寒冷地区混凝土面板堆石坝止水结构及配套施工技术研究

景健伟，雷秀玲，李艳萍，黄如卉，李中田，王 锐

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

蒲石河流域地处辽宁省东部，属温带湿润东亚季风气候区。冬季受西伯利亚、蒙古高压控制，盛行西风或西北风，天气寒冷干燥。多年平均封江日期为11月29日，多年平均开江日期为3月23日，河流的稳定封冻期约4个月，实测最大冰厚0.77 m。流域多年平均气温6.6℃，极端最高气温35.0℃，极端最低气温-38.5℃，最大冻土深1.32 m，属严寒地区。

蒲石河抽水蓄能电站上水库的挡水建筑物为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程395.50 m，最大坝高78.5 m，坝顶宽10 m，全长714 m，钢筋混凝土面板坝上、下游坡比均为 1∶1.4。下游坝坡外为“之”字形上坝公路。

蒲石河抽水蓄能电站上水库正常蓄水位392.00 m，死水位360.00 m，每天水库水位陡降、陡升最大落差达32 m，面板堆石坝冬季运行与检修受冰冻影响较常规电站更为严重，而面板结构缝又是大坝防渗体系中的最薄弱环节，因此，必须保证其结构设计可靠。本文从止水盖板、锚固螺栓、压条材料的选材及结构设计等方面结合寒冷地区特点开展优化研究，为寒冷地区面板堆石坝止水结构设计及施工提供配套技术。

2 止水盖板优化

止水盖板作为整个止水结构的表面覆盖物，对其下面嵌缝密封材料、止水棒等止水材料起着重要的保护作用，因此止水盖板不仅应具有良好的弹性，还应兼具耐老化、拉伸强度高、延伸率大、耐冻融、耐腐蚀、耐撕裂及耐冲击等性能。东北地区早期的面板堆石坝一般采用三元乙丙橡胶板，但效果一般。在黑龙江莲花、吉林省小山、河北丰宁等水电站的面板坝面层止水结构修补加固中，均采用了加筋复合三元乙丙橡胶板作为面板面层止水盖板，经过多年运行，效果较好。

通过对3个不同厂家生产的加筋和不加筋三元乙丙橡胶板进行性能试验表明，止水盖板是否加筋对断裂拉伸强度、扯断伸长率影响较大，加筋盖板在防重物冲击、防冰推撕裂等抗冲击性能方面要明显优于不加筋盖板，因此，对于蒲石河上水库混凝土面板坝面层止水结构，推荐采用加筋止水盖板。

加筋复合三元乙丙橡胶板盖板结构形式为：盖板总厚度8 mm，为提高止水盖板抗老化性能，盖板表面采用2 mm厚的三元乙丙橡胶与6 mm厚天然橡胶复合，在橡胶板内部加入两层网状尼龙布，形成两布三胶式加筋复合三元乙丙橡胶板。

3 止水盖板上下端头连接工艺研究

受材料运输及工程施工实际情况的影响，常常需要在现场进行止水盖板连接。而端头的连接质量直接关系到橡胶盖板的止水性能、防护性能及长期耐久性能。橡胶止水盖板端头粘接工艺分为冷粘法和热粘法，合理确定粘接工艺对于保证端头连接质量尤为重要。

冷粘施工工艺为：将两块橡胶板接头预粘部位进行打磨，各保留胶板原厚度的一半。清洗胶板受粘面，干燥后涂刷胶粘剂粘接。

热粘施工工艺为：将在温度为50℃左右条件下预热的橡胶止水盖板端头水平放入预热后的硫化器内，在止水盖板端头中间处放入生橡胶，用测力扳手拧紧加压螺栓，压强达到1.5 MPa左右后再加热加压板使其温度升至150℃，持续夹持约20 min（根据生橡胶的硫化速度而定）直至粘接牢固，然后松开硫化器的紧固螺栓，把橡胶止水盖板从硫化器中取出，自然冷却至常温后即完成粘接。热粘连接工艺可采用错台单层硫化和多层咬合搭接两种方式。

止水盖板接头性能检验结果见表1。试验结果显示，采用冷粘工艺时橡胶止水盖板接头抗拉强度较低，与母材强度之比为0.40，不满足DL/T 5215—2005《水工建筑物止水带技术规范》止水带接头强度与母材强度之比不小于0.6的技术要求；采用热粘工艺时，错台单层硫化及多层咬合搭接硫化的接头与母材强度之比分别为0.63和1.00，均满足规范要求；多层咬合搭接硫化粘接技术能够减小或避免接头强度损失，保证橡胶止水盖板的整体质量。

表1 止水盖板接头性能检验结果

4 锚固螺栓结构优化

锚固螺栓分为螺套和螺杆两个组成部分。在原止水结构中，螺套外表面棱台过多、螺孔设计深度大，不仅加工难度大、生产成本高，而且在实际施工时螺杆不易完全拧入螺套，因此通过试验研究及施工模拟，对锚固螺栓结构做如下优化：①缩短螺杆长度；②简化螺套外表面棱台结构；③减小螺套的螺孔深度。优化后的锚固螺栓结构见图1，正常浇筑面板混凝土采用结构一；预留止水盖板下卧槽并预埋锚固螺母浇筑面板混凝土采用结构二。

图1 优化后的锚固螺栓结构 （单位：mm）

5 锚固螺栓间距及压条扁钢预留孔形状优化

在原止水结构中，锚固螺栓间距为15 cm，扁钢压板预留孔形状与平头螺栓顶部完全吻合，对螺套埋设具有较高的精度要求。考虑到止水施工混凝土面平整度差异，将锚固螺栓间距做适当调整，以降低加压钢板弹性形变恢复对锚固螺栓产生的拉拔力。但在实际施工中，锚固螺栓螺套的埋设位置常存在不同程度的偏移，难以达到预期效果。结合莲花、丰宁等水电站面板坝止水结构修补工程实际应用经验，对锚固螺栓间距及压条扁钢预留孔形状优化如下：①将锚固螺栓间距由15 cm调整为20 cm；②将扁钢预留孔形状设计为椭圆形。具体尺寸及间距见图2。

图2 扁钢压板预留孔位置示意 （单位：mm）

6 止水结构室外冰冻模拟验证

冰与材料的冻结强度越小，冰在材料表面的粘附力越小，材料越不易被破坏。冰与界面的冻结强度与界面材料有关，因此进行了止水材料及止水结构的室外冰冻模拟试验，试验时所有冰样冻结及剪切试验均在室外完成，试验结果见表2。

表2 冰与不同止水材料的冻结强度试验结果

从表2可以看出，冰与不同材料界面的冻结强度有很大差别。冻结强度顺序：混凝土界面＞不锈钢板界面＞镀锌钢板界面＞挂胶钢板界面＞橡胶板界面，橡胶止水带中中国水利水电科学研究院加筋胶板冻结强度最小，压板中挂胶钢板的冻结强度略小于镀锌钢板。

根据冰与止水结构原材料冻结强度试验结果，进行了止水结构的室外模拟试验，选取加筋橡胶板作为盖板，试验环境温度-15～-25℃，试验结果见表3。

表3 止水结构室外冰冻模拟试验MPa

从表3可以看出，在水平压力作用下，冰与止水结构之间的冻结力被剪断，其中橡胶板+挂胶钢板的冻结强度小于橡胶板+镀锌钢板的冻结强度。冰整体脱离，并沿坡面向上运动，冰样未发生破碎，橡胶面板多数区域无冰附着，整个橡胶止水结构外观无破坏。在平行于面板的剪切力作用下，冰与止水结构之间的冻结力被剪断，剪切力对这两种止水形式均未构成破坏。橡胶板+挂胶钢板止水形式的冻结强度低于橡胶板+镀锌钢板冻结强度。剪切试验后冰为整体脱离，冰样未发生破碎，橡胶面板多数区域无冰附着，少部分有冰，整个橡胶止水结构外观形式无破坏。

7 施工技术

在研究面板顶部接缝止水施工工艺时，考虑了正常浇筑面板混凝土和预留止水盖板下卧槽并预埋锚固螺母浇筑面板混凝土两种施工工艺。

（1）正常浇筑情况下顶部接缝止水施工工艺。当面板顶部接缝止水施工基础条件为正常浇筑施工的混凝土面板时，其施工工序为：机械开槽→钻机打孔→螺母埋设→止水棒安装→嵌填密封材料→铺设止水盖板→螺栓锚固扁钢加压→边缝嵌填。

（2）预留槽并预埋锚固件情况下顶部接缝止水施工工艺。当预留止水盖板下卧槽并且预埋锚固螺母时，面板顶部接缝止水施工工序为：止水棒安装→嵌填密封材料→铺设止水盖板→螺栓锚固扁钢加压→边缝嵌填。与正常浇筑的混凝土面板相比，省去了机械开槽→钻机打孔→螺母埋设三道施工工序， 且止水盖板下卧槽混凝土面平整度高、锚固螺母与混凝土结合紧密、锚固螺母抗拉拔性能好。因此，推荐使用预留止水盖板下卧槽并且预埋锚固螺母的顶部接缝止水施工工艺。

8 结论与建议

结合蒲石河抽水蓄能电站工程，进行寒区混凝土面板堆石坝面板止水结构及配套施工技术研究并成功应用。选取的止水材料具有耐老化、拉伸强度高、耐冲击性能好等特点；选用的止水结构形式具备易于施工、经济效益显著等优势。研究成果如下：

（1）采取适当的止水防护措施，提高寒区面板接缝顶部止水的防渗和耐久性能，表层防护体系不被破坏是确保止水结构安全的关键。

（2）推荐采用浇筑面板混凝土时预留止水盖板下卧槽并预埋锚固螺母的止水结构施工工艺。

（3）锚固螺栓推荐采用沉头螺栓 （见图1），螺栓螺杆长60 mm，螺母长105 mm，丝扣长80 mm，其沉头最大直径25 mm。

（4）推荐采用镀锌扁钢或挂胶扁钢做为压板。

（5）推荐面板混凝土变形缝采用表面复合三元乙丙橡胶复合层 （厚度＞2 mm）抗老化层的加筋橡胶板作为止水盖板，以提高止水盖板的抗冲击性能。

（6）热粘法工艺较为复杂，但抗拉强度高，抗渗效果好，建议现场施工采用热粘法硫化粘接。