李建偉，王志宏，洪振國

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 昆明 650021；2.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 杭州 310014)

高面板壩周邊縫新型止水結(jié)構(gòu)探索

李建偉1，王志宏2，洪振國1

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 昆明 650021；2.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 杭州 310014)

面板壩靠薄層混凝土面板作為主要防滲體，其接縫的止水就顯得尤為重要，如果這些接縫發(fā)生大量滲漏，將會(huì)對(duì)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為提高面板壩周邊縫的止水性能，分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、止水原理及結(jié)構(gòu)和材料不足等方面對(duì)面板壩周邊縫幾種典型止水結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：高面板壩周邊縫新型止水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式，既保留了各自結(jié)構(gòu)的長處，又彌補(bǔ)了各自的不足，同時(shí)具有創(chuàng)新的特點(diǎn)。

面板堆石壩; 周邊縫; 止水結(jié)構(gòu); 柔性填料; 新型止水結(jié)構(gòu)

1 研究背景

混凝土面板堆石壩是近20世紀(jì)60年代后期在國際上重新興起的一種筑壩技術(shù)，與常規(guī)的黏土心墻堆石壩相比，具有投資省、安全性好、施工方便、適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，是極有發(fā)展前途的一種壩型[1]。

中國的混凝土面板堆石壩始建于20世紀(jì)80年代，起點(diǎn)高，發(fā)展快，經(jīng)過“七五”、“八五”、“九五”3個(gè)“五年計(jì)劃”的科技攻關(guān)和面板壩工程實(shí)踐，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，解決了面板壩建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題[2]，包括面板壩接縫止水的技術(shù)難題[3-6]。目前，中國已建和在建30 m以上的面板壩已超過145座，其中已建和在建壩高超過100 m的面板壩共有30多座，已建成的世界最高的湖北清江水布埡面板堆石壩工程，壩高233 m。

面板堆石壩是一種以堆石壩體為支承結(jié)構(gòu)，并在其上游表面設(shè)置薄層混凝土面板為防滲結(jié)構(gòu)的壩型[7]。水庫運(yùn)行期，堆石壩體受自重和水荷載的作用，會(huì)產(chǎn)生壓縮沉降和位移變形，為適應(yīng)壩體的變形,混凝土面板設(shè)置了許多結(jié)構(gòu)縫,包括周邊縫、垂直縫及防浪墻底水平縫等。由于面板壩靠薄層混凝土面板作為主要防滲體，因此其接縫的止水就顯得尤為重要，如果這些接縫發(fā)生大量滲漏，將會(huì)對(duì)工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[8-10]，其中周邊縫止水因其變形復(fù)雜而最為重要。為了提高面板壩周邊縫的止水性能，本文對(duì)面板壩周邊縫3種典型的止水結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行研究比較，以期推出更完善的周邊縫止水結(jié)構(gòu)型式。

2 止水結(jié)構(gòu)分析

2.1 面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式A分析

2.1.1 結(jié)構(gòu)型式A設(shè)計(jì)

面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式A如圖1所示。型式A為傳統(tǒng)3道止水結(jié)構(gòu)型式，即底部銅止水、中部橡膠止水帶、表層柔性填料(面膜保護(hù))的止水結(jié)構(gòu)，典型應(yīng)用工程有浙江珊溪(壩高131 m)、浙江白溪(壩高124 m)、云南牛欄江—滇池補(bǔ)水(壩高145 m)等。

圖1 面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式A

Fig.1 Typical sealing structure A for the surrounding joints of CFRD(concrete face rockfill dam)

2.1.2 止水原理分析

周邊縫表層設(shè)置柔性填料和PVC遮蓋板，其中PVC遮蓋板對(duì)柔性填料起保護(hù)作用，水庫蓄水后，周邊縫發(fā)生張開、沉降和剪切變形，柔性填料在水壓力的作用下淤填接縫起止水作用；在高水頭處周邊縫中部設(shè)置橡膠止水帶，作為周邊縫止水第2道防線，加強(qiáng)周邊縫止水效果；在周邊縫底部設(shè)置常規(guī)F型銅止水帶，在周邊縫發(fā)生變形時(shí)能適應(yīng)接縫變形且能承受高水頭。

2.1.3 結(jié)構(gòu)和材料不足分析

PVC保護(hù)膜抗老化性能不足，與混凝土接觸面密封性不足，不利于提高柔性填料的淤填效率；中部橡膠止水帶在混凝土施工時(shí)易導(dǎo)致混凝土澆搗不密實(shí)，對(duì)施工要求比較高；底部銅止水在接縫發(fā)生大的剪切變形時(shí)易發(fā)生剪切破壞，尤其是焊接處部位和異型接頭部位。

2.2 面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式B分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)型式B設(shè)計(jì)

面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式B如圖2所示。型式B相對(duì)型式A將中部止水帶提至表層，采用在趾板和面板中預(yù)埋的角鋼和螺栓、或膨脹螺栓將止水帶固定在縫口混凝土表面。為了適應(yīng)大接縫位移，將表層止水帶設(shè)計(jì)成波浪形，其尺寸可以完全吸收接縫位移，而不致在止水帶中產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力。典型應(yīng)用工程有貴州三板溪大壩(壩高185.5 m)、貴州洪家渡大壩(壩高180 m)、湖北水布埡大壩(壩高233 m)等，其中水布埡在周邊縫中部還加設(shè)了道D型銅止水(見圖3)，彌補(bǔ)中部橡膠止水取消的不足。

圖2 面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式B

Fig.2 Typical sealing structure B for the surrounding joints of CFRD

圖3 水布埡面板壩周邊縫止水結(jié)構(gòu)型式Fig.3 Sealing structure for the surrounding joints of Shuibuya CFRD

2.2.2 止水原理分析

波形橡膠止水帶代替了型式A中的橡膠止水帶的止水作用，簡化了施工，并進(jìn)行了優(yōu)化，可適應(yīng)大變形，PVC棒設(shè)置在V形槽內(nèi)，在周邊縫張開變形一定量時(shí)可有效封閉縫口，對(duì)波形橡膠止水帶起支撐作用，并有效發(fā)揮其防滲作用。

柔性填料對(duì)周邊縫止水起安全儲(chǔ)備的作用，只有當(dāng)波形橡膠止水帶失效后才能在水壓力的作用下起到淤填接縫止水的作用。柔性填料表面的防滲保護(hù)蓋片的功效有：①起保護(hù)柔性填料的作用，防止鼓包變形、防止材料老化、防外物對(duì)鼓包的沖擊破壞；②起防滲作用，在扁鐵、螺栓和密封材料的共同作用下相當(dāng)于表層橡膠止水帶的作用；③在防滲作用的基礎(chǔ)上可有效提高柔性填料的淤填效率。另外，銅止水復(fù)合止水條可提高銅止水的抗繞滲能力。

在柔性填料上部采用粉煤灰作為無黏性自愈填料，對(duì)可能產(chǎn)生的止水缺陷進(jìn)行自愈，無黏性自愈填料外為不銹鋼保護(hù)罩，內(nèi)襯土工織物既可透水，又可防止粉煤灰的流失。頂止水柔性填料外采用自愈性無黏性材料粉煤灰，通過滲流水將粉煤灰等帶到中部及底部的止水結(jié)構(gòu)或者帶到接縫下面反濾墊層，粉粒料滯留在各種縫隙中，利用其滲透系數(shù)較小的特點(diǎn)起止水作用。

2.2.3 結(jié)構(gòu)和材料不足分析

波形橡膠止水帶設(shè)置在縫口，嚴(yán)重削弱了表層柔性填料對(duì)接縫的淤填止水作用，同時(shí)導(dǎo)致柔性填料和混凝土表面防滲滲徑大大縮短，圖2兩側(cè)一共只有20 cm多滲徑；2道螺栓壓固系統(tǒng)間距太近，易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫；接縫張開變形后形成接縫空腔結(jié)構(gòu)，在縫間易形成高壓大體積水體，屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在遇到地震等沖擊時(shí)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生集中滲流，對(duì)壩體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。

2.3 面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式C分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)型式C設(shè)計(jì)

面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式C如圖4所示。結(jié)構(gòu)型式C相對(duì)型式A用橡膠棒代替了易導(dǎo)致混凝土施工缺陷的中部止水帶，充分發(fā)揮了SR塑性止水材料的流動(dòng)淤填作用，并對(duì)填料表層蓋板增加了防滲性能，能適應(yīng)周邊縫大變形和高水頭。典型工程實(shí)例有浙江灘坑(161 m)、貴州董箐水電站(壩高150 m)、甘肅龍首二級(jí)(壩高146.5 m)。其中甘肅龍首二級(jí)止水結(jié)構(gòu)是這種止水原理的初期應(yīng)用成果(見圖5)，縫中的3根橡膠棒形成的復(fù)合橡膠棒是230 m高面板壩水布埡水電站九五攻關(guān)的研究成果。

圖4 面板壩周邊縫典型止水結(jié)構(gòu)型式CFig.4 Typical sealing structure C for the surrounding joints of CFRD

圖5 龍首二級(jí)面板壩周邊縫止水結(jié)構(gòu)型式Fig.5 Sealing structure for the surrounding joints of Longshou second-level CFRD

2.3.2 止水原理分析

橡膠棒設(shè)置在V形槽內(nèi)，其作用是：在SR塑性止水材料流動(dòng)淤填的過程中，接縫表面的實(shí)心橡膠棒在水壓力作用下對(duì)接縫張開的部位進(jìn)行封閉，接縫張開較小時(shí)無明顯封閉作用，SR材料流進(jìn)接縫中對(duì)銅止水等止水結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行密封，保證止水結(jié)構(gòu)的完整性，接縫張開較大時(shí)橡膠棒被壓在縫槽口，和表面的SR材料、SR防滲蓋片一起作用，形成有效的表面止水。

縫中橡膠棒的作用為：當(dāng)接縫發(fā)生沉降變形時(shí)，橡膠棒在面板和趾板的咬合作用下起密封圈的作用，同時(shí)對(duì)流入接縫的柔性填料起支撐作用，和柔性填料一起形成更可靠的密封止水，其中以SR-4塑性止水材料與橡膠棒配合止水性能最佳。

柔性填料在水壓力的作用下起到淤填接縫止水的作用。柔性填料(SR塑性止水材料)止水原理為：水庫開始蓄水，水壓力逐漸增大，在水壓力的作用下，面板混凝土接縫開始發(fā)生張開、剪切和沉降變形，當(dāng)接縫有張開變形時(shí)，SR材料在水壓力作用下開始向縫腔內(nèi)流動(dòng)，對(duì)因接縫張開產(chǎn)生的變形空腔進(jìn)行淤填，當(dāng)水頭較低，銅止水未發(fā)生變形破壞時(shí)，SR材料淤填到銅片鼻子處停止流動(dòng)，對(duì)銅止水與混凝土的黏結(jié)面進(jìn)行密封，一起承受水壓力；當(dāng)水頭較高[11-13]，銅止水發(fā)生變形破壞(主要發(fā)生在銅片拐角等局部應(yīng)力集中處)時(shí)，SR材料將向缺陷處富集，封閉其缺陷，同時(shí)從缺陷處流出的SR材料對(duì)銅止水后的各種縫隙(瀝青砂漿本身、瀝青砂漿和混凝土面板、趾板間的縫隙，銅片鼻子下空隙等)進(jìn)行密封，一起承受水壓力。若缺陷太大無法靠SR-4淤填，則SR材料還會(huì)進(jìn)一步流動(dòng)，最終壓入小區(qū)墊層料表面，并且會(huì)滯留在表層，起密封防滲作用，實(shí)際上經(jīng)過1 m多長縫隙的壓力降，水壓力已明顯降低。上圖所示SR防滲滲徑有1 m多長，大大提高了防滲的可靠性。

2.3.3 結(jié)構(gòu)和材料不足分析

中部止水相對(duì)止水帶的效果雖然簡化了施工，改善了性能，但在沒有發(fā)生大的沉降變形時(shí)沒有止水帶抗繞滲能力強(qiáng)。

3 結(jié)構(gòu)對(duì)比和改進(jìn)方向

對(duì)比上述3種止水結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，筆者認(rèn)為：

(1) 止水結(jié)構(gòu)型式A，在趾板與面板、面板與面板的接縫中部設(shè)置止水帶，對(duì)于薄層混凝土澆筑質(zhì)量不易保證，且易產(chǎn)生繞滲，宜取消；對(duì)于高水頭厚混凝土可通過提高混凝土澆筑質(zhì)量，表層設(shè)置可流入縫中柔性填料來提高其抗變形繞滲能力，宜保留。

(2) 止水結(jié)構(gòu)型式B相對(duì)型式A和C來說，防滲滲徑太短，柔性填料的高投入和低使用效率不經(jīng)濟(jì)，2道螺栓間距太近，易導(dǎo)致混凝土誘導(dǎo)裂縫，可通過調(diào)整表層止水帶的設(shè)置部位和安裝方法來改變這種不利因素。

(3) 止水結(jié)構(gòu)型式C橡膠棒代替了型式A中的橡膠止水帶的止水作用，簡化了施工工藝，但與型式A相比，在沒有發(fā)生大的沉降變形時(shí)止水效率不高，對(duì)于高壩厚混凝土的施工可通過把橡膠棒和止水帶復(fù)合來提高其小變形時(shí)的抗?jié)B能力。

4 新型止水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)比的情況，筆者認(rèn)為圖6的周邊縫止水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)型式D既保留了各自結(jié)構(gòu)的長處，又彌補(bǔ)了各自的不足，還有新的特點(diǎn)。型式D有5道止水：①底部銅止水；②中部止水帶和橡膠棒復(fù)合止水；③表層橡膠棒、SR-4塑性止水材料和SR止水帶聯(lián)合止水；④表層三元乙丙橡膠增強(qiáng)型SR防滲蓋片和SR-2塑性止水材料聯(lián)合止水；⑤柔性填料外設(shè)置粉煤灰自愈防滲系統(tǒng)。

圖6 面板壩周邊縫止水結(jié)構(gòu)型式DFig.6 Typical sealing structure D for the surrounding joints of CFRD

具體工程設(shè)計(jì)方案可根據(jù)工程情況進(jìn)行適當(dāng)簡化，一般百米級(jí)大壩有其中的3道止水應(yīng)可滿足防滲要求。

型式D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

(1) 在柔性填料SR-2的內(nèi)側(cè)和SR-4的外側(cè)加一道橡膠止水帶代替型式B設(shè)置在縫口的波形橡膠止水帶。止水帶的圓弧設(shè)計(jì)以止水帶在不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的情況下能適應(yīng)周邊縫的最大變形為依據(jù)，施工方法類似型式B螺栓緊固，為了解決2套螺栓間距太近易導(dǎo)致混凝土誘導(dǎo)裂縫的問題，建議內(nèi)側(cè)的螺栓采用化學(xué)錨固劑錨固的施工工藝，以減少混凝土的內(nèi)應(yīng)力。止水帶內(nèi)置柔性填料，既保留了表層止水帶的優(yōu)點(diǎn)，又充分發(fā)揮了柔性填料的淤填作用，延長了止水結(jié)構(gòu)的滲徑，提高了接縫變形空腔的密實(shí)度，結(jié)構(gòu)更加可靠。

(2) 縫中設(shè)置橡膠棒和止水帶復(fù)合的止水結(jié)構(gòu)，綜合型式A和C的設(shè)計(jì)思路，在高壩高水頭厚混凝土處使用該結(jié)構(gòu)有利于提高結(jié)構(gòu)整體抗?jié)B能力，同時(shí)也提高了SR材料1倍的安全填充系數(shù)。

(3) 表層使用三元乙丙防滲蓋板保留了型式B和C的優(yōu)點(diǎn)，并增加了配套封邊劑對(duì)蓋板邊緣進(jìn)行密封，增強(qiáng)了蓋板的防滲效果。

(4) 保留表層柔性填料止水和底部銅止水的設(shè)計(jì)作為止水結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

(5) 保留粉煤灰自愈防滲系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)防滲安全儲(chǔ)備。回填區(qū)參照型式D布置，動(dòng)水區(qū)參照型式B用不銹鋼保護(hù)置保護(hù)。

型式D細(xì)部工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

(1) 銅止水異型接頭部位采用整體沖壓成型工藝。

(2) 橡膠止水帶接頭采用現(xiàn)場硫化工藝。

(3) 表層SR防滲蓋片和橡膠止水帶的異型接頭部位采用整體成型工藝，接頭部位采用現(xiàn)場硫化工藝。

(4) 表層止水內(nèi)側(cè)螺栓采用錨固工藝固定于混凝土，螺栓和螺母采用橡膠套保護(hù)。

考慮到縫中設(shè)置橡膠止水對(duì)薄層混凝土結(jié)構(gòu)剛度的影響，建議參照水布埡周邊縫止水的設(shè)計(jì)，在100 m以上水頭的周邊縫中部，橡膠止水簡化成能適應(yīng)同樣變形的D型銅止水，見圖7的面板壩周邊縫止水結(jié)構(gòu)型式E，該結(jié)構(gòu)型式保持了混凝土面板防滲的完整性。

圖7 面板壩周邊縫止水結(jié)構(gòu)型式EFig.7 Typical sealing structure E for the surrounding joints of CFRD

5 結(jié) 語

周邊縫止水作為面邊壩設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，只有通過不斷研究探索和工程實(shí)踐來檢驗(yàn)，才能越來越完善，希望本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路能得到同行專家的指導(dǎo)，進(jìn)一步完善周邊縫止水結(jié)構(gòu)。

[1] DL/T 5215—2005，水工建筑物止水帶技術(shù)規(guī)范[S]. 北京：中國電力出版社，2005.

[2] 謝定松，劉 杰，魏迎奇.高面板堆石壩滲流控制關(guān)鍵技術(shù)問題探討[J]. 長江科學(xué)院院報(bào)，2009, 26(10)：118-121，125．

[3] 王志宏，譚建平，杜敏華，等.土石壩技術(shù)2006年論文集[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

[4] 張合作，陳 娟，蔡大詠，等.董箐水電站面板堆石壩接縫止水設(shè)計(jì)[J]. 水電勘測(cè)設(shè)計(jì)，2010，(1)：5-7．

[5] 陳 娟，楊澤艷，羅光其.洪家渡面板堆石壩接縫止水設(shè)計(jì)[J].貴州水力發(fā)電，2002, 16(4)：22-25．

[6] 丁留謙，楊凱虹，周曉光，等. 230m高面板壩基于自愈機(jī)理的接縫止水結(jié)構(gòu)和材料的研究[R].北京：中國水利水電科學(xué)研究院,2000.

[7] 王瑞駿，呂海東，李炎隆. 混凝土面板極端破壞情況下面板壩滲流特性研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào)，2007, 24(3)：37-41．

[8] 劉建生，趙洪明，趙勝榮，等.泗南江水電站面板壩接縫表層止水技術(shù)與應(yīng)用[J].云南水力發(fā)電，2009,25(1):62-64，81.

[9] 施志群，姚秀梅，林誠魁.芹山面板堆石壩周邊縫新型止水結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用[J].水力發(fā)電，2000,(2) :17-20.

[10]譚建平，白美華，吳淑英，等. 230m高面板壩周邊縫SR防滲體系止水結(jié)構(gòu)整體模型試驗(yàn)研究[R].杭州：國家電力公司華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科研所，2000.

[11]閆國保.柏葉口水庫面板堆石壩接縫表層止水設(shè)計(jì)[J]. 山西水利科技，2011,(3) :4-6.

[12]蔣國澄.中國混凝土面板堆石壩20年[M].北京：中國水利水電出版社，2005 .

[13]蔣國澄, 傅志安, 鳳家驥. 混凝土面板壩工程[M].湖北：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1996．

(編輯：黃 玲)

A Novel Sealing Structure for Surrounding Jointsof Concrete Face Rockfill Dam

LI Jian-wei1, WANG Zhi-hong2，HONG Zhen-guo1

(1.Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation, Design and Research, Kunming 650021, China; 2.Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, China)

Thin concrete panels act as the main impervious body of CFRD (Concrete Face Rockfill Dam), and it is particularly important to prevent leakage at the panel seam joints. If a large amount of leakage occurs, the engineering safety and economy will be severely affected. In the aim of improving the sealing performance of surrounding joints of panels, we compared several typical sealing structures from aspects of structure design, sealing principle, deficiencies of structure and materials. Furthermore, we present a novel structure consisting five sealing levels for the surrounding joints of CFRD panels. Results reveal that the proposed structure retains the strengths of other structures, and also makes up for their deficiencies.

CFRD; peripheral joint; sealing structure; flexible packing material; a new type of sealing structure

2016-09-18

李建偉(1961-)，男，云南昆明人，高級(jí)工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)工作，(電話) 0871-68093942(電子信箱)lijian12356@sina.cn。

10.11988/ckyyb.20160967

2016,33(12):119-123

TV640.34

A

1001-5485(2016)12-0119-05