高混凝土面板堆石壩周邊縫新型止水

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    國內外大量面板壩工程實踐表明，低于100m的面板壩，用與柔性嵌縫材料（國內多用GB、SR，國外多用IGAS）相配套的三道止水形式，在施工工藝保證的情況下，面板壩各類接縫可以承受相應的水壓與接縫變位，止水是可靠的。目前傾向于進一步簡化止水設計，以降低造價、簡化施工，如取消中部止水，50m以下僅用一道銅或不銹鋼止水或僅用表層止水（如：新疆柯柯亞壩，41.5m）等。這種止水設計用在抽水蓄能電站的全池防滲也取得了成功（如：十三陵等）。100m以上高面板壩的周邊縫止水設計，目前多采用與100m以下面板壩相同的三道止水形式，已建成的30多座100m以上壩的運行經驗表明，大多數是成功的，但也有幾座面板壩止水發生了問題，導致比較大的經濟損失。這種止水設計的原理是表層塑性嵌縫材料在高水壓作用下向接縫內流動，封閉中部止水或底部止水可能存在的縫隙，并與中、底部止水形成一體，共同起到止水作用。這種止水形式存在的問題是，高水壓、大變位作用下，塑性嵌縫材料在流動過程中有可能被擊穿，不能發揮止水作用，工程中已發現有此種情況。采用與粉煤灰、粉細砂無粘性填料相配套的三道止水，可以認為是對100m以上面板壩止水設計的反思和改進。由于粉煤灰可以在滲水情況下流動，淤填中、底部止水可能存在的空隙，起到止水作用。粉煤灰、粉細砂可以在中、底部止水發生破壞時，流到反濾料區并一起構成止水結構。這種止水形式存在的問題是，當施工中墊層區料與無粘性填料之間不滿足反濾淤堵關系，致使無粘性填料流失或淤填效果不佳；或者當接縫張開較大無粘性填料沒有有效的淤填量補充，則該種止水形式的止水效果將不能保證。

    1 高面板壩周邊縫的新型止水結構形式

    面板壩正逐漸向高壩和大型工程發展，并傾向于取消放空洞。因此尋求可靠的止水設計是工程建設的關鍵之一。針對前述止水結構的發展應用情況，為保障水布埡面板壩在各種運行情況下的安全，提高止水結構的可靠性，作者[1]給出了面板壩周邊縫的新型止水結構，見圖1.在該結構中，橡膠棒起支撐作用，在高水壓和接縫變位作用下它不會被壓入接縫，從而減小高水壓和接縫變位對其上部止水部件的破壞作用；波型止水帶（見圖2）對表層塑性嵌縫材料起密封作用，自身又是一道止水；塑性嵌縫材料對接縫起封閉作用，同時在下部止水帶發生意外破壞時，仍可以流入接縫發揮止水作用；表層蓋板對塑性嵌縫材料具有保護作用。此外，新型止水結構保留了底部銅止水，它止水可靠，施工質量易于保證，除了與表層止水共同發揮止水作用外，自身也是一道止水。

1、趾板；2、面板；3、粉煤灰(粉細砂)；4、GB三元乙丙復合板；5、BG填料；6、波型止水帶；7、預埋角鋼；8、復合橡膠管；9、12mm瀝青杉板；10、F型GB復合銅止水；12、PVC墊板；13、水泥砂漿墊塊 圖1 周邊縫GB新型止水結構形式	圖2 推薦用于水布埡面板壩的波型止水帶(單位：mm)

    新型止水結構形式具有如下特點：（1）取消了中部銅或PVC止水帶，主要原因是中部止水帶施工質量難以保證，且容易被比較大的周邊縫三向位移剪壞或撕壞：（2）與傳統表層止水設計相比，新型表層止水的作用不再依賴于下部止水是否被破壞，自身可單獨起止水防滲作用；（3）復合橡膠棒、波型橡膠止水帶可在面板施工完成后安裝，施工質量容易保障。通過角鋼、扁鋼固定在趾板和面板上的波型止水帶，在復合橡膠棒的可靠支撐下，可以承受高水壓和三向大變位；（4）底部銅止水復合GB后，改善了常規銅止水的抗繞滲能力和適應變形、承受荷載的能力；（5）粉煤灰、粉細砂和粘土覆蓋作為工程措施，增加了安全度。

    新型止水結構中的表層止水可以獨立地承受高水壓和三向大變位的作用，比常規止水結構更為可靠。對于100m級的面板壩，可以采用比圖1更簡化的止水設計，如取消粉煤灰、粉細砂和粘土覆蓋等。

    2 新型表層止水設計及試驗研究

    2.1 塑性嵌縫止水材料性能 這里采用GB塑性嵌縫材料進行新型表層止水結構的實驗研究，其性能見表1.

表1 GB止水材料的性能參數

2.2 波型止水帶的設計^[2] 推薦水布埡工程采用的新型表層止水帶見圖2，止水帶的抗拉強度為20MPa.采用波型橡膠止水帶設計形式，主要原因一是移到表層的止水帶應能夠獨立承受水布埡周邊縫高水頭和大變形的要求，二是橡膠類材料的抗老化和變形能力優于塑料、塑膠類材料。圖2止水帶是根據水布埡的情況確定的，設計分析中考慮了由水壓力和接縫張開在止水帶中引起的拉伸應力；通過實驗類比分析確定了接縫變形在波型止水帶中產生的附加應力；最后考慮了長止水帶的拉伸強度低于橡膠材料拉伸強度，經過實驗，前者僅為后者的一半。在水布埡工況下綜合考慮這些因素，止水帶承受的應力與其強度之比為2.25.該止水帶經大模型止水實驗結果證明是十分可靠的。

 

（2）膠棒在周邊縫變位過程中，能為表層止水提供可靠的支撐；(3)膠棒的接頭應可靠、方便，且能適應周邊縫沿邊坡的變化。對水布埡工程，通過接縫壓入實驗和大模型實驗檢驗，復合橡膠棒外徑選用100mm，內套直徑48mm的鋼管，采用專用接頭設計。

1絲杠2鎖母3注水口4壓力表5上蓋6鋼梁7面板8鋼口9千斤頂10千斤頂支架11趾板12模型支架13內襯鋼板14波浪形止水帶15Φ100mm組合橡膠管16GB填料

采用這種方法不能了解銅止水的變形特性，在進行高面板壩的銅止水設計時，盲目性較大，無法給出合理的斷面形式。因此，作者采用幾何大變形有限元方法^[2,3]以及模型實驗方法^[2,4]對銅止水的變形特性、止水性能進行了分析，由此得到了如圖3所示的銅止水建議方案和下面結論，其中(1)～(3)為計算結論并經實驗驗證，(4)～(5)為實驗結論：

　　（1）銅止水的厚度對銅止水的應力狀態影響較小，0.8mm～1.2mm厚的銅止水適合于100m～200m級的面板壩；（2）對水布埡，銅止水折曲部分的高度取105mm、寬度取30mm可以滿足要求；（3）對水布埡工程，F型銅止水的直邊翼板部分在接縫三向變位和230m水頭作用下應能滑動，否則銅止水的應力達到自身破壞強度而破壞；（4）根據銅止水的抗繞滲試驗，光面銅止水在承受150m水頭時開始繞滲。而復合GB的銅止水在從混凝土中拔出10mm、水頭達到250m時仍不漏水，說明推薦的復合銅止水設計是一個較好的選擇；（5）取折曲部分寬度為25mm、高度為72\^5mm、長為500～800mm的銅止水進行剪切試驗，結果見圖4.在銅的破壞強度大于225MPa、延伸率大于30％時，銅止水折曲部位可以承受20～25mm的剪切變位，超過這種變位，銅止水內應力將迅速增加。另外,銅止水的焊縫一般會在20～25mm的剪切變位時破壞。如果考慮水壓、沉陷和張開，這一數值還會更小一些。

1 混凝土塊2水壓力3銅片4接縫開度 5 內側復合GB(長度10cm，厚度6mm) 6 兩側復合GB(長度10cm，厚度mm) 7 外側放置1mm厚PVC墊 圖6 銅止水結構滲水模型試驗	圖7 芹山面板壩周邊縫止水結構

4 工程應用

　　福建穆陽溪芹山面板壩，壩高122m，壩頂河谷寬286.5m，岸坡較陡。預計的周邊縫最大三向位移為：張開30mm、沉陷6mm、剪切45mm.根據上述試驗和計算分析結果，結合芹山面板壩情況，推薦并采用的周邊縫止水結構見圖7.工程已于1999年10月完工并蓄水，目前壩前水深已達110mm，壩后量水堰測出的漏水量小于5L/S，說明新型止水體系效果是比較好的。