高混凝土面板堆石壩周邊縫新型止水

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    國(guó)內(nèi)外大量面板壩工程實(shí)踐表明，低于100m的面板壩，用與柔性嵌縫材料（國(guó)內(nèi)多用GB、SR，國(guó)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(yīng)的水壓與接縫變位，止水是可靠的。目前傾向于進(jìn)一步簡(jiǎn)化止水設(shè)計(jì)，以降低造價(jià)、簡(jiǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)是成功的，但也有幾座面板壩止水發(fā)生了問題，導(dǎo)致比較大的經(jīng)濟(jì)損失。這種止水設(shè)計(jì)的原理是表層塑性嵌縫材料在高水壓作用下向接縫內(nèi)流動(dòng)，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(dòng)過程中有可能被擊穿，不能發(fā)揮止水作用，工程中已發(fā)現(xiàn)有此種情況。采用與粉煤灰、粉細(xì)砂無粘性填料相配套的三道止水，可以認(rèn)為是對(duì)100m以上面板壩止水設(shè)計(jì)的反思和改進(jìn)。由于粉煤灰可以在滲水情況下流動(dòng)，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(xì)砂可以在中、底部止水發(fā)生破壞時(shí)，流到反濾料區(qū)并一起構(gòu)成止水結(jié)構(gòu)。這種止水形式存在的問題是，當(dāng)施工中墊層區(qū)料與無粘性填料之間不滿足反濾淤堵關(guān)系，致使無粘性填料流失或淤填效果不佳；或者當(dāng)接縫張開較大無粘性填料沒有有效的淤填量補(bǔ)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(jié)構(gòu)形式

    面板壩正逐漸向高壩和大型工程發(fā)展，并傾向于取消放空洞。因此尋求可靠的止水設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的關(guān)鍵之一。針對(duì)前述止水結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用情況，為保障水布埡面板壩在各種運(yùn)行情況下的安全，提高止水結(jié)構(gòu)的可靠性，作者[1]給出了面板壩周邊縫的新型止水結(jié)構(gòu)，見圖1.在該結(jié)構(gòu)中，橡膠棒起支撐作用，在高水壓和接縫變位作用下它不會(huì)被壓入接縫，從而減小高水壓和接縫變位對(duì)其上部止水部件的破壞作用；波型止水帶（見圖2）對(duì)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(duì)接縫起封閉作用，同時(shí)在下部止水帶發(fā)生意外破壞時(shí)，仍可以流入接縫發(fā)揮止水作用；表層蓋板對(duì)塑性嵌縫材料具有保護(hù)作用。此外，新型止水結(jié)構(gòu)保留了底部銅止水，它止水可靠，施工質(zhì)量易于保證，除了與表層止水共同發(fā)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(xì)砂)；4、GB三元乙丙復(fù)合板；5、BG填料；6、波型止水帶；7、預(yù)埋角鋼；8、復(fù)合橡膠管；9、12mm瀝青杉板；10、F型GB復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式具有如下特點(diǎn)：（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(zhì)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(tǒng)表層止水設(shè)計(jì)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(dú)起止水防滲作用；（3）復(fù)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(zhì)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(fù)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(fù)合GB后，改善了常規(guī)銅止水的抗繞滲能力和適應(yīng)變形、承受荷載的能力；（5）粉煤灰、粉細(xì)砂和粘土覆蓋作為工程措施，增加了安全度。

    新型止水結(jié)構(gòu)中的表層止水可以獨(dú)立地承受高水壓和三向大變位的作用，比常規(guī)止水結(jié)構(gòu)更為可靠。對(duì)于100m級(jí)的面板壩，可以采用比圖1更簡(jiǎn)化的止水設(shè)計(jì)，如取消粉煤灰、粉細(xì)砂和粘土覆蓋等。

    2 新型表層止水設(shè)計(jì)及試驗(yàn)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(jìn)行新型表層止水結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究，其性能見表1.

表1 GB止水材料的性能參數(shù)

2.2 波型止水帶的設(shè)計(jì)^[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(qiáng)度為20MPa.采用波型橡膠止水帶設(shè)計(jì)形式，主要原因一是移到表層的止水帶應(yīng)能夠獨(dú)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(yōu)于塑料、塑膠類材料。圖2止水帶是根據(jù)水布埡的情況確定的，設(shè)計(jì)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(yīng)力；通過實(shí)驗(yàn)類比分析確定了接縫變形在波型止水帶中產(chǎn)生的附加應(yīng)力；最后考慮了長(zhǎng)止水帶的拉伸強(qiáng)度低于橡膠材料拉伸強(qiáng)度，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，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(yīng)力與其強(qiáng)度之比為2.25.該止水帶經(jīng)大模型止水實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)可靠、方便，且能適應(yīng)周邊縫沿邊坡的變化。對(duì)水布埡工程，通過接縫壓入實(shí)驗(yàn)和大模型實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，復(fù)合橡膠棒外徑選用100mm，內(nèi)套直徑48mm的鋼管，采用專用接頭設(shè)計(jì)。

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(nèi)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(jìn)行高面板壩的銅止水設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)驗(yàn)方法^[2,4]對(duì)銅止水的變形特性、止水性能進(jìn)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(jié)論，其中(1)～(3)為計(jì)算結(jié)論并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，(4)～(5)為實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

　?。?）銅止水的厚度對(duì)銅止水的應(yīng)力狀態(tài)影響較小，0.8mm～1.2mm厚的銅止水適合于100m～200m級(jí)的面板壩；（2）對(duì)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(duì)水布埡工程，F(xiàn)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(yīng)能滑動(dòng)，否則銅止水的應(yīng)力達(dá)到自身破壞強(qiáng)度而破壞；（4）根據(jù)銅止水的抗繞滲試驗(yàn)，光面銅止水在承受150m水頭時(shí)開始繞滲。而復(fù)合GB的銅止水在從混凝土中拔出10mm、水頭達(dá)到250m時(shí)仍不漏水，說明推薦的復(fù)合銅止水設(shè)計(jì)是一個(gè)較好的選擇；（5）取折曲部分寬度為25mm、高度為72\^5mm、長(zhǎng)為500～800mm的銅止水進(jìn)行剪切試驗(yàn)，結(jié)果見圖4.在銅的破壞強(qiáng)度大于225MPa、延伸率大于30％時(shí)，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(nèi)應(yīng)力將迅速增加。另外,銅止水的焊縫一般會(huì)在20～25mm的剪切變位時(shí)破壞。如果考慮水壓、沉陷和張開，這一數(shù)值還會(huì)更小一些。

1 混凝土塊2水壓力3銅片4接縫開度 5 內(nèi)側(cè)復(fù)合GB(長(zhǎng)度10cm，厚度6mm) 6 兩側(cè)復(fù)合GB(長(zhǎng)度10cm，厚度mm) 7 外側(cè)放置1mm厚PVC墊 圖6 銅止水結(jié)構(gòu)滲水模型試驗(yàn)	圖7 芹山面板壩周邊縫止水結(jié)構(gòu)

4 工程應(yīng)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(yù)計(jì)的周邊縫最大三向位移為：張開30mm、沉陷6mm、剪切45mm.根據(jù)上述試驗(yàn)和計(jì)算分析結(jié)果，結(jié)合芹山面板壩情況，推薦并采用的周邊縫止水結(jié)構(gòu)見圖7.工程已于1999年10月完工并蓄水，目前壩前水深已達(dá)110mm，壩后量水堰測(cè)出的漏水量小于5L/S，說明新型止水體系效果是比較好的。