寒冷地区混凝土面板接缝表层止水破坏成因及新型止水结构

孙志恒1　李　季2　费新峰3　张思佳1

（1.中国水利水电科学研究院；2.国家电投集团青海黄河电力技术有限责任公司；3.青海黄河中型水电开发有限责任公司）

摘　要：本文介绍了建于寒冷地区的几座面板坝接缝表层止水破坏实例及成因。针对目前面板接缝表层采用锚固型止水结构容易出现冰冻破坏的现象，提出了面板接缝表层平覆型止水结构，即将SK手刮聚脲平铺在面板接缝的表面，与面板混凝土在同一个平面上。该结构已在青海纳子峡水电站和天津杨庄水库面板接缝表层止水中得到了应用。实践证明，面板接缝表层平覆型止水结构具有适应变形能力强、防渗效果好、耐老化、易于施工、美观的特点，可以有效避免库水结冰的影响，适用于寒冷地区混凝土面板堆石坝水位变化区面板接缝的表层止水。

关键词：寒冷地区；冰冻；面板接缝；平覆型止水

1　面板坝接缝表层止水破坏实例及成因分析

面板接缝表层止水结构普遍采用膨胀螺栓和扁钢压条将止水盖板锚固在混凝土面板和趾板上（简称锚固型）。但在寒冷地区冬季库区冰冻容易形成冰盖，因库水位的变化，冰盖会对面板接缝表层的锚固型止水体系产生较大的影响，甚至造成局部出现膨胀螺栓拔出而失去锚固功能的情况。

1.1　察汗乌苏水电站面板接缝止水情况

察汗乌苏水电站位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内的开都河中游，地处高寒地区，坝址区多年绝对最低气温为零下30℃，其中冬季11月至翌年2月平均气温均在0℃以下，水库冰封时段为12月至翌年4月。面板坝接缝采用锚固型止水结构，表层止水材料全部高出面板约10～30cm。进入冬季后寒冷山区水库库区表面开始结冰，靠近大坝附近冰厚度可达70cm，水库表面结冰以后冰与周围岩体、大坝面板以及面板上的止水紧密接触，库区表面完全封闭。受电网公司调度影响，察汗乌苏水电站冬季水位变化幅度最高可达20m，水位变化导致库水表面的冰面在自身重力和水的浮力作用下上下浮动。在水位抬高的过程中冰面因浮力向上抬升，同时，在冰层冻胀作用下向大坝方向顶推，冰层面板表面凸起接缝止水产生挤压作用，对止水造成挤压破坏；在水位下降的过程中冰面因自重下沉，靠面板一侧的冰块将搭在面板表面，在随着库水位大幅降落最终会折断，与库冰脱离后的冰块会匍匐在面板斜坡面上，冰块在自重作用下有沿坡面下滑的倾向，冰块对面板及止水产生向下的拉力，如果冰块下部附着尖利的树根等坚硬物体，会对止水造成拉裂破坏；如果水位下降的速率较快，冰面急剧破裂，部分暂时滞留在面板及止水表面的冰块将处于悬空状态，在失稳下滑过程中会对止水产生冲击和挤压，对止水造成砸压破坏。

1.2　黑泉水库面板接缝止水情况

黑泉水库拦河坝为混凝土面板砂砾石坝，坝高123.5m，混凝土面板周边缝长645.96m，面板与防浪墙间水平缝长438.6m，面板垂直缝40条。面板接缝均采用锚固型止水结构型式，运行12年来，面板接缝表层GB板损坏将日趋严重，且水位变化区损坏更为明显。检查发现，面板接缝部分GB板脱开或撕裂、扁铁压板撕裂变形、固定螺栓在冰块下滑力作用下被拔出或拉细拉长。主要原因是黑泉水库地处高寒地区，年冰冻期长达5个月以上，水库冰冻厚度达10m，扁铁、固定扁铁外露膨胀螺栓头、GB板与水库厚冰层结成密实的整体，在风浪的推动下撞击止水系统，当发电水位降低时，冰层下沉形成拉力，致使表面止水设施遭到破坏；扁铁、外露膨胀螺栓头、GB板与水库厚冰层结成密实的整体时，因水位反复涨落，造成膨胀螺栓机械性疲劳，随着时间的推移接缝止水锚固系统失效；GB板与面板表面未封闭，空隙中的冰长期、反复膨胀引起混凝土疏松，一定程度上导致膨胀螺栓失效，扁铁、GB板脱开。

1.3　柏叶口水库面板接缝止水情况

柏叶口水库位于山西省吕梁市交城县会立乡柏叶口村上游约500m的文峪河干流上，控制流域面积875km2，总库容9712万m3，是一座以城市生活和工业供水、防洪为主，兼顾灌溉、发电等综合利用的中型水利枢纽工程，主要由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和水电站等建筑物组成。水库大坝采用了混凝土面板堆石坝，最大坝高88.3m。2013年9月30日，通过下闸蓄水验收。水库坝址区冬季气候寒冷，多年平均气温10.1～12.5℃，极端最高气温37.5℃，极端最低气温-42℃。大坝蓄水后经两个冬季，在长期水位变化区域内（2m），面板接缝锚固型止水出现不同程度的损坏。具体表现为：螺栓被拉断，角钢被拉弯，加筋橡胶板表面被撕裂，伸缩缝内部分SR填料局部受损，容易产生渗水，失去了止水作用，危及大坝安全运行。

另外，新疆和田河乌鲁瓦提水电站混凝土面板坝、大西沟水库混凝土面板坝等都出现过冰冻造成的止水结构局部破坏现象。由于面板接缝的止水结构体系在大坝的安全运行中占有重要地位，运行管理单位每年都要投入大量的费用对其进行修复。因此，研究适应寒冷地区气候特点的面板坝接缝表层止水结构，对提高大坝安全运行至关重要。

2　面板接缝表层新型止水结构

面板接缝表层新型止水结构——平覆型止水结构。SK手刮聚脲作为表层止水材料具有拉伸强度高、延伸率大、与基础混凝土黏结好、耐老化性能好、耐冲击性能好等特点。为了减小冰冻对锚固螺栓的影响以及冰层对锚固螺栓的冻胀拉拔力，文献[4]提出了面板接缝表层涂覆型柔性止水结构，即将SK手刮聚脲涂覆在柔性填料和混凝土面板表面，通过SK手刮聚脲与混凝土面板之间的良好粘接来替代锚固型止水结构中的锚固螺栓及压条，该结构既可作为一道独立表层止水，又可保护下部柔性填料，是一种能对面板接缝实行有效全封闭的柔性表层止水技术。但面板接缝表层涂覆型柔性止水结构仍为凸起形式，受结冰时冰层挤压作用及库水位下降时，冰层下滑拖曳等综合作用的影响，仍然会造成SK手刮聚脲下部的柔性填料挤压变形。面板接缝表层新型止水结构见图1，称为“平覆型止水结构”。为了减小面板表面结冰及化冰时，冰对接缝表层止水的破坏，该结构将面板接缝表层涂覆型柔性止水结构中凸起的形状改为平覆型，即将SK手刮聚脲平铺在GB柔性填料表面，与面板混凝土表面在同一平面，这样就可以有效地避免库水面结冰对面板接缝表层止水结构的影响。图1中V形槽顶部的GB柔性填料宽度为L，V形槽两侧的SK手刮聚脲与面板混凝土之间设置柔性胶结层L1和刚性黏接层L2，柔性胶结层L1是为了延长SK手刮聚脲的可参与变形的宽度。对于压性缝，L1取零；对于张性缝，最大张开位移Δ与坝高有关，一般L1取0～25cm。刚性黏结层宽度L2是为了保证SK手刮聚脲与面板混凝土黏结牢固的黏结在一起，要求L2≥20cm。

SK手刮聚脲在GB柔性嵌缝填料表面的涂覆厚度与库水位变化区的最大水位差有关，最大水位差小于20m时，SK手刮聚脲涂覆厚度为4mm；最大水位差20～50m时，SK手刮聚脲涂覆厚度为5mm；最大水位差50～100m时，SK手刮聚脲涂覆厚度为6mm。

3　平覆型止水结构应用实例

3.1　纳子峡水电站面板接缝表层止水破坏修复

纳子峡水电站位于青海省门源县，地处高海拔严寒地区，是大通河流域水利水电规划的13个梯级中第4座水电站。水库大坝为趾板修建在覆盖层上的混凝土面板砂砾石坝，最大坝高117.60m，坝顶长度416.01m。2016年4月中旬，坝前冰盖消融后对水库水面（水位高程3192.00m）以上面板进行检查，发现接缝表面止水塑性填料不饱满，变形较为严重；防渗保护盖片存在沿两侧固定端撕开破损现象（见图2）。面板接缝表面止水冬季水位变幅区破损原因主要是因为冬季面板上结冰形成冰盖，随库水位下降大坝面板接缝表面止水受冰层挤压、下滑拖曳等综合作用影响下出现变形和破损。

2017年采用了平覆型止水结构对水位变化区的面板接缝表层止水进行了全部更换。施工步骤为：剔除水位变化区接缝表层的压条、盖板及下部的塑性填料；接缝两侧混凝土表面打磨各30cm宽；V形槽内重新安装橡胶棒，并用GB柔性填料将V形槽填平，GB柔性填料表层宽L=15cm；压性缝两侧混凝土表面涂刷25cm（L2）宽的刚性界面剂，L1为零，刚性界面剂表干后涂刷厚4mm的SK手刮聚脲，聚脲中间复合了一层胎基布；张性缝两侧混凝土表面涂刷25cm（L2）的刚性界面剂和5cm（L1）的柔性界面剂，柔性界面剂的黏结强度与GB柔性填料相当，刚性界面剂表干后涂刷厚5mm的SK手刮聚脲，聚脲中间复合一层胎基布。施工现场见图3，施工后的情况见图4。

2018年对处理后的面板接缝进行了检查，运行一年后水位变化区面板接缝表层止水结构无破损现象，平覆型止水结构抗冰破坏的效果显著（图5）。

3.2　杨庄水库面板接缝表层止水破坏修复

杨庄水库位于天津蓟县，挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，由于冬天结冰，在冰拔的作用下造成水位变化区内面板接缝表层锚固型止水破坏（图6）。

2013年采用了平覆型止水结构对水位变化区的面板接缝表层止水进行了全部更换处理。由于该面板运行时间较长，面板接缝变形已趋于稳定，随温度变化面板接缝变形量较小，张性缝与压性缝均取L1为零。

施工工艺为：剔除面板接缝破损区的盖板及钢板压条，接缝两侧混凝土面及盖板接头打磨，接缝中间嵌填GB柔性填料基本与面板齐型，接缝两侧混凝土表面涂刷潮湿混凝土界面剂，与上下卷材搭接部分盖板接头表面涂刷BU界面剂，涂刷厚4mm的SK手刮聚脲，并SK手刮聚脲中间粘贴了一层胎基布。其修复后的情况见图7，运行两年后的情况见图8。目前经过5个冬天的运行考验，SK手刮聚脲与原盖板和接缝两侧混凝土基面黏结良好，水位变化区面板接缝表层止水无冰冻破损情况。

4　结语

通过对纳子峡水电站和天津杨庄水库水位变化区混凝土面板接缝止水全面更换为平覆型止水结构的运行结果表明，面板接缝表层平覆型止水结构具有表面防护可靠、适应变形能力强、防冰拔及冰冻胀挤压、防渗效果及耐久性好、易于施工、美观、经济效益显著等优势，适用于严寒地区混凝土面板堆石坝水位变化区面板接缝表层止水，可以有效防止冰拔或冰冻胀挤压引起的表层止水破坏，大大提高了面板接缝止水的可靠性，并且便于维修，值得推广应用。

参考文献

[1] 魏祖涛，张佳，李志军.寒冷地区面板坝接缝止水防冻害研究.西北水电，2014（6）.

[2] 马正海.混凝土模板接缝GB板损坏原因分析及处理措施.高坝建设与运行管理的技术进展——中国大坝协会2014年学术年会论文集.郑州：黄河水利出版社，2014.

[3] 张朝辉.柏叶口水库混凝土面板堆石坝接缝止水破坏修复技术应用.中国水能及电气化，2015（9）.

[4] 孙志恒，邱祥兴，张军.面板坝接缝新型防护盖板止水结构试验.水力发电，2013，39（10）：93-96.