水布垭混凝土面板堆石坝止水系统设计.docx

水布垭混凝土面板堆石坝止水系统设计熊 泽 斌王 秘 学摘 要 混凝土面板的接缝止水设计是水布垭混凝土面板堆石坝设计工作的一个重要内容。 设计研究中对世界各地坝高 110 m 以上的一些已建成的混凝土面板堆石坝接缝止水的结构形式和运行情况进行了调查研 究; 这里介绍了水布垭工程接缝止水的结构形式和材料选择的试验研究结果。在研究了世界各地有关的经验和教训以及该工程的试验研究结果之后, 提出了控制接缝位移、优化止水结构、选择止水材料的一些设想。主题词 周边缝 止水材料 结构设计 试验研究 砼面板堆石坝 水布垭水电站拉斯坝也是由于周边缝下面有厚的堆石层, 谢罗罗坝则是由于趾板采用了不稳定的高趾墙, 导致面板开裂而大量漏水。因此, 对于高 230 余米的水布垭面板坝, 为了减小接缝位 移, 一方面必须控制坝体总的位移量, 另一方面必须控制周边 缝附近的不均匀沉陷。 水布垭的坝体填料采用灰岩, 其压缩模量较高, 现场和室内的试验结果为 100 M P a 左右, 估计水平荷 载作用下的变形模量为 200 300 M P a。在大坝的分区设计中,将压缩模量较高的茅口组灰岩用在产生坝体变形的主要部位,即主堆石区、过渡区和垫层区, 并提出较严格的级配、压实要 求。 水布垭坝料的变形模量为坝高 160 m 的阿里亚坝的 2 3 倍, 根据阿里亚坝的实测挠度值, 按经验公式估算, 水布垭面板 的挠度为 0. 48 0. 75 m。另一方面, 为了减小周边缝附近的不 均匀沉陷, 水布垭面板坝采用平趾板, 周边缝止水下面设计成 厚度 (1 m ) 均匀的堆石层, 并在周边缝处设置较易压实的小区 料; 对于趾板及趾板下游三分之一水头范围的基础, 要求挖至 新鲜基岩, 并对地质地形缺陷进行严格处理。 通过采取以上措 施, 再加上精心施工, 周边缝的位移估计将小于阿里亚坝的实 测值。针对水布垭面板坝所进行的国家“九五”科技攻关课题1接缝位移分析水布垭混凝土面板堆石坝最大坝高 233 m , 坝体填筑方量1 560 万 m 3 , 面板面积 12. 7 万 m 2 , 接缝总长 1. 2 万 m 。接缝止水, 特别是周边缝止水是混凝土面板堆石坝的关键 构件。实践表明, 周边缝止水遭破坏是面板坝漏水的重要原因。 进行接缝止水设计, 必须先对接缝位移有一个正确的估 计。 接缝位移与坝体堆石的变形有关, 周边缝位移还与趾板和 基础的变形有关。 通过对已建工程原型观测资料的分析, 发现接缝位移与坝高并无明显的关系, 表 1 为几座已建工程变形和漏水量的原型观测值。从表 1 可以看出, 坝高 160 m 以上的两座坝, 较高者的变 形反比较低者的小, 其原因主要是前者的坝体填料为压缩性较 低 的 砂 砾 石 ( 水 平 荷 载 作 用 下 的 变 形 模 量 高 达 600 M P a 以 上) , 后者的坝体填料为玄武岩, 级配不理想, 不易压实 (水平压 缩模量仅为 110 M P a)。 面板挠度同周边缝位移也无密切的联 系, 比如安奇卡亚坝, 其挠度为 0. 13 m , 在坝高近似的几座坝 中属于较小的, 但其周边缝张开最大, 达 125 mm , 大坝漏水量 也最大。 其原因系该坝的趾板采用了高趾墙, 周边缝下面为厚 层堆石, 局部不均匀沉降增大。漏水量较大的其他两座坝, 格里表 1 一些面板坝的变形及漏水量观测值坝高面板挠度周边缝位移 (mm )漏水量(L s) 坝名国别 (m ) (m ) 张开沉降165522106剪切5. 5161415阿瓜密尔帕阿里亚 萨尔瓦金那娜 安奇卡亚 塞格雷多辛戈 格里拉斯谢罗罗塞沙那墨西哥巴西 哥伦比亚 哥伦比亚 巴西巴西 哥伦比亚尼日利亚澳大利亚1871601481401401401301251100. 150. 690. 100. 130. 340. 300. 161923712526010023660601 800180400501801 0806501 800100730341607503011. 5217. 40. 1236第 29 卷 第 8 期人民长江 R ENM IN CHA N GJ IA N G1998 年 8 月 大坝应力应变分析所得出的成果: 面板挠度为 0. 4 0. 8m , 周边缝位移一般也都较小, 个别地方的位移极值也与其他 工程的大致相当。 因此, 预计水布垭面板堆石坝周边缝的最大沉降、张开、剪切位移值分别为 55、50、30 mm , 垂直缝的最大张 开值为 30 mm。“九五”科技攻关项目, 参加的单位有水科院、华东院和昆明院。长科院作为设计科研单位, 也进行了大量试验研究工作。3. 1 周边缝止水结构整体模型试验水科院、华东院和长科院在对止水结构和材料进行了试验 研究之后, 推荐了各自的止水结构型式, 见图 1。传统的止水结构型式接缝主要指面板间的垂直缝和面板与趾板间的周边缝。各 地已建工程的板间垂直缝, 其结构型式大体相同。 通常在两岸 坝肩部分的受拉区设张性缝, 在河床中部面板受压区设压性 缝。 张性缝, 一般在其底部设铜止水, 在其顶部填堵柔性材料。 压性缝, 一般只在底部设一道铜止水。对于周边缝, 底部的止水 型式与板间缝的基本相同, 所不同的是中部的止水型式和顶部 的填堵材料。1970 年建成的高度为 110 m 的塞沙那坝, 周边缝设两道 止水, 底部为铜片, 中间为橡胶, 坝体渗漏量仅为 7 L s。 1974 年修建的 140 m 高的安奇卡亚坝, 周边缝只设一道 PV C 止水, 结果漏水量高达 1 800 L s, 只得放空水库检修。修复措施是在 缝的顶部嵌填马王帝脂材料, 修复后稳定渗漏量减小到 180 L s。 1980 年建成的高 160 m 的阿里亚坝, 在吸取塞沙那和安奇 卡亚坝经验教训的基础上, 采用三道止水, 即底部为铜片, 中间 为 PV C , 顶部为玛王帝脂, 尽管其坝体变形和周边缝位移均较 大, 但止水效果较好, 稳定渗漏量为 60 L s。 由于阿里亚坝的 成功, 三道止水的结构型式被广泛采用。 受一些工程采用无粘 性细料成功地修复裂缝漏水的启发, 1994 年建成的高 187 m 的阿瓜密尔帕坝, 顶部改为铺设粉煤灰以取代铺设玛王帝脂, 中 部仍为 PV C , 底部为铜片; 周边缝张开、沉降、剪切位移分别为19、16、5. 5 mm , 稳定漏水量为 100 L s。 这种顶部止水采用无 粘性细料的做法已成为混凝土面板坝止水设计的发展趋势。已建工程的周边缝大多采用多道止水, 主要目的是期望任 何一道止水遭破坏后, 其它止水能起保证作用, 以减小坝体渗 漏。 然而, 对于中部止水, 大多数学者和工程界人士认为, 在较薄的面板中部, 设置 PV C 止水带, 施工不便, 止水附近的混凝 土振捣困难, 反而造成薄弱环节。 试验结果也表明, PV C 止水的抗绕渗能力较差, 因此建议取消中部止水。 80 年代末 90 年代初兴建的塞格雷多、辛戈坝等都取消了这道中部止水, 只采 用两道止水, 我国目前在建的天生桥一级水电站面板坝将中部 改为铜止水, 仍采用 3 道止水。底部铜片止水, 安全可靠, 但适应剪切变形的能力较差, 因 此, 需要有其他止水作补充, 以保证止水系统的可靠性。顶部填堵柔性材料, 其作用是当接缝发生位移时, 充填接 缝。但水流一般仍会通过材料与混凝土接触面流入。这种材料 的抗拉强度也较低, 容易拉坏。 因此, 应对其性质加以改进, 提高抗拉强度和与混凝土的密接能力。顶部填堵无粘性细料, 其作用根据反滤层原理。 当止水遭 破坏漏水时, 水流将填堵料中的粉细砂或粉煤灰带入缝中, 受 周边缝下小区料的反滤作用, 渗漏得到限制, 即止水所遭破坏 得以自愈。 这种自愈系统原理清楚, 施工简单, 工作可靠。2(a)长科院推荐止水结构(b)水科院推荐止水结构( c)华东院推荐止水结构图 1 试验单位推荐周边缝止水结构1. 任意料回填 2. 粘土 3. F 型铜止水片 4. 新型复合止水片5. SR填料 6. 粉煤灰 7. 带透水孔的薄钢板罩 8. 土工布 9. 沥青木板10. PV C 垫片 11. 水泥砂浆垫层 12. 粉细砂 13. SR 底胶 14. 复 合 GB 的 F 型铜止水片 15. 复合 GB 的厚 PV C 土工膜 16. 橡胶棒17. 加强型橡胶止水带 18. 复合 GB 的厚 PV C 板 19. GB 填料水科院从 3 道止水可各自承担止水作用的观点出发, 推荐 底部采用复合 GB 材料的“F ”型退火止水铜片, 中部采用兜型 土工膜连同 GB 胶密封止水 ( 取消 PV C 止水带) , 表层采用复 合型密封盖板, 密封盖板与下部加强型橡胶止水板之间填 GB 嵌缝材料, 形成自身独立止水防渗的结构型式。试验表明, 各道 止水在 2. 0 3. 8 M P a 水压作用下、周边缝张开 50 mm 、沉降止水系统试验研究作为工程关键技术问题之一, 止水系统设计已列入国家337V o l. 29 N o. 8人民长江 YA N GT ZE R IV ERA ugu st 1998100 mm 时, 基本不渗漏。这种新的止水结构型式, 加强了表层止水, 有利于中部止水施工, 改善了底部止水, 为水布垭面板坝 周边缝止水结构型式、止水材料的选择开拓了思路。华东院的试验研究考虑了止水片或垫层材料对柔性填料的支承, 将 SR 塑性止水材料和支承体构成接缝止水系统进行 整体试验, 包括 SR 与复合橡胶棒、砂浆垫层和堆石垫层等多 种止水系统的仿真试验。 SR 砂浆垫层止水结构在接缝张开70 mm、剪切位移 50 mm、作用 水 压 2. 5 M P a 的 条 件 下 不 漏 水。SR 堆石垫层在沉降 11. 5 mm , 水压 3 M P a 的条件下不漏 水。SR 复合橡胶棒止水结构在张开 70 95 mm 、剪切位移 20 41 mm 、水压 0. 58 2. 55 M P a 下不漏水。可以看出, SR 止水 材料应用前景明朗。长科院推荐型式的特点为止水与自愈并重, 中间则采用膨胀橡胶复合镀锌钢板, 改善了中部 PV C 止水带抗绕渗能力。3. 2 自愈试验昆明院在对水布垭垫层料工程特性研究中, 选择了 4 种堵缝材料和 2 种级配的反滤料进行了自愈试验。 试验表明, 选用 坝址附近松木坪电厂的粉煤灰作为堵缝料, 一旦止水失效, 它 能明显地减少周边缝的渗漏, 周边缝下的小区料或垫层料也能 长期稳定地对粉煤灰起反滤作用。 试验成果见表 2。4止水结构设计根据坝址地形地质条件和坝料工程性质, 对有关接缝止水问题进行了全面分析, 认为: 水布垭混凝土面板坝的坝体变形,特别是周边缝的位移, 可以控制在已建成功工程的实测值以 内; 在大量试验研究的基础上, 优化结构型式, 精选止水材料, 止水系统的可靠性和完整性是可以保证的。4. 1 周边缝周边缝采用三道止水。底部和中部均为 C 103 软紫铜铜片 止水, 顶部为带加筋橡胶膜保护的“SR ”嵌缝材料。 350 m 高程以上部分, 由于面板厚度较薄, 取消中部铜止水。缝的表部设粉煤灰层, 缝下部设小区料层和垫层, 用来对粉煤灰起反滤作用。290 m 高程以下部分设粘土铺盖。这样, 粘土铺盖、三道止水和 自愈设施组成了周边缝的止水系统, 布置见图 2。表 2松木坪粉煤灰密闭无止水的周边缝试验成果流量 Q (L s)压力(M P a)图 2 周边缝止水结构布置8 = 5 mm8 = 10 mm8 = 20 mm8 = 30 mm4. 2 板间垂直缝在靠近两岸的面板的可能受拉区设张性缝, 左岸设 10 条、 右岸设 15 条, 缝距 8. 0 m , 河床中部设压性缝, 缝距 16. 0 m。280 m 高程以下的张性缝止水结构与周边缝相同, 280 m高程以上的张性缝取消中部止水。压性缝与张性缝的不同之处 是取消了顶部 SR 嵌缝止水。所有垂直缝中均不设可压缩的沥青木板, 缝面涂刷乳化沥青或石灰水。作者简介0. 10. 20. 40. 60. 81. 21. 62. 00. 130. 310. 610. 881. 111. 282. 563. 900. 080. 310. 881. 592. 163. 114. 185. 500. 430. 861. 612. 173. 134. 567. 319. 390. 481. 001. 922. 974. 756. 788. 4210. 70 2. 2 4. 50 6. 21 10. 46 11. 86 熊泽斌男 长江水利委员会设计院枢纽处430010男 长江水利委员会设计院枢纽处 汉市 430010( 收稿日期: 1998-工程师 湖北省武汉市注: 8 为接缝开度。3. 3 止水材料表层塑性嵌缝材料, 国外采用较多的是 IGA S, 国内则普 遍采用水科院和华东院研制的 GB 和 SR , 三种材料的主要性能见表 3。 从表 3 可以看出, 国产材料各项技术指标均要优越得多, SR 的性能最优。 为了改善嵌缝材料与混凝土的粘接强 度, 在混凝土接触面上涂刷一层粘接剂, 使得接触面粘接完好。 表 3 塑性止水材料主要技术指标王秘学助理工程师 湖北省武06- 09 编辑: 车友宜)敬告读者项目试验条件IGA SSR - 2GB本刊 1999 年度的征订工作即将开始, 请广大读者及时就近到当地邮局办理订阅手续。 如订阅不便, 亦可直接汇款至本刊编辑部, 并注明订阅期数、册数, 本刊发行人员收到汇款后, 将及时地寄回收据,