高混凝土面板堆石坝周边缝新型止水

     

    国内外大量面板坝工程实践表明，低于100m的面板坝，用与柔性嵌缝材料（国内多用GB、SR，国外多用IGAS）相配套的三道止水形式，在施工工艺保证的情况下，面板坝各类接缝可以承受相应的水压与接缝变位，止水是可靠的。目前倾向于进一步简化止水设计，以降低造价、简化施工，如取消中部止水，50m以下仅用一道铜或不锈钢止水或仅用表层止水（如：新疆柯柯亚坝，41.5m）等。这种止水设计用在抽水蓄能电站的全池防渗也取得了成功（如：十三陵等）。100m以上高面板坝的周边缝止水设计，目前多采用与100m以下面板坝相同的三道止水形式，已建成的30多座100m以上坝的运行经验表明，大多数是成功的，但也有几座面板坝止水发生了问题，导致比较大的经济损失。这种止水设计的原理是表层塑性嵌缝材料在高水压作用下向接缝内流动，封闭中部止水或底部止水可能存在的缝隙，并与中、底部止水形成一体，共同起到止水作用。这种止水形式存在的问题是，高水压、大变位作用下，塑性嵌缝材料在流动过程中有可能被击穿，不能发挥止水作用，工程中已发现有此种情况。采用与粉煤灰、粉细砂无粘性填料相配套的三道止水，可以认为是对100m以上面板坝止水设计的反思和改进。由于粉煤灰可以在渗水情况下流动，淤填中、底部止水可能存在的空隙，起到止水作用。粉煤灰、粉细砂可以在中、底部止水发生破坏时，流到反滤料区并一起构成止水结构。这种止水形式存在的问题是，当施工中垫层区料与无粘性填料之间不满足反滤淤堵关系，致使无粘性填料流失或淤填效果不佳；或者当接缝张开较大无粘性填料没有有效的淤填量补充，则该种止水形式的止水效果将不能保证。

    1 高面板坝周边缝的新型止水结构形式

    面板坝正逐渐向高坝和大型工程发展，并倾向于取消放空洞。因此寻求可靠的止水设计是工程建设的关键之一。针对前述止水结构的发展应用情况，为保障水布垭面板坝在各种运行情况下的安全，提高止水结构的可靠性，作者[1]给出了面板坝周边缝的新型止水结构，见图1.在该结构中，橡胶棒起支撑作用，在高水压和接缝变位作用下它不会被压入接缝，从而减小高水压和接缝变位对其上部止水部件的破坏作用；波型止水带（见图2）对表层塑性嵌缝材料起密封作用，自身又是一道止水；塑性嵌缝材料对接缝起封闭作用，同时在下部止水带发生意外破坏时，仍可以流入接缝发挥止水作用；表层盖板对塑性嵌缝材料具有保护作用。此外，新型止水结构保留了底部铜止水，它止水可靠，施工质量易于保证，除了与表层止水共同发挥止水作用外，自身也是一道止水。

1、趾板；2、面板；3、粉煤灰(粉细砂)；4、GB三元乙丙复合板；5、BG填料；6、波型止水带；7、预埋角钢；8、复合橡胶管；9、12mm沥青杉板；10、F型GB复合铜止水；12、PVC垫板；13、水泥砂浆垫块 图1 周边缝GB新型止水结构形式	图2 推荐用于水布垭面板坝的波型止水带(单位：mm)

    新型止水结构形式具有如下特点：（1）取消了中部铜或PVC止水带，主要原因是中部止水带施工质量难以保证，且容易被比较大的周边缝三向位移剪坏或撕坏：（2）与传统表层止水设计相比，新型表层止水的作用不再依赖于下部止水是否被破坏，自身可单独起止水防渗作用；（3）复合橡胶棒、波型橡胶止水带可在面板施工完成后安装，施工质量容易保障。通过角钢、扁钢固定在趾板和面板上的波型止水带，在复合橡胶棒的可靠支撑下，可以承受高水压和三向大变位；（4）底部铜止水复合GB后，改善了常规铜止水的抗绕渗能力和适应变形、承受荷载的能力；（5）粉煤灰、粉细砂和粘土覆盖作为工程措施，增加了安全度。

    新型止水结构中的表层止水可以独立地承受高水压和三向大变位的作用，比常规止水结构更为可靠。对于100m级的面板坝，可以采用比图1更简化的止水设计，如取消粉煤灰、粉细砂和粘土覆盖等。

    2 新型表层止水设计及试验研究

    2.1 塑性嵌缝止水材料性能 这里采用GB塑性嵌缝材料进行新型表层止水结构的实验研究，其性能见表1.

表1 GB止水材料的性能参数

2.2 波型止水带的设计^[2] 推荐水布垭工程采用的新型表层止水带见图2，止水带的抗拉强度为20MPa.采用波型橡胶止水带设计形式，主要原因一是移到表层的止水带应能够独立承受水布垭周边缝高水头和大变形的要求，二是橡胶类材料的抗老化和变形能力优于塑料、塑胶类材料。图2止水带是根据水布垭的情况确定的，设计分析中考虑了由水压力和接缝张开在止水带中引起的拉伸应力；通过实验类比分析确定了接缝变形在波型止水带中产生的附加应力；最后考虑了长止水带的拉伸强度低于橡胶材料拉伸强度，经过实验，前者仅为后者的一半。在水布垭工况下综合考虑这些因素，止水带承受的应力与其强度之比为2.25.该止水带经大模型止水实验结果证明是十分可靠的。

 

（2）胶棒在周边缝变位过程中，能为表层止水提供可靠的支撑；(3)胶棒的接头应可靠、方便，且能适应周边缝沿边坡的变化。对水布垭工程，通过接缝压入实验和大模型实验检验，复合橡胶棒外径选用100mm，内套直径48mm的钢管，采用专用接头设计。

1丝杠2锁母3注水口4压力表5上盖6钢梁7面板8钢口9千斤顶10千斤顶支架11趾板12模型支架13内衬钢板14波浪形止水带15Φ100mm组合橡胶管16GB填料

采用这种方法不能了解铜止水的变形特性，在进行高面板坝的铜止水设计时，盲目性较大，无法给出合理的断面形式。因此，作者采用几何大变形有限元方法^[2,3]以及模型实验方法^[2,4]对铜止水的变形特性、止水性能进行了分析，由此得到了如图3所示的铜止水建议方案和下面结论，其中(1)～(3)为计算结论并经实验验证，(4)～(5)为实验结论：

　　（1）铜止水的厚度对铜止水的应力状态影响较小，0.8mm～1.2mm厚的铜止水适合于100m～200m级的面板坝；（2）对水布垭，铜止水折曲部分的高度取105mm、宽度取30mm可以满足要求；（3）对水布垭工程，F型铜止水的直边翼板部分在接缝三向变位和230m水头作用下应能滑动，否则铜止水的应力达到自身破坏强度而破坏；（4）根据铜止水的抗绕渗试验，光面铜止水在承受150m水头时开始绕渗。而复合GB的铜止水在从混凝土中拔出10mm、水头达到250m时仍不漏水，说明推荐的复合铜止水设计是一个较好的选择；（5）取折曲部分宽度为25mm、高度为72\^5mm、长为500～800mm的铜止水进行剪切试验，结果见图4.在铜的破坏强度大于225MPa、延伸率大于30％时，铜止水折曲部位可以承受20～25mm的剪切变位，超过这种变位，铜止水内应力将迅速增加。另外,铜止水的焊缝一般会在20～25mm的剪切变位时破坏。如果考虑水压、沉陷和张开，这一数值还会更小一些。

1 混凝土块2水压力3铜片4接缝开度 5 内侧复合GB(长度10cm，厚度6mm) 6 两侧复合GB(长度10cm，厚度mm) 7 外侧放置1mm厚PVC垫 图6 铜止水结构渗水模型试验	图7 芹山面板坝周边缝止水结构

4 工程应用

　　福建穆阳溪芹山面板坝，坝高122m，坝顶河谷宽286.5m，岸坡较陡。预计的周边缝最大三向位移为：张开30mm、沉陷6mm、剪切45mm.根据上述试验和计算分析结果，结合芹山面板坝情况，推荐并采用的周边缝止水结构见图7.工程已于1999年10月完工并蓄水，目前坝前水深已达110mm，坝后量水堰测出的漏水量小于5L/S，说明新型止水体系效果是比较好的。