有压隧洞伸缩缝表层柔性止水结构试验研究及应用

詹 杰，殷鸿飞，孙志恒

(1.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610；2.三亚城市投资建设有限公司，海南 三亚 572000；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 概述

我国水资源时空分布不均衡，实施跨流域、跨地区调水工程越来越多，输水隧洞是调水工程中的主要建筑物。目前我国城市引调水工程的输水隧洞总里程世界第一，正在服役的有引滦入津(12km)、引黄入晋(204km)、引汉济渭(98km)、新疆大板调水(31.89km)、大伙房输水(85.32km)、南水北调西线(244km)、南水北调穿黄(2×4km)、白龙江引水工程(308km)、滇中引水(612km)、引大入秦(110km)、辽西北供水(290.5km)、青海引大济湟(24.17km)及鄂北水资源配套工程(119.43km)等隧洞工程。受伸缩缝止水结构设计、施工质量、止水材料质量的影响，一些有压输水隧洞(包括压力箱涵、倒虹吸等结构)伸缩缝渗漏严重，不但降低了引调水工程的经济效益，而且直接影响工程使用寿命，严重的渗漏导致周围山体滑坡、输水隧洞垮塌等事故。有压输水隧洞伸缩缝具有承担温度变形和不均匀变形的作用，在正常运行期间其止水结构要承担迎水面高压水压力作用，在检修期间要承担背水面山岩的外水压力。处理有压输水隧洞伸缩缝内部止水带失效是一项很困难的工作，目前常用的方法是凿除伸缩缝止水带周边混凝土，重新安装止水带，再重新浇筑周边混凝土；或者是在伸缩缝止水带附近打孔进行化学灌浆；或者在伸缩缝表面锚固或粘贴一层橡胶止水带。这几种方法都不能保证伸缩缝长期止水效果，并且工期长、造价高。为了防止有压输水隧洞伸缩缝渗漏或修复已经渗漏的伸缩缝止水破损，提高有压输水隧洞伸缩缝止水的可靠性，在伸缩缝混凝土表面设置一道可靠的柔性止水结构是一种方便、有效的措施。

2 伸缩缝表层柔性止水结构

根据有压输水隧洞运行条件，对隧洞伸缩缝表层止水结构要求应满足抵抗背水面及迎水面水压力的双向作用，满足伸缩缝适应结构变形，止水材料耐老化、耐水、防冲刷、环保，满足长期运用等要求。同时，表层止水结构要施工方便、便于维修，对原结构无破坏。为此，本文对如图1所示的输水隧洞伸缩缝表层柔性止水结构进行了试验研究。

在图1中的伸缩缝表层柔性止水结构中，伸缩缝表面预留深2～4cm、宽2～5cm的矩形槽，矩形槽内嵌填高弹性聚脲砂浆，伸缩缝表面涂刷4mm厚、30～40cm宽的SK手刮聚脲复合胎基布作为防渗涂层。槽内嵌填的高弹性聚脲砂浆弹性好，压缩50%后可以完全恢复，断裂伸长率在10%～30%之间，能适应伸缩缝的变形要求；有良好的抗裂性和变形性；抗压及抗拉强度高，可以承受背水压力，同时支撑表层防渗涂层。表面涂刷的SK手刮聚脲抗拉强度大于20MPa、断裂伸长率大于200%、吸水率小于5%，具有强度高、柔性大、耐久性好的优点。聚脲中间复合胎基布，可以承担迎水面高水压的长期作用。为了防止防渗涂层在高速水流作用下掀起，在聚脲收边部位打磨成三角形槽，保证收边部位的聚脲厚度大于2mm。

图1 输水隧洞伸缩缝表层柔性止水结构

3 背水面压水试验

背水面压水试验的目的是研究输水隧洞表层柔性止水结构在背水压力作用下防止外水内渗的效果。在材料比选中，首先研究了在槽内充填聚氨酯密封胶和聚硫密封膏等柔性防渗材料，表面涂刷4mm SK手刮聚脲复合胎基布。试验结果表明，由于在槽内充填的聚氨酯密封胶和聚硫密封膏本体强度较低，伸缩缝表层柔性止水结构只能抵抗0.3MPa左右的外水压力，不能满足高外水压力的要求。为此，选定了在槽内充填强度较大的高弹性聚脲砂浆。试验加工了6个尺寸为70cm×50cm×20cm的混凝土试块，试块中部开矩形槽，槽长40cm，槽宽和槽深的尺寸分别为：3cm×2cm(1#和2#试块)、3cm×3cm(3#和4#试块)和2cm×2cm(5#和6#试块)。将伸缩缝周边混凝土表面打磨、清洗、晾干，槽底部粘贴一层塑料薄膜(作为隔离层)，槽侧面及底面涂刷界面剂，待界面剂表干后直接刮涂第一层SK手刮聚脲，1h后在槽内分层回填高弹性聚脲砂浆，砂浆与混凝土面齐平，再刮涂SK手刮聚脲，聚脲表干前在伸缩缝部位15cm范围内铺盖胎基布，再涂刷2～3遍SK手刮聚脲，每次涂刷SK手刮聚脲的允许作业时间在3h以内，直至伸缩缝部位聚脲厚度达4mm，宽度为30cm。在模型背面预留的孔内安装压水装置，伸缩缝表层柔性止水结构模型试验示意图如图2所示。

图2 伸缩缝表层柔性止水结构模型试验示意图

试验加载过程中，背水压力从0.5MPa开始加压，稳压20min后增加0.2MPa。模型破坏前，伸缩缝内部的高弹性聚脲砂浆凸起，继续加载，伸缩缝附近SK手刮聚脲局部出现鼓包，一旦聚脲出现鼓包，背水压力表开始下降，如果继续加压，聚脲鼓包会继续增大，直至破坏。

伸缩缝表层止水结构模型试验描述过程及试验结果见表1，在背水压力作用下，1#、2#模型槽宽3cm，可承受的最大背水压力为1.0～1.1MPa；3#和4#模型槽3cm深，但养护时间较短(16d)，高弹性聚脲砂浆未完全固化，粘接强度较低，可承受的最大背水压力约为1.0MPa；5#模型槽的宽度为2cm，表面聚脲涂层厚度为4mm，可承受的最大背水压力为1.7MPa，6#模型由于养护时间较短(16d)，高弹性聚脲砂浆未完全固化，可承受的最大背水压力约为0.9MPa。

表1 伸缩缝表层止水结构模型试验描述及结果

试验结果表明：①槽的深度越大，可以承受的背水压力越大；②表层的聚脲涂层厚度越大，可以承受的背水压力越大；③槽的宽度越大，适应变形能力越大，但可以承受的背水压力越小；④涂层与混凝土的粘接强度越大，承受背水压力大；⑤槽内的高弹性聚脲砂浆养护时间要大于30d。

4 迎水面压水试验

模型内径为48cm的钢桶，桶内浇筑混凝土试块，中央预留一道长约25cm、宽为2cm的贯穿槽，槽内无充填材料，表面分别涂刷不同厚度的涂刷SK手刮聚脲，聚脲中间粘贴一层胎基布。迎水面加载模型试验装置示意图如图3所示，将与钢法兰浇筑在一起的混凝土板与上部带有钢盖板的法兰连接在一起，上部有钢盖板的法兰有进水口和水压力表。待模型满足养护时间(混凝土养护28d、SK手刮聚脲养护15d)后开始加水试验，水压力采用自动加载设备，由模型进水口处自动加压设备施加稳定的水压力，该设备可以自动加载，保持试验期间水压力处于设置值稳压状态。

图3 迎水面加载模型试验装置示意图

试验起始水压力从0.2MPa开始，按0.1MPa/h的速度逐渐加大水压力。伸缩缝迎水面压水试验结果表明，在没有高弹性聚脲砂浆支撑的情况下，聚脲涂层在水压力作用下向内凹陷，聚脲涂层厚度大于3.0mm时，仅依靠复合胎基布的聚脲涂层就可以独立承受1.0MPa的迎水面水压力，聚脲涂层厚度大于4mm时，聚脲复合胎基布涂层可以满足1.5MPa的迎水面压力的要求，5mm以上厚度的复合胎基布的聚脲涂层可以独立承受超过2.0MPa的压力。在伸缩缝表层柔性止水结构中，伸缩缝下部是高弹性聚脲砂浆，可以支撑表层的聚脲涂层，聚脲涂层是不会出现向内凹陷的情况。试验表明，表层聚脲涂层厚度越大，承受的迎水面水压力越大。

5 表层柔性止水结构施工工艺

(1)基面处理：沿伸缩缝迎水面及槽内两侧混凝土打磨、清洗，将混凝土表面烘干。为了保证聚脲涂层与周围混凝土的搭接牢固可靠，避免在高速水流冲刷下开口掀起，在聚脲涂刷范围的周边收边处混凝土打磨成倒三角槽，三角形槽边深大于2mm。

(2)涂刷界面剂：基础面处理表干燥后，在混凝土表面涂刷界面剂，涂刷厚度薄而均匀，无漏涂，无堆积现象。每侧界面剂的涂刷宽度要大于聚脲宽度5cm以上。

(3)刮涂第1遍SK手刮聚脲：待界面剂表干后，在伸缩缝表面两侧及槽内刮涂约1～2mm厚的聚脲。

(4)回填高弹性聚脲砂浆：待第1遍SK手刮聚脲表干后，凹槽内填充高弹性聚脲砂浆，最少分2遍填充，回填第2遍高弹性聚脲砂浆时要等第1遍高弹性聚脲砂浆表层固化。

(5)刮涂SK手刮聚脲及粘贴胎基布：高弹性聚脲砂浆成型固化后，刮涂第2遍SK手刮聚脲，第2遍聚脲表干前在聚脲表面粘贴1层胎基布，第2遍聚脲表干后刮涂第3遍、第4遍聚脲，直到伸缩缝表面中间的聚脲涂层厚度≥4mm，两边的聚脲厚度≥2mm。

6 工程应用实例

6.1 南水北调南干渠输水隧洞伸缩缝渗漏处理

南干渠输水隧洞工程是北京市南水北调配套工程之一，全长26.82km。2018年通过对南干渠输水隧洞衬砌混凝土内部缺陷检查发现：伸缩缝缝内嵌填的聚硫密封膏部分出现泥化、挤出脱落现象；局部伸缩缝存在挤压变形导致缝面混凝土压碎和缝内填塞物挤出；伸缩缝因张开变形较大导致接缝拉开；伸缩缝出现渗水、洇湿现象。为了保证输水安全，2019年初停水检修期间，对输水隧洞伸缩缝渗漏缺陷进行了处理。

通过方案比较，确定南水北调南干渠输水隧洞伸缩缝渗漏缺陷处理采用图1所示的表层柔性止水结构方案。首先剔除伸缩缝内原充填物，回填油麻绳，用快速堵漏剂封堵渗漏，表层预留宽2cm、深3cm的矩形槽，矩形槽侧面涂刷界面剂和SK手刮聚脲，聚脲表干后槽内回填高弹性聚脲砂浆，高弹性聚脲砂浆固化后在伸缩缝表面涂刷SK手刮聚脲，聚脲厚度为4mm、宽度为30cm，聚脲中间复合1层宽20cm的胎基布。在聚脲涂刷范围的周边收边处混凝土打磨成倒三角槽，聚脲与周围混凝土搭接边平滑过渡。

由于施工在4—6月份，期间输水隧洞内部环境很潮湿，给施工造成了很大困难，通过采用通风、烘干、采用层间处理剂及潮湿型界面剂等措施，保证了施工质量。目前南水北调南干渠输水隧洞伸缩缝渗漏缺陷处理后已运行3年，伸缩缝止水未见异常。

6.2 西枝江压力箱涵伸缩缝渗漏处理

深圳市东江水源工程是为长远解决深圳水源短缺问题而建设的大型跨流域调水工程，工程东起惠州，从东江及西枝江两河取水，沿线经管道、隧洞、箱涵、渡槽，至深圳市宝安区西丽水库，干线全长106km。通过停水检查发现，西枝江压力箱涵出现伸缩缝局部渗漏现象，影响到工程的使用寿命及周边环境，需要对渗漏的伸缩缝进行处理。

由于西枝江压力箱涵伸缩缝在运行期间承受带压的内水外渗作用，在检修期间承受外水内渗的作用，设计采用了图1所示的伸缩缝表层柔性止水结构方案，伸缩缝两侧混凝土表面打磨干净(宽30cm)；剔除伸缩缝内木板，用切割机开矩形槽，深度大于6cm，内部用快速堵漏剂临时堵水(约3cm厚)，对于漏水量较大的伸缩缝采用化学灌浆进行临时堵漏；矩形槽内涂刷潮湿型界面剂，界面剂表干后涂刷2mm厚SK手刮聚脲；矩形槽内回填高弹性聚脲砂浆，与两侧混凝土面齐平；伸缩缝两侧混凝土表面涂刷潮湿型界面剂，界面剂表干后涂刷1遍SK手刮聚脲，宽度大于25cm，铺设20cm宽胎基布，再涂刷SK手刮聚脲，直到中间铺设胎基布部位的涂层厚度大于4.0mm。

箱涵伸缩缝漏水处理运行5年后现场检查发现，采用伸缩缝表层柔性止水结构处理后，箱涵伸缩缝止水效果良好。

7 结语

输水隧洞伸缩缝表层柔性止水结构具有能适应伸缩缝变形、表层止水效果好的特点。在有压隧洞表面增设1道表层柔性止水结构，通过在伸缩缝侧面打孔压水可以检查伸缩缝内部止水带及表层柔性止水结构的施工质量，显著提高了有压输水隧洞伸缩缝止水的可靠性及耐久性。本文提出的隧洞伸缩缝表层止水结构及施工工艺是一种止水效果可靠、施工简单、便于检查与维修的新型止水结构，已在实际工程中得到成功应用，值得推广应用。