平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)

SK手刮聚脲作為表層止水材料具有拉伸強(qiáng)度高、延伸率大、與基礎(chǔ)混凝土粘接好、耐老化性能好、耐沖擊性能好等特點。為了減小冰凍對錨固螺栓的影響以及冰層對錨固螺栓的凍脹拉拔力，文獻(xiàn)[4-5]提出了面板接縫表層涂覆型柔性止水結(jié)構(gòu)，即將SK手刮聚脲涂覆在塑性填料和混凝土面板表面，通過SK手刮聚脲與混凝土面板之間的良好粘接來替代錨固型止水結(jié)構(gòu)中的錨固螺栓及壓條，該結(jié)構(gòu)既可作為一道獨(dú)立表層止水，又可保護(hù)下部塑性填料，是一種能對面板接縫實行有效全封閉的柔性表層止水結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 接縫表層涂覆型柔性止水結(jié)構(gòu)

但面板接縫表層涂覆型柔性止水結(jié)構(gòu)仍為凸起形式，受結(jié)冰時冰層擠壓作用及庫水位下降時冰層下滑拖曳等綜合作用的影響，會造成SK手刮聚脲下部的塑性填料擠壓變形。圖2是2016年現(xiàn)場進(jìn)行的試驗結(jié)果，從圖2可以看出，雖然面板接縫表層涂覆型止水周邊仍然封閉，止水效果很好，但聚脲下部的塑性填料擠壓變形比較厲害，如果運(yùn)行多年后，塑性填料擠壓變形還會發(fā)展。

圖2 接縫表層涂覆型止水結(jié)構(gòu)擠壓變形

為了減小面板表面結(jié)冰及化冰時冰對接縫表層止水的破壞，將面板接縫表層涂覆型柔性止水結(jié)構(gòu)中凸起的形狀改為“平覆型”，即面板接縫V型槽內(nèi)充填的GB塑性填料與混凝土面齊平，將SK手刮聚脲平鋪在GB塑性填料和兩側(cè)混凝土表面，這樣就可以有效避免庫水面結(jié)冰對面板接縫表層止水結(jié)構(gòu)的影響。面板接縫表層平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 面板接縫表層平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)

圖3中L為V型槽頂部的GB寬度，V型槽兩側(cè)的SK手刮聚脲與面板混凝土之間設(shè)置寬L1的柔性膠結(jié)層，和寬L2的剛性粘接層。L1是為了延長SK手刮聚脲可參與變形的寬度，L2是SK手刮聚脲與面板混凝土牢固粘接在一起的寬度。

SK手刮聚脲的極限伸長率大于300%，復(fù)合胎基布后的極限伸長率大于100%。假設(shè)SK手刮聚脲復(fù)合胎基布的長期變形量為極限伸長率的1/10，則接縫表面平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)中柔性涂層長期可適應(yīng)的最大張開變形量

Δ=(2L1+L)×10%

(1)

對于壓性縫，L1取0；對于張性縫，最大張開位移Δ與壩高有關(guān)，一般L1取0～25 cm。為了保證SK手刮聚脲與面板混凝土牢固粘接在一起，參考室內(nèi)及現(xiàn)場試驗結(jié)果，要求剛性粘接層L2不小于20 cm。

SK手刮聚脲在GB塑性嵌縫填料表面的涂覆厚度與庫水位變化區(qū)的最大水位差有關(guān)，最大水位差小于20 m時，SK手刮聚脲涂覆厚度為4 mm；最大水位差20～50 m時，SK手刮聚脲涂覆厚度為5 mm；最大水位差50～100 m時，SK手刮聚脲涂覆厚度為6 mm。

4 工程應(yīng)用實例

納子峽水電站位于青海省門源縣，地處高海拔嚴(yán)寒地區(qū)，是大通河流域水利水電規(guī)劃的13個梯級中的第4座水電站。水庫大壩為趾板修建在覆蓋層上的混凝土面板砂礫石壩，最大壩高117.60 m，壩頂長416.01 m。2016年4月中旬，壩前冰蓋消融后對水庫水面(水位3 192.00 m)以上面板進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)接縫表面止水塑性填料不飽滿，變形較為嚴(yán)重；防滲保護(hù)蓋片存在沿兩側(cè)固定端撕開破損現(xiàn)象(見圖4)。面板接縫表面止水冬季水位變幅區(qū)破損原因主要是冬季面板上結(jié)冰形成冰蓋，隨庫水位下降，大壩面板接縫表面止水受冰層擠壓、下滑拖曳等綜合作用下出現(xiàn)變形和破損。納子峽水電站大壩安全監(jiān)測資料表明，大壩面板垂直縫測點開合度和沉陷變形主要發(fā)生在初期蓄水期，蓄水結(jié)束后基本穩(wěn)定或趨于穩(wěn)定，無趨勢性變化[6]?？拷野兜膲螜M0+382.851斷面、壩橫0+358.851斷面為張開狀態(tài)，其余斷面以壓縮為主。測點最大張開量為9.630 mm，測點最大壓縮量為-37.521 mm，測點最大沉陷量為+17.598 mm，測點最大抬升量為-10.454 mm。

圖4 水位變化區(qū)接縫表層蓋板脫落

2017年采用平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)對水位變化區(qū)的面板接縫表層止水破損進(jìn)行了修復(fù)處理。施工步驟為：剔除水位變化區(qū)接縫表層的壓條、蓋板及下部的塑性填料；接縫兩側(cè)混凝土表面打磨各30 cm寬；V型槽內(nèi)重新安裝橡膠棒，并用GB填料將V型槽填平，GB填料表層寬L=15 cm；壓性縫兩側(cè)混凝土表面涂刷25 cm(L2)寬的剛性界面劑，L1=0，剛性界面劑表干后涂刷4 mm厚的SK手刮聚脲，聚脲中間復(fù)合了一層胎基布；張性縫兩側(cè)混凝土表面涂刷25 cm(L2)的剛性界面劑和5 cm(L1)的柔性界面劑，柔性界面劑的粘接強(qiáng)度與GB填料相當(dāng)，剛性界面劑表干后涂刷5 mm厚的SK手刮聚脲，聚脲中間復(fù)合一層胎基布。

按式(1)計算，納子峽面板接縫平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)柔性涂層長期可適應(yīng)的最大張開變形量Δ為25.000 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實測面板最大張開量9.630 mm，可以滿足水位變化區(qū)面板接縫的張拉變形量的要求。處理后的情況見圖5。

圖5 水位變化區(qū)止水破損修復(fù)后的情況

修復(fù)后運(yùn)行兩年的情況見圖6?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，水位變化區(qū)面板接縫表層平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)能適應(yīng)面板變形的要求，有效地避免了冰脹力、冰推力和冰拔力的作用，面板接縫止水結(jié)構(gòu)無擠壓變形及破損現(xiàn)象。說明面板接縫平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)抗冰凍破壞效果顯著。

5 結(jié) 語

面板接縫表層平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)是在面板接縫涂覆型柔性止水結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過對納子峽水電站水位變化區(qū)混凝土面板接縫止水試驗及修復(fù)處理的實踐證明，面板接縫表層平覆型柔性止水結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)變形能力強(qiáng)、表面防護(hù)可靠、防冰拔及冰凍脹擠壓、耐久性好、易于施工、美觀等優(yōu)勢，適用于嚴(yán)寒地區(qū)混凝土面板堆石壩水位變化區(qū)面板接縫表層止水，可以有效防止冰拔或冰凍脹擠壓引起的表層止水破壞，大大提高了面板接縫表層止水的可靠性，并且便于維修，值得推廣應(yīng)用。

圖6 運(yùn)行一年后面板接縫平覆型止水結(jié)構(gòu)完好