高混凝土面板堆石坝接缝止水设计综述

摘要：接缝止水是高混凝土面板堆石坝设计的关键技术问题之一。对国内外高混凝土面板堆石坝接缝止水设计研究进展进行了综述，主要包括止水变形控制标准与止水结构设计两大方面，对目前中国高混凝土面板堆石坝接缝止水结构设计的基本思路及工程实践进行了回顾。研究认为采用数值计算结合工程经验确定接缝止水变形控制标准是合适的。目前接缝止水的新技术集中在表层填料止水及其保护盖板、垂直缝柔性嵌缝材料等方面。混凝土面板堆石坝接缝止水后续研究的重点为表层止水结构创新、止水结构简化设计、防挤压破坏措施、止水耐久性提高方法和修复技术。

关 键 词：混凝土面板堆石坝； 接缝止水； 变形控制标准； 止水结构设计

中图法分类号： TV641.43

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.022

0 引 言

混凝土面板堆石坝由于其良好的安全性、适应性和经济性，在水利水电工程中被广泛采用并不断发展。混凝土面板作为其最主要的防渗结构，对大坝的安全稳定运行起着至关重要的作用。为适应坝体变形及满足施工需要，混凝土面板通常设有许多接缝，包括面板与趾板之间的周边缝、面板条带之间的垂直缝，以及面板与防浪墙间的水平接缝等。这些接缝均设有止水以形成连续密封的止水系统，与趾板、面板和灌浆帷幕、防渗墙等共同组成了混凝土面板坝的防渗体系。接缝止水作为面板坝防渗体系中的薄弱环节，其缺陷可能导致接缝集中渗漏，甚至影响大坝的正常挡水和运行安全，因此接缝止水的设计已成为面板坝防渗设计的重点之一。工程实践表明，坝高在100 m以下的面板坝由于坝体变形控制难度相对较低，采用1～2道常规型式的止水即可满足大坝防渗的需要；对100 m以上的高面板坝，则通常需要设置2～3道止水，并对止水结构型式和材料进行专门设计，以应对接缝大变形、面板挤压破坏，以及严寒冰冻特殊环境等问题［1-2］。本文对高面板坝接缝止水技术发展进行了总结，梳理了接缝止水结构设计思路和工程经验，提出了接缝变形控制标准的建议值，并对今后的研究重点进行了展望，以供工程技术人员参考。

1 接缝止水研究进展概述

现代面板坝接缝止水的发展大致经历了从两道止水到三道止水，再到自愈型止水的3个阶段。以塞沙那（Cethana）（110 m高，1971年建成，见图1）、利斯（Reece）（122 m高，1986年建成）为代表的澳大利亚面板坝的成功经验表明，如果设计施工得当，在接缝中部和底部设置两道不同材质的止水能够满足100 m级面板坝的防渗安全要求。巴西阿里亚（Foz do Areia）面板坝（160 m高，1980年建成）周边缝除了在底部和中部分别设置一道铜止水片和PVC止水带以外，还在顶部设置了Neoprene合成橡胶圆筒+IGAS玛蹄脂，并用橡胶薄膜进行保护，止水效果良好（见图2）。阿里亚面板坝的成功运行，使得三道止水的结构型式开始在世界范围内推广应用［3］。巴西的Segredo（145 m高，1993年建成）、Xingo（140 m高，1993年建成）、Ita（125 m高，1999年建成）、Barra Grande（185 m高，2005年建成）、Campos Novos（202 m高，2005年建成）等面板坝均采用三道止水结构。但这样的止水型式也并非万无一失，如哥伦比亚的格里拉斯（Golillas）面板坝（125 m高，1978年建成）在蓄水后周边缝变形较大，渗漏量达1 080 L/s。检查发现，其周边缝中部的PVC止水带被剪破，顶部IGAS玛蹄脂丧失塑性，被水压力击穿，且无法流入接缝中堵漏［1］。

一些水库运行后由于泥沙淤堵，大坝渗漏逐渐减小，受此启发，墨西哥的阿瓜米尔帕（Aguamilpa）面板坝（187 m高，1994年建成）率先开始采用自愈型止水（见图3）。其周边缝除底部铜止水和中部PVC止水带以外，顶部还设有粉煤灰，并用内衬土工织物的钢罩进行保护［4］。阿瓜米尔帕面板坝蓄水后运行效果良好，此后，El Cajon（189 m高，2006年建成）、Kárahnjúkar（193 m高，2006年建成）、Mohale（145 m高，2006年建成）、Porce Ⅲ（154 m高，2010年建成）等不少高面板坝开始采用这种自愈型止水。

自“七五”后，中国对面板坝接缝止水的研究随着面板坝建设需求的增长而不断深入，对止水结构型式、止水材料性能及止水施工工艺等进行了科技攻关，取得了不少研究成果。在止水结构方面，垂直缝止水基本采用“顶部填料、底部铜止水”的型式；周边缝止水起初大多吸取国外经验采用“顶部柔性填料、中部塑胶止水带、底部铜止水片”的三道止水型式，随后为适应面板厚度、避免影响混凝土振捣密实，逐步取消中部止水，采用“顶部柔性填料、底部铜止水片”的两道止水型式。中国面板坝设计规范也规定：高坝周边缝底部应设置铜止水片，顶部应设置塑性填料、无黏性填料，中部可设橡胶棒或不设止水［5］。在止水材料方面，由于金属止水和塑胶止水对接缝变形的适应能力受到材料自身性能和止水尺寸的限制，故研究的重心主要放在能够适应接缝大变形的表层止水材料上，主要研究成果包括GB及SR两大系列的塑性填料止水，粉煤灰和粉细砂等自愈型止水材料，以及涂覆型柔性盖板等耐候防护材料等，并已在不少工程中得到应用。“七五”期间，中国自主研发了塑性、抗渗性、耐久性更佳的非硫化丁基橡胶嵌缝止水材料和改性沥青填料以代替国外常用的IGAS嵌缝填料，成功应用于西北口面板坝（95 m高，1990年建成）［6］。“八五”期间，借鉴阿瓜米尔帕大坝的经验，将无黏性填料自愈型表层止水应用于天生桥一级面板坝（178 m高，1998年建成）［7］。“九五”期间，依托水布垭面板坝（233 m高，2008年建成），中国水利水电科学研究院和华东勘测设计研究院科研所分别提出了GB和SR止水体系，并设计和制造了能三向变形和施加高水压力的大型试验设备，验证了这两种止水体系结构和材料的可行性［8］。此后，中国高面板坝基本均采用GB和SR这两种止水体系，并在此基础上根据工程需要不断进行提升与改进，取得了较好的止水效果和经验，性能已达到国际领先水平［2］。在止水施工工艺方面，研究了潮湿界面粘结剂、止水带及盖板连接技术，保障了柔性填料在潮湿混凝土表面的长期可靠粘接，以及止水接头处的连接效果和整体性；还研发了塑性填料挤出机械，形成了成熟的表层止水机械一体化施工技术，解决了塑性填料嵌填不密实等问题，有效提升了止水的施工质量和效率［9-10］。

2 接缝止水变形控制标准

接缝止水首先应当具有足够的变形能力，以适应接缝在各种工况下可能产生的位移。在开展接缝止水设计时，通常需先确定面板接缝位移控制标准，以此作为止水结构和尺寸具体设计的基础。例如，底部铜止水尺寸主要受剪切位移控制，顶部波形止水带的尺寸取决于张开、沉降、剪切三向的合位移，顶部PVC棒的直径和塑性填料的断面面积则通常根据张开位移来确定［11］。

目前国内面板坝工程通常采用数值分析结合工程类比的方法来确定止水结构设计中的接缝位移控制标准。其中，数值分析一般采用三维静动力计算得到的接缝位移数值，再考虑1.0～3.0倍的安全系数［12-13］。国内外部分高面板坝周边缝和垂直缝的位移设计值、计算值和实测值见表1和表2。表1所列高面板坝周边缝的张开、沉降、剪切位移设计值在22～100 mm，6～100 mm，25～66 mm之间，其中大部分三向位移设计值大于50 mm；而表中实测张开、沉降、剪切位移最大值分别为1.80～27.30 mm，3.09～49.38 mm，1.59～35.20 mm，均小于50 mm。表2所列高面板坝垂直缝的张开、沉降、剪切位移设计值在4.8～60.0 mm，30.0～60.0 mm，30.0～50.0 mm之间，大部分大于30 mm。由于垂直缝沉降和剪切位移通常很小，大部分面板坝垂直缝仅布置了单向测缝计监测其张拉/压缩变形。表2中实测张拉/压缩变形值均较小，分别为3.9～18.1 mm，-1.2～-11.5 mm，均小于20 mm。

文献［14］也对国内20余座已投入运行的面板堆石坝的接缝实测变形值进行了统计和分析。结果表明，这些面板坝的周边缝的张开、沉降、剪切变形最大值一般在40，50，30 mm以内，垂直缝的最大张开量一般在20 mm以内。同时分析认为，接缝变形的大小与河谷形状、岸坡坡度、趾板体型、堆石厚度及压实度、坝体施工质量等多种因素有关。

由工程案例及实测数据可知，高面板坝接缝实测位移值与坝高并无明显相关性，绝大部分运行正常的面板坝工程，其周边缝和垂直缝的位移实测值均远小于设计值，可见通过合理的设计和高质量的施工，是可以将面板坝接缝位移控制在较低水平的。由于影响因素的复杂性以及现有技术手段的局限性，在设计阶段是无法准确预测接缝真实变形的。根据数值计算结果和工程经验选取的接缝止水变形控制标准，在基本工况下都具有比较大的富余，以此为依据确定的止水尺寸也具有比较大的安全裕度。对于高面板坝，在尚未开展数值计算时，建议取周边缝的张开、沉降、剪切位移设计值为50，60，60 mm，取垂直缝的张开位移设计值为30 mm，据此开展接缝止水的初步设计。

3 接缝止水结构设计

经过数十年对面板坝的研究和实践，中国已经形成了较为成熟和系统的止水设计理念，总结出一套比较通用的接缝止水结构型式和设计方法。其基本原则是：① 接缝止水结构应当能够良好地适应接缝可能发生的3个方向的位移；② 尽量采用不同种类的止水材料，使整个止水结构具有更高的可靠性；③ 每一道止水在设计水压力和接缝位移下都应能独立发挥作用。

3.1 周边缝止水

高面板坝的趾板通常固定在基岩上，而面板则会跟随堆石体发生变形，因此位于趾板和面板之间的周边缝可能发生较大的位移，是面板接缝的薄弱部位，也是接缝止水设计研究的重点［15］。目前高面板坝周边缝均采用2～3道止水。底部止水一般采用金属止水，多为铜止水；若有中部止水则一般采用金属止水、PVC止水或橡胶棒。

针对顶部止水，工程设计研究人员根据不同的运用条件提出了多种多样的结构型式，总体上可概括为“支撑体+填料+保护盖板”。例如，“九五”期间依托清江水布垭面板坝工程提出的GB和SR止水体系（见图4～5）。GB止水体系是在缝面V形槽内设一胶棒，作为支承体，上设一固定在面板上的波纹状橡胶板，然后再安装塑性填料和保护盖板；SR止水体系是在面板中部设由3根橡胶棒组成的复合橡胶棒作为支承体，在缝面安装SR材料及保护盖板。这两种止水体系的可行性已在试验和工程实践中得到验证［8］。

顶部填料按照填料与水流的作用关系，分为塑性填料和无黏性自愈型填料两类。塑性填料在水压力作用下，能够流入张开的接缝进行填充止水，无黏性自愈型填料则能够随渗漏水流向下游移动，并逐渐封堵漏水通道，使渗漏减小或消除。两者可单独使用，也可结合使用。

关于塑性填料，国外工程过去多采用IGAS玛蹄脂，但实际运行中发现IGAS玛蹄脂并不能像预期的那样流入接缝，且随着老化和低温会丧失塑性，无法起到流动止水的效果。国内的高面板坝采用的塑性填料大多为中国自主研发的GB或SR柔性填料，它们在变形性和粘接性、耐候性和耐久性以及抗击穿和抗渗性能等方面表现优异。根据“九五”攻关的试验研究成果，填量充裕的GB和SR塑性填料可以满足接缝张开5 cm、流程110 cm的接缝止水要求，且可以抵抗270.00 m水头压力不渗漏。GB和SR柔性填料的优良性能已在国内大量工程实践中得到检验，并且材料类型多样、技术指标明确，可以很好地满足面板接缝止水安全、可靠和经济的需要。

塑性填料的保护盖板一般采用三元乙丙橡胶等耐老化性能好的高分子防水材料制作，这种盖板需要用螺栓和扁钢固定在面板上。位于寒冷和严寒地区的工程，库区水面在冬季通常会形成冰盖，并随着库水位变化而发生移动。在这种情况下，由膨胀螺栓和扁钢压条组成的锚固体系由于接触不密实、削弱混凝土等原因，可能出现膨胀螺栓被冻结拔出而失去锚固功能的问题，保护盖板也可能会遭受冰盖的顶刺和撞击而被破坏，因此宜采用沉头螺栓以减小与冰盖的接触面积，并利用粘接力强、模量高的胶粘灌注料对锚固缝隙进行粘接和封堵［16］。此外，寒冷和严寒地区还会采用GB三元乙丙加筋盖板、复合胎基布聚脲涂层盖板等新型盖板以抵御冰盖的碰撞。由聚脲复合胎基布等材料构成的涂覆型盖板由于具有与面板粘接可靠、不存在锚固缝隙、不削弱面板等优点，近年来已在寒冷地区的面板坝工程中开始推广使用，在梨园、蒲石河抽蓄电站等工程中应用效果良好［17-18］。

为确保高面板坝接缝防渗的可靠性，许多工程在可能发生较大张开位移的周边缝表面又增设了一道无黏性自愈型止水，作为接缝防渗的最后防线。无黏性自愈型止水的原理是当其下部的止水失效后，渗透水流可将无黏性填料带往下游，并最终淤堵在周边缝底部的特殊垫层区，从而形成“自愈”效果，因此通常要求无黏性填料的粒径较小，且渗透系数小于特殊垫层料［19-20］。目前，大多数工程的无黏性填料采用的是粉煤灰（猴子岩、El Cajon、Aguamilpa、三板溪、洪家渡、卡基娃、滩坑、梨园面板坝），也有的采用粉细砂（天生桥一级面板坝）、重砂壤土（吉林台一级面板坝）等材料。

为使无黏性填料能够在渗透水流的带动下向下游淤填，同时又不会因为水位变动而流失，需要设置既透水又有反滤作用的保护罩，工程中大多采用内衬土工布的带孔金属片，如猴子岩、三板溪、洪家渡面板坝等。水布垭面板坝则直接采用土工布进行保护，土工布外设间距为1 m的钢条进行支撑。

3.2 垂直缝止水

绝大多数高面板坝的垂直缝设置顶部和底部两道止水，止水型式与周边缝类似，一般底部止水采用金属止水，顶部止水采用填料型止水，并分别与周边缝底部和顶部的止水连接，以形成封闭的止水体系。各道止水的具体结构及尺寸根据工程特点和垂直缝的变形控制标准进行设计。

面板垂直缝主要发生张开或压缩变形，设计时通常根据地形地质条件、数值计算成果，并结合工程经验，将垂直缝划分为张性垂直缝和压性垂直缝。张性垂直缝和压性垂直缝由于变形特点的不同，在止水设计中的侧重点也有所区别：张性垂直缝为适应较大的张开变形，通常底部和顶部止水的尺寸均较大；压性垂直缝由于其可能发生的多为压缩变形，故止水尺寸通常比张性垂直缝要小，且可适当简化其止水结构，如取消波形止水、减小塑性填料鼓包截面积等。根据三维有限元计算的结果，在周边缝附近一定范围内的垂直缝，在蓄水期会出现较大程度的张拉变形，因此一些工程会对这些区域内的垂直缝止水结构进行加强。例如，在张性垂直缝表面增设一道无黏性自愈型填料止水，针对压性垂直缝采用与张性垂直缝相同的止水结构和尺寸等。

由数值计算结果和工程实测数据可知，垂直缝在正常运行工况下的变形通常并不大，采用常规的止水设计可以满足适应变形的要求。垂直缝止水设计的重难点在于防止其发生挤压破坏，尤其是坝高较大或位于地震烈度较高区域的面板坝。在过去的面板坝设计中，为减少面板的位移，垂直缝一般均采用硬拼缝，缝内不设填充料。但近年来国内外不少高面板坝均出现了面板压性缝挤压破坏的现象，如天生桥一级、巴兰格兰德（Barra Grande）、坎普斯诺沃斯（Campos Novos）和莫霍尔（Mohale）等［21］。研究发现面板在接缝处的转动接触挤压效应是导致面板挤压破坏的主要原因［22-25］。为避免垂直缝发生挤压破坏，在接缝止水设计时常用的方法是设置部分柔性压缩缝，即在缝内设置具有一定强度、可压缩的嵌缝材料。但对于压缩缝的数量、位置、缝宽、嵌缝材料等尚未形成统一的规范，且在不断发展变化中。有的认为应连续设在面板中部受力最大处，有的认为应间隔设置数条，还有的认为应将压性垂直缝全部设置为柔性缝。国内外部分高面板坝的压缩缝设置情况见表3。

通常张性垂直缝可不设嵌缝材料，但垂直缝的拉压状态在设计阶段是很难准确判断的，尤其是在水位变动、地震等复杂荷载下，只能通过数值分析等手段来初步拟定张性和压性垂直缝的分布［26］。在一些工程实际运行过程中，原本按张性缝设计的垂直缝也出现了挤压破坏的现象。例如紫坪铺面板坝在经历了汶川大地震后，位于左坝肩附近的5～6号面板间垂直缝就发生了较为明显的挤压破坏［27］。另外，在面板浇筑过

程中，后浇块受到两侧先浇块的约束，也容易产生挤压裂缝［28］。考虑到垂直缝拉压状态的不确定性，以及先浇块对后浇块的约束作用，一些工程（如玉龙喀什水利枢纽）也开始考虑在所有垂直缝中均设置柔性嵌缝材料。

3.3 防浪墙水平缝止水

防浪墙与面板之间的水平接缝一般不承受水压力，它的变形主要来自防浪墙和面板的位移在施工及运行过程中的变化。根据中国设计规范和大量工程实践，防浪墙水平缝一般均设底部和顶部两道止水，底部为铜止水，顶部为塑性填料止水，并分别与垂直缝中对应的止水进行连接，以形成封闭的止水系统。由于防浪墙水平缝变形通常不大，长度相对较小，且具备检修条件，因此在确定止水尺寸时通常不会提出专门的变形控制标准作为设计依据，而是参照垂直缝的止水尺寸以及类似工程经验来进行设计。

4 接缝止水设计研究展望

4.1 表层止水结构创新

表层止水既是接缝止水结构中最直接承受库水压力的部分，也是下部止水失效后发挥堵漏作用的兜底措施，因此也成为接缝止水研究的焦点。研究人员针对不同工程的特点和需求对表层止水结构进行了改进和创新。例如，为防止严寒地区的冰冻破坏，研发了涂覆型、平覆型、下沉式、可压缩式等多种类型的表止水结构［16，29-32］；为了强化顶部止水效果、提升表止水可靠性，提出了在缝口组合橡胶棒上增加弧形封闭金属止水带等结构型式［33］。

4.2 简化止水结构

中国在接缝止水材料和结构的研发方面已取得大量的成果，达到国际先进水平，但最终还要通过良好的施工才能在工程实践中实现设计人员预期的止水效果。止水结构的复杂性、隐蔽性、精细性和易损性，导致因施工不当造成面板接缝止水失效的案例时有发生。例如，布西水电站面板坝接缝表层止水存在表层盖板与面板混凝土之间未粘紧密闭、局部塑性填料不饱满、三元乙丙盖板破损开裂等安装缺陷，导致大坝渗漏量较大［34］。为了提高接缝止水施工的可靠性，一方面是要简化止水结构、降低施工难度，例如将中部止水移至顶部，设计为波形止水带，以减小中部止水与混凝土浇筑振捣的施工干扰；采用表层涂覆型止水替代传统锚固螺栓及压条，以减少工序，提升表止水封闭可靠性；另一方面是要研发提升施工质量和效率的工艺和设备，例如止水异形接头整体成型技术、表层止水机械化施工技术等。

4.3 重视挤压破坏

众多工程经验表明，高面板坝面板在接缝处的挤压破坏已成为大坝防渗体系面临的最大威胁之一。为了防止面板挤压破坏，除了控制坝体变形、适当提高混凝土抗压强度、增加面板厚度、加强配筋以外，设计人员也对垂直缝的结构和嵌缝材料进行了研究。文献［21］通过数值模拟对不同接缝方案改善面板应力状况的效果进行了分析，建议工程中采用上软下硬的填缝材料。文献［35］设计了一种缩减三维变形的防挤压破坏面板堆石坝，并提出了与其微凸曲面面板配套的挤压区弧形缝、非挤压区梯形缝的构造。

4.4 重视止水耐久性和修复技术

面板接缝止水长期处于高水力梯度、干湿交替、日光曝晒、冰冻低温、水质侵蚀等恶劣环境作用中，接缝止水的耐久性直接影响到面板坝的耐久性。为此，研究人员对止水材料的耐久性开展了大量研究，如通过室内加速老化试验研究止水盖板的老化性能和使用寿命，通过冻融循环试验研究粘结体系的耐久性等［36］。对于新建工程，今后需重点关注接缝止水的耐久性设计和相应的工程措施；对于已建工程，需加快研发止水缺陷的检测和修复技术。

5 结 语

面板接缝止水是高面板坝防渗体系的重要组成部分，对高面板坝的安全稳定运行至关重要，也是面板坝设计中的重要内容。本文介绍了国内外接缝止水研究的进展，接缝变形控制标准的选取，以及接缝止水结构设计的基本思路和工程实践。目前接缝止水变形控制标准一般采用数值计算结果结合工程经验的方法进行确定，以此为依据确定的止水尺寸在基本工况下具有较大的安全裕度。表层填料止水及其保护盖板、垂直缝柔性嵌缝材料等是接缝止水结构设计的重点，已取得不少创新成果。

随着接缝止水设计理念和方法的日趋成熟，今后高面板坝接缝止水的设计重点研究方向为表层止水结构创新、简化止水结构以提高施工可靠性、防止挤压破坏、提高止水耐久性、止水修复技术等方面。这些创新成果可在抽水蓄能电站等工程的中高面板坝中加以应用和验证，并逐步向特高坝推广。

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（编辑：郑 毅）

Review on joint waterstops ded6sEYELpXkPogvXapuVzeQ==sign of high concrete face rockfill dams

YIN Ming1，2，HU Qingyi1，2，XIONG Zebin1，2，CHEN Xing1，2

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The joint waterstop is one of the key technical issues in the design of high concrete face rockfill dams （CFRD）.In this paper，the domestic and abroad research progress on waterstop design of high concrete face rockfill dams was reviewed.Focusing on deformation control standard and structure design of waterstops，we mainly summarized the basic ideas and engineering cases of waterstops design of CFRD in China.It was believed that determining the deformation control standard of joint waterstop by numerical calculation combined with engineering experiences was appropriate.The innovation achievements have been concentrating in the surface filling waterstop and its protecting cover plate，and the flexible waterstop materials in vertical joints.The follow-up research of joint waterstop will focus on the structural innovation and simplified design，anti-extrusion failure measures，durability improvement methods and repairing techniques.

Key words：

CFRD； joint waterstop； deformation control standard； design of waterstop structure