阿爾塔什面板堆石壩銅止水表面保護(hù)材料研究

高 飛，何旭升，徐 耀，魯一暉，郝巨濤

(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；3.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

阿爾塔什水利樞紐工程是一座在保證向塔里木河干流生態(tài)供水目標(biāo)的前提下，承擔(dān)防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的大(1)型Ⅰ等工程。工程由攔河壩，1#、2#表孔溢洪洞，中孔泄洪洞，1#、2#深孔放空排沙洞，發(fā)電引水系統(tǒng)，電站廠房，生態(tài)基流引水洞及其廠房，過魚建筑物等主要建筑物組成?？値烊?2.49億m3；電站裝機(jī)容量755MW。

阿爾塔什水利樞紐工程主河床布置混凝土面板砂礫石堆石壩，壩軸線全長795.0m，最大壩高164.8m。面板壩直接建造于河床深厚覆蓋層上，覆蓋層最大厚度94m。大壩加上可壓縮覆蓋層深度，總高度達(dá)258.8m，超過世界上已建成最高233m的水布埡面板壩，為300m級高面板壩，其壩基、大壩及各部位變形協(xié)調(diào)和控制問題更為突出。特別是混凝土面板接縫交匯處的銅止水異型接頭、深覆蓋層地基防滲處理方案中趾板與防滲墻之間的連接板等部位是大壩防滲系統(tǒng)容易變形和破壞的薄弱環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到整個防滲系統(tǒng)和大壩的安全。因此，為了增強(qiáng)阿爾塔什高混凝土面板堆石壩銅止水異型接頭以及趾板與防滲墻之間連接板的防滲安全性，本文開展了表面保護(hù)材料的防滲性能試驗(yàn)研究，為大壩防滲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 銅止水異型接頭表面保護(hù)材料研究

1.1 概述

因混凝土面板接縫存在交匯點(diǎn)，導(dǎo)致對應(yīng)的接縫銅止水存在異型接頭：L型接頭、T型接頭和十型接頭。接縫交匯點(diǎn)是面板變形較大，且變形模式最復(fù)雜的區(qū)域；由于銅鼻交匯導(dǎo)致的互鎖與約束作用，相對于直線段銅止水而言，異型接頭銅止水的適應(yīng)變形能力極差。當(dāng)接縫發(fā)生變位時，銅止水異型接頭發(fā)生破壞的可能性很大，嚴(yán)重影響了面板底部銅止水的安全性和可靠性。為了保證銅止水異型接頭即使出現(xiàn)開裂也不發(fā)生滲漏，開展銅止水異型接頭的填料井防滲性能試驗(yàn)，模擬銅止水異型接頭出現(xiàn)裂縫的狀況下，采取GB塑性填料保護(hù)層在銅止水裂縫張開情況下的防滲抗水壓性能。

表1為已建200m級面板壩周邊縫變形監(jiān)測成果，折合等效最大張開位移6.9～47.5mm。等效張開位移c等于張開位移a和沉陷位移b的平方和之根，定義如圖1所示。考慮到阿爾塔什大壩最大壩高164.8m，覆蓋層深度94m，大壩加上可壓縮覆蓋層深度，總高度達(dá)258.8m，超過最高233m的水布埡面板壩。在水布埡面板壩折合等效最大張開位移47.5mm基礎(chǔ)上考慮1.1倍的放大系數(shù)(258.8/233)，即52.25mm。所以在試驗(yàn)中，阿爾塔什面板壩銅止水裂縫寬度最大值按5cm考慮。

表1 壩體周邊縫變形監(jiān)測成果統(tǒng)計(jì)表

圖1 銅止水變形簡化模型

1.2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

試驗(yàn)在澆筑于Ф50cm鋼圓桶中的混凝土面上進(jìn)行，混凝土厚為10cm，混凝土面中心預(yù)留有長30cm、寬5cm的通縫(如圖2所示)；受鋼圓通高度限制，GB塑性填料保護(hù)層厚取15cm。換句話說，本試驗(yàn)研究在5cm寬、30cm長、10cm深的銅止水裂縫上，15cm厚的GB塑性填料保護(hù)層在水壓力作用下的流動嵌縫效果，并與阿爾塔什面板壩最大水壓1.65MPa進(jìn)行比較。

圖2 模擬銅止水破壞裂縫模型

將GB塑性填料覆蓋粘貼在銅止水表面。按照0.1MPa/0.5h的速率施加水壓力，水壓加至1.7MPa，觀察GB塑性填料的流動嵌縫狀況。試驗(yàn)結(jié)果表明，逐漸加壓至1.7MPa后保壓18h，未滲漏；繼續(xù)加壓至2.5MPa，仍未滲漏。GB塑性填料嵌填了整個5cm寬、10cm深的裂縫，發(fā)揮了止水作用，保證了銅止水的防滲安全。GB塑性填料在加壓前和加壓后的照片分別如圖3—4所示。

圖3 GB塑性填料加壓前

圖4 GB塑性填料加壓后

由上述試驗(yàn)可知，當(dāng)接縫變位導(dǎo)致銅鼻交匯點(diǎn)應(yīng)力集中撕裂后，GB塑性填料可以淤堵裂口，起到止水作用，保持底部銅止水防滲體系的完整性。在進(jìn)行混凝土澆筑時，可先用GB塑性填料將銅鼻交匯點(diǎn)包裹，這樣在澆筑混凝土后，就會在面板混凝土內(nèi)形成GB塑性填料井。因銅止水的兩翼平段尺寸為20cm，所以GB塑性填料井以銅鼻交匯點(diǎn)為中心，設(shè)為半徑20cm的圓柱體比較合適，圓柱體高度(GB塑性填料的厚度)為銅鼻頂部以上20cm。對于水位變動區(qū)以上的面板，由于接縫變形較小，同時，面板厚度也較薄，GB塑性填料井的半徑與高度可以適當(dāng)降低，半徑設(shè)為15cm，高度為銅鼻頂部以上15cm。

2 趾板與防滲墻之間連接板表面保護(hù)材料研究

2.1 概述

為了確定性價比高且便于施工的趾板與防滲墻之間連接板表面保護(hù)材料，開展了連接板表面保護(hù)材料的防滲性能試驗(yàn)，具體研究了復(fù)合土工膜、GB復(fù)合三元乙丙板、聚脲復(fù)合GB板、聚脲復(fù)合胎基布等4種保護(hù)材料(見表2)，進(jìn)行了室內(nèi)迎水面防滲抗水壓試驗(yàn)，模擬連接板出現(xiàn)裂縫的狀況下，不同的保護(hù)材料在混凝土基材裂縫張開情況下的防滲抗水壓性能。

表2 連接板表面保護(hù)材料列表

2.2 試驗(yàn)過程

復(fù)合土工膜、聚脲復(fù)合GB板、GB復(fù)合三元乙丙板等3種材料試驗(yàn)采用防滲抗水壓裝置，如圖5—6所示。試驗(yàn)步驟為：①試驗(yàn)在澆筑于Ф50cm鋼圓桶中的混凝土面上進(jìn)行，混凝土厚≥10cm，混凝土面中心預(yù)留有長30cm、寬5mm的通縫。②將防滲止水材料按照圖5所示尺寸黏貼在混凝土面上。③按照0.1MPa/0.5h的速率施加水壓力，水壓加至1.7MPa后保壓18h；繼續(xù)加壓至2.5MPa，試驗(yàn)結(jié)束。

圖5 防滲抗水壓試驗(yàn)儀示意圖(單位：mm)

圖6 防滲抗水壓裝置實(shí)體照片

聚脲復(fù)合胎基布試驗(yàn)采用抗?jié)B試驗(yàn)儀，見圖7。試驗(yàn)步驟為：①圓盤上預(yù)留一條15cm長、最大張開3mm寬的縫。首先將圓盤縫隙置于封閉位置，周圍縫隙用透明膠帶黏貼密封。②先在鋼圓盤表面涂界面黏結(jié)劑，室溫下約4h界面劑表干。一布兩涂：在界面劑上涂一層SK單組分聚脲，貼一層胎基布，約3h后再涂一層聚脲將胎基布完全覆蓋，總體厚度約3mm。兩布三涂：在界面劑上涂一層SK單組分聚脲，貼一層胎基布，約3h后再涂一層聚脲將胎基布完全覆蓋，再貼一層胎基布，約3h后再涂一層聚脲將胎基布完全覆蓋，聚脲用量控制總體厚度約4mm和5mm。以上試件室溫養(yǎng)護(hù)14d。每種厚度做2塊。③將試件裝在抗?jié)B儀上，將鋼圓盤封閉的縫隙張開3mm。④按照0.1MPa/0.5h的速率施加水壓力，水壓加至1.7MPa后保壓18h；繼續(xù)加壓至2.5MPa，試驗(yàn)結(jié)束。

圖7 抗?jié)B試驗(yàn)儀實(shí)體照片

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1復(fù)合土工膜

試驗(yàn)選用短纖針刺非織造/聚乙烯PE復(fù)合土工膜，一布一膜，PE膜厚1.0mm，短纖非織造布300g/m2。該復(fù)合材料具有抗穿刺強(qiáng)度高、延伸性能好、變形模量大、抗腐蝕、防滲性能好等特點(diǎn)。材料基本性能見表3。為了提高PE膜與混凝土基材的黏貼、附著性能，試驗(yàn)在裂縫周圍采用2mm厚GB膠貼于基材混凝土和PE膜之間，既起到固定PE膜的作用，又防止水從模型邊緣繞滲。試驗(yàn)水壓加至1.7MPa后保壓18h，未滲漏；繼續(xù)加壓至2.5MPa，仍未滲漏。試驗(yàn)照片如圖8所示。

表3 復(fù)合土工膜性能表

圖8 復(fù)合土工膜壓水試驗(yàn)

2.3.2聚脲復(fù)合GB板

采用SK單組分聚脲。試驗(yàn)首先在5mm縫隙附著上2mm厚GB板，覆蓋住裂縫，然后在混凝土基材上涂刷SK單組分聚脲，貼胎基布，再涂刷一層SK單組分聚脲，總體厚度2mm。SK單組分聚脲性能見表4。試驗(yàn)水壓加至1.7MPa后保壓18h，未滲漏；繼續(xù)加壓至2.5MPa，仍未滲漏。試驗(yàn)照片如圖9所示。

表4 SK單組分聚脲性能表

圖9 聚脲復(fù)合GB板壓水試驗(yàn)

2.3.3GB復(fù)合三元乙丙蓋板

GB復(fù)合三元乙丙蓋板采用2mmGB膠復(fù)合3mm三元乙丙片材，該材料與混凝土基材黏附性好，整體具有優(yōu)異的抗?jié)B及耐老化性能。材料基本性能見表5。試驗(yàn)直接將GB復(fù)合三元乙丙蓋板附著在混凝土基材上，周邊用GB膠密封。試驗(yàn)水壓加至1.7MPa后保壓18h，未滲漏；繼續(xù)加壓至2.5MPa，仍未滲漏。試驗(yàn)照片如圖10所示。

表5 GB復(fù)合三元乙丙蓋片性能表

圖10 GB復(fù)合三元乙丙蓋板壓水試驗(yàn)

2.3.4聚脲復(fù)合胎基布

在模擬裂縫圓盤縫面分別涂覆3、4、5mm的聚脲復(fù)合胎基布。養(yǎng)護(hù)14d后進(jìn)行抗?jié)B抗水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時張拉裂縫寬度至3mm，按照0.1MPa/0.5h的速率施加水壓力，水壓加至1.7MPa后保壓18h；然后繼續(xù)加壓至2.5MPa，3種厚度的試件均未出現(xiàn)破壞，試驗(yàn)結(jié)果見表6。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚脲復(fù)合胎基布材料在裂縫張開3mm狀態(tài)下，具有優(yōu)異的防滲抗水壓性能，滿足工程要求。

表6 聚脲復(fù)合胎基布變縫壓水試驗(yàn)結(jié)果

2.4 連接板保護(hù)材料比較分析

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合土工膜、聚脲復(fù)合GB板、GB復(fù)合三元乙丙板、聚脲復(fù)合胎基布等4種保護(hù)材料的本體防滲抗水性能均滿足阿爾塔什工程要求。此外，調(diào)研了澆筑式瀝青混凝土的物理力學(xué)特性，結(jié)合瀝青混凝土面板工程實(shí)例[2]，可以得出澆筑式瀝青混凝土材料的本體防滲抗水性能可以滿足阿爾塔什工程要求。

表7從施工工藝和特點(diǎn)兩方面對復(fù)合土工膜、聚脲復(fù)合GB板、GB復(fù)合三元乙丙板、聚脲復(fù)合胎基布、澆筑式瀝青混凝土等五種保護(hù)材料進(jìn)行對比，為工程選擇提供參考。綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素，推薦采用施工工藝簡單、質(zhì)量易保證、防滲效果最好的聚脲復(fù)合GB板方案或聚脲復(fù)合胎基布方案。

表7 連接板保護(hù)材料比較分析表

3 結(jié)論與建議

為了增強(qiáng)阿爾塔什水利樞紐工程混凝土面板堆石壩銅止水異型接頭以及趾板與防滲墻之間連接板的防滲安全性，本文開展了表面保護(hù)材料的防滲性能試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論與建議：

(1)在15cm厚GB塑性填料的保護(hù)作用下，5cm寬、30cm長、10cm深的銅止水裂縫在2.5MPa的水壓力作用下不發(fā)生滲漏。GB塑性填料井可以淤堵銅止水異型接頭處的裂口，起到止水作用，保持底部銅止水防滲體系的完整性。建議阿爾塔什面板壩采用15～20cm高的GB塑性填料井對銅止水異型接頭進(jìn)行柔性外防護(hù)。

(2)經(jīng)過趾板與防滲墻之間連接板保護(hù)材料基本性能的調(diào)研及篩選，對4種典型材料進(jìn)行了防滲抗水壓模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：復(fù)合土工膜、聚脲復(fù)合GB板、GB復(fù)合三元乙丙板、聚脲復(fù)合胎基布等4種保護(hù)材料的本體防滲抗水性能均滿足工程要求；此外，經(jīng)過調(diào)研分析，澆筑式瀝青混凝土材料的本體防滲抗水性能同樣可以滿足阿爾塔什工程要求。綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素，推薦采用施工工藝簡單、質(zhì)量易保證、防滲效果最好的聚脲復(fù)合GB板方案或聚脲復(fù)合胎基布方案。