柔性防护体系在盖下坝水电站超薄拱坝上的应用

张喜武，侯福江，王 杨，温 斌，孙煜东

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林长春130021）

1 工程概况

盖下坝水电站位于重庆市云阳县和奉节县境内长江一级支流-长滩河中上游河段，距下游长江入口处故陵镇约45 km，距云阳县城约72 km，水库总库容3.54×108m3，电站总装机容量132 MW。大坝及泄水建筑物为1级建筑物，消能建筑物为3级建筑物，引水发电建筑物为3级建筑物。

2 坝体体形及结构设计优化

2.1 拱坝体形优化

拱坝经优化选定的体形为椭圆双曲拱坝，最大坝高160.00 m，拱坝基本体形141 m，是我国最高椭圆双曲拱坝，坝顶长153.2 m，拱冠梁底厚14.96 m，厚高比0.106，已建、运行的最薄高拱坝，国内外超薄高拱坝参数统计。

2.2 取消坝体排水孔及排水廊道

由于工程无冰冻问题，且属于超薄拱坝，故取消了坝体排水孔，进而取消了坝体排水廊道，避免了排水廊道对超薄拱坝坝体的削弱及坝体局部孔洞应力集中，节省了投资，更重要的是简化施工工艺，缩短了工期、减少施工干扰，便于混凝土入仓、平仓、震捣，对于保证混凝土浇筑质量和进度都是有益的。此项设计优化在国内同级别拱坝建设中也是大胆的尝试，并取得了良好的效果。

3 超薄拱坝增设柔性防护体系必要性

1）工程在技施阶段取消了坝体排水孔及排水廊道，对于提高混凝土浇筑质量，加快浇筑进度是有好处的。然而取消坝体排水孔，坝体内渗透压力势必有增大趋势，提高混凝土抗渗性能对减少坝体渗透压力进而减小水力劈裂是有好处的。提高混凝土抗渗性能的常规办法是增加混凝土水泥用量，但增加水泥用量导致混凝土水化热增加，加大了温控难度和成本。坝体上游面设置柔性防护体系，既不增加混凝土中水泥的用量，又提高了坝体防渗性能，喷涂聚脲。

2）工程取消了坝体排水廊道，河床部位保留了基础灌浆廊道。由于坝体超薄，基础灌浆廊道距离大坝上游面距离较近，基础灌浆廊道距离大坝上游面最小距离只有8.0 m，混凝土最大比降17，接近规范规定的上限值20，故采取一定的防护措施提高混凝土抗渗能力，对保证混凝土耐久性，减少裂缝产生和开展是有宜的。

3）大坝施工中产生的裂缝，大多是坝体内外温差引起的表面裂缝或水平施工缝张开，而混凝土坝上游面的表面裂缝，有在蓄水之后发展为深层裂缝的可能，如美国德沃夏克坝和加拿大雷沃斯托克坝的情况[1]。所以混凝土坝的保温，防裂、防渗等一系列问题是相互关联的，也是人们极为关心的问题。工程原计划坝体上游防渗与施工期保温结合，同步进行，后由于施工进度问题分步实施。

4）对于常态混凝土坝而言，混凝土自身并不存在防渗问题，但国内外的工程实践、计算分析、模型试验表明，高拱坝强约束区运行期应力复杂，常常难以分析清楚是否会在基础或坝体部位出现裂缝，而坝踵部位的裂缝有可能会因为高水头水压力作用发生水力劈裂，进一步扩展，甚至使防渗帷幕拉裂，影响工程的正常运行。国内外高拱坝的实践经验表明，有些高拱坝在运行期出现坝踵开裂漏水事故，影响了工程正常运行，如萨扬舒申斯克拱坝、柯恩布莱因拱坝、兹勒格伦特拱坝、石门拱坝等在运行期均出现坝踵开裂。借鉴碾压混凝土坝上游面薄膜防渗的经验，在高拱坝上游面坝踵附近设置柔性防护体系，可以防止高拱坝运行期坝踵开裂后漏水、避免高压库水进入坝踵裂缝引起的危害，并在现有基础上进一步提高坝体安全度。

5）拱坝施工过程中，温度控制要求严格，温控、养护措施落实不到位，混凝土在施工期极易出现细微裂缝，而这种裂缝在蓄会后有进一步开展的可能，由微裂缝发展成规模比较大的裂缝，影响坝体整体性、耐久性，甚至影响工程的正常使用，这在混凝土坝施工中也是经常出现的问题。大坝上游柔性防护体系体有效地限制了细微裂缝进一步开展，有效地弥补了混凝土脆性材料抗裂性能差的不足。

6）坝体施工过程中分层浇筑，水平施工缝处理不当会出现沿水平施工缝的渗漏通道；由于混凝土入仓机械故障、送电线路故障、天气等各方面因素，施工冷缝在施工过程中也很难完全避免，这是很多工程建设过程中出现的施工质量缺陷，给坝体蓄水后的渗漏埋下了隐患，而且处理难度极大，处理成本高。坝体上游面柔性防护体系的设置，可有效地对水平施工缝及施工冷缝等质量缺陷进行补救，截断层间渗漏通道，避免蓄水后混凝土浇筑质量缺陷带来坝体渗漏的难题。

7）坝体在运行期一旦出现裂缝，在高水头下进行裂缝处理难度大、代价高，这也是水工界的共识。在高拱坝上游面设置柔性防护体系，可以防止高拱坝运行期微裂缝开展，减少或避免水下裂缝修补加固，为工程的运行、维护创造有利条件，大大降低了运行期修补加固难度和成本。

4 柔性防护体系技术方案

4.1 坝缝及裂缝处理

采用水钻骑坝缝钻直孔，孔深为30 cm，孔间垂直间距60～100 cm，钻孔部位须横缝灌浆结束。每条坝缝钻孔完毕后，须用高压空气进行冲洗。裂缝表面封闭后，应首先用（0.1～0.2）MPa压缩空气检查坝缝封闭效果和钻孔情况。

用直径2 cm的钢管做灌浆嘴，灌浆嘴的埋设深度应小于8 cm，灌浆嘴露出混凝土表面长度应大于5 cm。封缝前，混凝土表面用丙酮脱脂，在混凝土表面顺缝采用结构胶封缝，封缝厚5～8 mm,宽40 mm。

坝体裂缝宽度小于0.2 mm的裂缝，采用水泥基抗渗微结晶材料进行涂刷。水泥基抗渗微结晶材料抗渗指标1.5 MPa,线膨胀系数（0.6～0.8）×10-5℃。表面清理液涂刷2遍。

4.2 化学灌浆

灌浆材料选用高分散性灌浆材料，灌浆压力根据生产性试验及现场实际情况进行调整，一般采用0.15～0.3 MPa。配制浆液应在干燥环境中进行，严防配浆中浆液发生暴聚现象，灌浆过程中如发生暴聚，应立即弃掉。灌浆浆液在使用前应搅拌均匀，浆液自制备至用完的时间不宜超过1 h。灌浆顺序为先深后浅，在灌浆过程中发生冒浆、串浆等情况时，宜在不中断灌浆的情况下采用快速堵漏、降压方法进行处理，待快速堵漏材料达到一定强度后，才能继续灌浆；若灌浆被迫中断，应争取在浆液凝固前及早恢复。灌浆结束的标准是吃浆量很小且临孔冒浆，此时应保持规定压力15 min。灌浆结束标准是以不吸浆为原则，如吸浆率小于10 ml/min，并将灌浆压力保持恒压15 min，即可结束灌浆。

灌浆结束24 h后割掉灌浆嘴，采用环氧水泥浆液封孔，所有灌浆工序完成后清除混凝土表面结构胶，采用砂轮打磨，恢复原结构断面，保证原结构断面的平整度，避免对结构表面造成破坏。

4.3 施工要求

柔性防护体系作为一种新型的混凝土防护手段，在蓄水前实施，可有效提高混凝土结构的抗渗、抗冻、抗溶蚀能力；可避免或减少结构细微裂缝在蓄水后继续开展；可对于水平施工缝处理缺陷造成的渗漏起到补救作用；可提高结构耐久性和延长结构使用年限，降低运行期维护费用。

柔性防护体系包括：大坝上游混凝土面清理（包括保温板拆除）、打磨；坝缝防渗密封材料铺设；坝踵上游2.5 m范围内岩石表面清理、找平；坝踵上游2.5 m范围内岩石基层界面处理；坝踵及上游环氧砂浆局部找平；坝面混凝土基层界面处理；防渗涂膜的喷涂；防渗涂膜养护。

大坝上游柔性防护工程严禁在雨天、雪天施工，五级风及其以上时不得施工；施工中途下雨雪时，应做好周边的防护工作。大坝上游防渗界面处理剂、防渗涂膜、防渗密封材料的施工环境气温均应在5～35℃之间。

4.4 基面处理

柔性防护体系基面处理尤为重要，坝面及坝踵上游2.5 m范围内岩石找平；坝面找平表面平整度的允许偏差为5 mm；局部表面钢筋头割除打磨，并不得有局部突起现象；坝踵与上游岩石接触部位采用环氧砂浆填充成弧形，园弧半径不应小于50 mm；混凝土表面磨平后进行表面清理，必须保证混凝土表面干净、干燥。

柔性防护体系基面找平打磨后，涂刷基层处理剂，基层处理剂应与上面覆盖的柔性涂膜、坝缝化学灌浆封闭材料、环氧砂浆相容。基层处理剂基层面必须干净、干燥；基层处理剂应准确计量，充分搅拌，涂刷均匀，覆盖完全。

4.5 表面柔性防护涂层实施

表面柔性防护涂层配比、涂刷遍数应通过工艺试验选定；表面防护涂层应分遍和多遍涂布，待先涂的涂层干燥成膜后，方可涂布后一遍涂层，且前后两遍涂层的涂布方向应相互垂直；大坝上游防渗涂膜应薄涂多遍，不得有流淌和堆积现象；防渗涂膜的收头处理可采用防渗涂料多遍涂布。

5 结语

混凝土本身为脆性材料，施工及运行过程中受配合比、温度、湿度、工艺、受力、基础变形等因素影响产生不同性质的裂缝，裂缝在水荷载作用下有进一步开展的可能，裂缝的出现对混凝土薄壁结构整体性、耐久性、安全性影响敏感；即使有些裂缝不会进一步开展，但会出现沿缝渗水、漏水情况，导致混凝土钙质析出，影响结构耐久性和建筑物外观。有些坝体裂缝在蓄水后进一步恶化，此时进行裂缝处理无论是降水旱地施工还是水下施工，处理难度均较大，经济代价巨大，甚至有些裂缝的渗水、漏水根本无法处理，找不到上游的渗漏点，影响结构的耐久性和美观。故混凝土薄拱坝设置柔性防护是必要的，从施工、运行、维护综合考虑也是经济的。

由于柔性防护体系在水电、水利行业应用时间相对较晚，工程案例较少，柔性防护采用的材料种类繁多，参数复杂，施工工艺迥异，不同的部位、施工条件、环境因素、运行条件对材料要求差异较大，故在设计、采购、施工过程中需进行充分的分析、论证，选择合适的材料；坝体柔性防护采用新材料和新工艺，施工工艺复杂，界面处理要求严格，故在施工过程中要选择正规、有经验的施工队伍；坝体柔性防护体系施工受到混凝土浇筑、养护、温控、蓄水过程等影响，在施工过程中要做好施工组织工作，保证各工序之间有序进行，避免施工干扰和各工序之间的影响，保证施工质量和进度。