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高面板壩周邊縫止水的整體解決方案

發布時間：2014-08-09

摘要：在指出現有阿里亞壩止水模式局限性的基礎上，提出了高面板壩周邊縫止水的整體解決方案，并對該方案的目標、安裝工藝、采用的技術措施以及獨立止水設計作了詳細探討。
    關鍵詞：高面板壩；周邊縫；聚硫密封膏；剛性支撐

0  前言
     混凝土面板堆石壩是近30年發展起來的一種新的筑壩技術，具有投資省、安全性好、施工方便、適應性廣的優點。面板堆石壩以堆石壩體為支承結構，并在其上游表面設置薄層混凝土面板作為防滲結構。周邊縫位于面板與趾板兩種變形性質相差較大的分界面上，工作條件最差，是面板壩防滲體系中最薄弱的環節，是可能漏水的主要部位[1]，因此面板堆石壩周邊縫止水成了高面板壩防滲的關鍵技術之一。
    本文所討論的概念中，“止水材料”是指用于實現接縫止水功能的主要材料；“獨立止水(止水)”是指由止水材料特定型式構成(包括相關輔助材料)，無須借助其它材料或結構，能夠獨立完成接縫止水功能的材料型式和相關止水制作、安裝、搭接及拼接工藝的整體；“止水整體解決方案”是由一道或多道獨立止水組成，包括止水破壞后發揮淤堵限滲作用的自愈系統的布設方案在內，體現整體止水設計思路(多道止水加自愈系統)的方法以及止水制作、安裝、施工工藝的總和。
1  阿里亞壩止水模式的局限性
    壩高 100～400m級的高面板壩周邊縫止水問題就是在水壓為1～4 MPa、三向變位約為100mm、縫深(即面板厚度)1～1．5 m的工況下，包括止水制作、安裝及搭接工藝在內的接縫止水等可靠性問題。解決高面板壩接縫止水問題，通常采用的設計思路是利用可靠止水并結合止水破壞后的防滲限滲措施，采用的主要方案是多道止水加自愈系統所構成的止水防滲體系[2]。現有高面板壩接縫止水方案基本上是以阿里亞壩止水模式為基礎的，目前應用研究進展都是對該模式的改進。筆者認為，對于100 m以上的高面板壩，阿里亞壩止水模式有其局限性，具體表現在以下幾個方面：1)頂部止水的制作、安裝無法分離，必須現場制作，止水制作的質量無法保證，安裝施工質量的可靠性較低；2)頂部止水中柔性填料體積龐大，無法制作成多道止水；3)中部、底部止水采用澆筑方式安裝，需長期保護，遭破壞補救后無法保證止水的完整、連續和一致性；4)以頂部止水為核心的止水結構弱化了中底部止水的作用，呈現向以頂部止水為核心的單道止水發展的趨向，使接縫整體缺乏必要的安全保障。

2  高面板壩周邊縫止水整體解決方案的總體設計
2．1  高面板壩周邊縫止水整體解決方案的目標
新的高面板壩周邊縫止水整體解決方案應滿足以下要求：止水整體解決方案系統完整，能夠解決現有主要關鍵問題；每道止水必須是獨立、可靠的，勿須依賴其他結構或材料發揮作用；單道止水體積小巧；將止水制作、安裝過程分離，止水制作過程轉變為工廠化工作，止水制作質量易于檢查；能在現場所提供的室內條件下生產適應各類接縫型式變化的止水制品；適應現場施工要求，現場安裝簡單，搭接可靠；實現止水的后安裝或快速安裝，簡化止水的現場保護。
2．2  止水整體解決方案的多道止水布置及安裝工藝構想
     高面板堆石壩周邊縫止水的整體解決方案應采用多道止水的方案，其總布置見圖1。三道止水等距布置于周邊縫中(斷面圖中深黑色部分為安裝鋼架和剛性支撐等金屬材料，里面淺黑色為柔性止水材料)。止水全部采用工廠預制方式制作，趾板澆筑時只需預埋三道止水的安裝底座，施工現場僅完成螺栓固定等簡單可靠的安裝工藝和少量現場搭接工作。

圖1見第7頁  多道止水布置形式

2．3  止水整體解決方案總體設計采用的技術措施
    1)采用功能復合的技術措施保證止水的可靠性
     剛性材料形成的止水和由柔性材料組成的止水都不能很好地解決高面板壩周邊縫止水問題，止水材料復合技術的探索大多局限在對兩類材料性能缺陷的彌補上，屬于材料復合。但材料復合只能解決止水局部問題，無法提高止水整體的可靠性，只有將剛性和柔性兩類材料的功能進行分工合作，才能形成耐高水壓、大變形下的獨立止水。高面板壩周邊縫止水的功能復合中，柔性材料實現接縫大變形條件下的可靠密封止水功能；而剛性材料通過特殊的型式設計，實現接縫大變形及高水壓下對柔性材料的可靠支撐，并不要求其具有密封止水作用。通過這種“柔性密封、剛性支撐”的功能復合來提高接縫止水在高水壓、大變形情況下的可靠性。
    2)采用制作、安裝分離的工藝保證止水制作質量
    復合止水的型式和制作過程較復雜，在現場工況下，質量難以得到保證，因此有必要將獨立止水復雜的制作工藝過程置于室內工廠化條件下完成，使止水制作質量得到有效監控。
     制作、安裝分離后，止水的安裝就可以采用可靠的預埋安裝底座和澆筑安裝結合的后安裝方式：周邊縫中底部止水的安裝在趾板澆筑后、鋪設面板混凝土鋼筋前進行，中底部止水與趾板混凝土相連的一端采用螺栓固定的安裝方式，另一端采用安裝鋼架與面板混凝土中鋼筋焊接固定，澆筑面板混凝土時安裝鋼架澆筑于混凝土中的方式固定；垂直縫的中底部止水由于接縫兩側都是面板混凝土，因此止水兩端的安裝都采用固定于面板混凝土鋼筋架上，澆筑面板混凝土時安裝鋼架澆筑于混凝土中的方式安裝；頂部止水的安裝在面板澆筑完畢后進行，止水兩端都采用螺栓固定的方式安裝。
    3)選擇的密封材料需保證搭接和異型接頭的可靠性
     搭接和異型接頭止水的可靠性直接影響止水體系的有效性。搭接包括止水自身的現場搭接修補和多道止水間的搭接。止水自身的搭接質量主要取決于止水材料的性能，選擇現場澆筑、常溫固化成型的柔性密封材料，可滿足現場搭接簡單、可靠的要求。獨立止水自身搭接的問題一旦得到解決，由于多道止水采用相同止水材料和相近的型式，各道止水間的搭接就轉變為止水本體的搭接。
3  高面板壩周邊縫止水整體解決方案中的獨立止水設計
3．1  柔性密封材料的選擇

     在高面板壩周邊縫止水整體解決方案中，柔性密封材料的主要功能是密封和適應變形，因此柔性密封材料除具備可靠的防水密封性和延展性外，還要兼顧其他一些要求：1)與鋼鐵材料粘接強度高；2)材料本身強度與橡塑止水帶材料近似，便于控制體積；3)能現場澆注且配比簡單，屬于室溫固化型材料，同時材料固化后與新澆注的柔性止水材料間能可靠融合，現場搭接可靠。聚硫橡膠是滿足上述要求的幾種柔性止水材料之一，其與其它幾種主要止水材料性能的對比如表1。

表1  幾種止水材料基本性能對比
止水材料材料強度/MPa 材料延伸率/％搭接工藝
本體搭接與其它材料搭接
銅片不銹鋼片PVC天然橡膠柔性填料聚硫橡膠 22030014160.050.4～2.5 20～4530～59300～400450～600400～1000300～600 銅焊32％不銹鋼焊熱接現場模具硫化本體粘接現場澆筑鉚接鉚接鉚接鉚接本體粘接現場澆筑

雙組分聚硫密封膠是以液態聚硫橡膠為主，加入補強劑、增韌劑、增粘劑、觸變劑和其他添加劑，配置加工成基膏；以金屬氧化物等配制成硫化膏，兩組分混合后固化為彈性密封材料。該橡膠高分子主鏈上含有-S-S-雙硫鍵，并呈飽和狀態。高面板壩周邊縫止水整體解決方案中，獨立止水以剛性支撐為基礎，限制了柔性密封材料的變形，其實際伸長率一般控制在30％～50％，而以聚硫膠為柔性止水材料的止水本體延伸率高達300％～600％，因此在此工況下不致導致明顯的應力松弛。
3．2  剛性支撐型式的設計
    在高面板壩周邊縫止水整體解決方案中，剛性支撐的主要功能是對柔性止水材料提供可靠支撐，且接縫的變形不會影響這種支撐的效果，因此應具備較高的強度和適應接縫變形的適當型式。基于經驗和必要的試驗驗證，我們選用了1 mm厚的不銹鋼板作為剛性支撐材料，與其它常用金屬材料相比，它不僅滿足支撐的強度要求，還具有耐久性更可靠、延伸率更大、加工性更好的特點。
    剛性支撐勿需具備密封功能，則可以存在間隙，利用柔性密封材料可以容忍的間隙，提高支撐對剪切變形的適應能力。如圖2所示，將不銹鋼板設計為波幅10 mm左右、包含多個波紋的窄波形條帶，由多個這種波形條帶以一定間隙排列，兩端以螺栓固定，波形條帶可以繞螺栓轉動，形成螺栓固定方式組裝的連續剛性支撐。有間隙、可分解的多波紋的條帶方案除有效控制剛性支撐的體積，還可回避剛性支撐的搭接問題。

圖2見第8頁  不銹鋼板波形條帶及其排列效果圖

    經推導，可知波形條帶間隙、兩端固定孔中心距和波形條帶支撐能承受的剪切變形量關系計算公式如下：
x= —1
式中：x為波形板間間隙與波形板寬度的比值，b為波形板兩端固定孔的中心距，c為以間隙比為x的整齊排列波形板能承受的剪切變形量。波形條帶寬度為 1 cm、止水寬度約20 cm時，如果剪切變形量按10 cm計算，則其間隙約為1．5 mm，輔以墊板等保護措施后，這一間隙不致引起聚硫橡膠在高水壓下被擠出。

3．3  新型獨立止水的基本型式設計及安裝工藝
    根據對柔性密封材料、剛性支撐材料與型式的討論，我們提出了獨立止水基本型式，見圖3。獨立止水采用制作、安裝分離的方式，接縫兩側混凝土在澆筑前應預設止水安裝基座(見圖4中原始接縫)，聚硫橡膠澆注于不銹鋼安裝架間 (見圖4中斷面示意)，背水面鋪設由不銹鋼波形條帶組成的剛性支撐，不銹鋼架上預制了固定于接縫兩端安裝底座的螺栓孔。

圖3見第8頁  獨立止水的基本型式
圖4見第8頁  新型獨立止水安裝形式

    新型獨立止水的現場安裝簡單可靠，安裝前預設基座的原始接縫也勿需特別保護，安裝的可靠性也有必要的保證。
    柔性填料止水與新型止水構造對比見圖5。新型獨立止水體積小巧，同時因其制作、安裝分離，不僅可以安裝于頂部，還可安裝于接縫中部和底部，形成多道止水。

圖5見第8頁  柔性填料止水(左)與新型止水構造(右)對比

4  小結
    通過上述對高面板壩周邊縫止水整體解決方案可行性的論證，得到以下幾點啟示：
    1)新型復合止水體現柔性密封、剛性支撐的設計思想，高水壓、大變形條件下止水可靠，且體積小巧、現場安裝簡單可靠，能設置為多道止水，是高水壓大變形接縫止水問題可能的解決方案。
2)現有面板堆石壩止水規范所限定的設計原則應加以修訂，以突破傳統止水的局限性；止水測試評價標準也應更加注重對止水效能和止水整體解決方案的全面評價，使滿足標準的止水設計更加可靠實用。
同時，本文提出的高面板壩周邊縫止水整體解決方案，僅僅通過了原理性評價測試，仍然存在許多有待優化的局部細節，如密封材料的優化，包括配比、型式以及其他室溫固化型密封材料的比選；剛性支撐的型式簡化，如采用波紋鋼絲網取代波形條帶，換用多層鋼絲網支撐以及具有回彈功能的支撐，以提高止水耐受反復變形的能力等。
　　參考文獻
　　[1]蔣國澄，傅志安，鳳家驥，混凝土面板壩工程.第1版.湖北：湖北科學技術出版社，1997
　　[2]熊澤斌，王秘學.水布埡混凝土面板堆石壩止水系統設計.人民長江，1998，29(8)

上一條改進防水工程質量的幾點措施
下一條二襯背后回填注漿施工方案

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