寒冷地区混凝土面板堆石坝止水结构及配套施工技术研究.pdf

第 3 8卷第 5期 2 0 1 2年5 月 水 力 发 电 寒 冷 地 区 涅 凝 土 面 板 堆 眉 坝 止 水 结 构 及 配 套 狍 工 技 术 研 究 景健伟 ，雷秀玲 ，李艳 萍 ，黄如卉 ，李 中田，王 锐 ( 中水 东北勘测设 计研 究有 限责任公司 ，吉林长 春1 3 0 0 2 1 ) 摘 要：结合蒲石河抽水蓄能 电站工程 ，进行 了寒冷地 区混凝 土面板 堆石 坝面板止水结 构及 配套施工技术研究 ，根 据试验结果推荐面板混凝土变形缝采用加筋复合三元 乙丙橡 胶板 作为止水 盖板 ，镀 锌扁 钢或挂胶扁钢做为压板 ，并 优化 了锚 固螺栓结构 、间距及压条扁钢预 留孔形状 ，浇筑 面板混 凝土 时采用 预留止水盖 板下 卧槽并预埋锚 固螺母的 施工工艺 。 目前该成果 已成功应用 于蒲石河抽水 蓄能电站混凝土面板坝施工中 ，其研究成果 可为寒冷地 区面板坝止 水结构 的设计及施工提供科学依据 。 关键词 ：面板堆石坝 ；止水结构 ；施工技术 ；蒲石河抽水蓄能 电站 S t u d i e s o n W a t e r S t o p S t r u c t ur e o f CF RD i n Cl o d Re g i o n a n d Co mp l e t e C0 n s t l u c t i O n Te c h n o l o g i e s J i n g J i a n we i ， L e i Xi u l i n g ， L i Ya n p i n g ， Hu a n g Ru h u i ， L i Z h o n g t i a n ， Wa n g Ru i f C h i n a Wa t e r N o r t h e a s t I n v e s t i g a t i o n ， D e s i g n a n d R e s e a r c h C o ， L t d ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 1 ， J i l i n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ta k i n g a c c o u n t o f t h e C F RD e n g i n e e ri n g i n P u s h i h e P u mp e d s t o r a g e P o we r S t a t i o n ，t h e wa t e r s t o p s t r u c t u r e o f c o n c r e t e f a c e s l a b a n d c o mp l e t e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g i e s a r e s t u d i e d B a s e d o n t h e e x p e rime n t a l r e s e a r c h e s ， t h e r e i n f o r c e d c o mp o s i t e E PD M ru b b e r s h e e t i s s u g g e s t e d a s wa t e r s t o p c o v e r o f s l a b c o n c r e t e d e f o r ma t i o n c r a c k s ， a n d g a l v a n i z e d fl a t s t e e l o r h a n g i n g p l a s t i c fla t s t e e l a s c l i p p l a t e T h e a n c h o r b o l t s t r u c t u r e a n d s p a c i n g a n d t h e s h a p e o f s t e e l c l i p p l a t e r e s e r v e d h o l e a r e a l s o o p t i mi z e d D u r i n g t h e p o u r i n g o f s l a b c o n c r e t e ，t h e s l o t s u n d e r wa t e r s t o p c o v e r s a r e r e s e r v e d a n d t h e a n c h o r n u t s a r e p r e e mb e d d e d T h e s e a c h i e v e me n t s h a v e b e e n s u c c e s s f u l l y u s e d i n t h e c o n s t ruc t i o n o f CF RD i n P u s h i h e P u mp e d - s t o r a g e P o we r S t a t i o n ，a n d c a n p r o v i d e a s c i e n t i f i c b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t ru c t i o n o f wa t e r s t o p s t ruc t u r e o f C F RD i n c o l d r e g i o n s Ke y W o r d s ： c o n c r e t e f a c e r o c k fi l l d a m； wa t e r s t o p s t ruc t u r e ； c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y ； P u s h i h e P u mp e d - s t o r a g e P o w e r S t a t i o n 中图分类号： T V 6 4 0 3 4 ； T V 6 4 1 4 3 ( 2 3 1 ) 文献标识码 ： A 文章编 号： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 2 1 0 3 1 工程概况 蒲 石 河 流 域 地 处 辽 宁 省 东 部 ，属 温 带 湿 润 东 亚 季 风 气 候 区 。 冬 季 受 西 伯 利 亚 、蒙 古 高 压 控 制 ，盛 行 西 风 或 西 北 风 ， 天 气 寒 冷 干燥 。 多 年 平 均 封 汀 日 期 为 l 1月 2 9 日，多年 平 均 开 汀 日期 为 3月 2 3日 ， 河 流 的 稳 定 封 冻 期 约 4个 月 ，实 测 最 大 冰 厚 0 7 7 1 流 域 多 年 平 均 气 温 6 6 ，极 端 最 高 气 温 3 5 0 c lC， 极 端最 低气 温一 3 8 5 ，最大 冻土 深 1 3 2 I n，属严 寒 地 区 。 蒲 石 河抽 水 蓄能 电 站上 水 库 的挡 水 建 筑 物 为钢 筋 混 凝 土 面板 堆 石 坝 ，坝 顶 高程 3 9 5 5 0 m，最 大 坝 高 7 8 5 In，坝 顶 宽 l O m，全 长 7 1 4 I n，钢 筋 混 凝 土 面 板 坝 上 、 下 游 坡 比 均 为1 ： 1 4 。 下 游 坝 坡 外 为 “ 之 ”字 形上 坝公路 。 蒲 石河 抽 水 蓄 能 电站 上 水库 正 常 蓄 水 位 3 9 2 0 0 i n，死 水 位 3 6 0 0 0 1 T I ，每 天 水 库 水 位 陡 降 、陡升 最 大 落 差 达 3 2 In，面 板 堆 石 坝 冬 季 运 行 与 检 修 受 冰 冻 影 响较 常 规 电站 更 为严 重 而 面板 结 构缝 又 是 大坝 防 渗体 系 中的最 薄 弱环 节 ，冈此 ，必 须保 证其 结构 设 计可 靠 。本 文从 止水 盖 板 、锚 固螺 栓 、压 条 材料 的选材 及结 构 设 计 等方 面 结 合寒 冷 地 区特 点 开 展优 收稿 日期 ：2 O 1 2 O 3 0 1 作者 简介 ：景健 伟( 1 9 6 4 一 ) ，男 ，吉林 四平人 ，高级 工 程师 主要从事 水利水 电工程设 计工作 W a e r P o w e r V o 1 3 8 N o 5 圃 小 J，叉 电 2 0 1 2 2 #5 化 研究 ，为寒 冷 地 区 面板 堆 石坝 止水 结 构设 计 及 施 工 提供 配套技 术 。 2 止水盖板优化 止 水 盖板 作 为 整个 止 水结 构 的表 面 覆 盖物 对 其 下 面嵌 缝 密封 材 料 、止 水棒 等 止水 材 料 起着 重 要 的保护 作用 ，因此止水 盖板 不仅 应具有 良好 的弹性 ， 还应兼 具耐 老化 、拉伸 强度 高 、延伸率 大 、耐冻融 、 耐腐 蚀 、耐 撕 裂及 耐 冲击 等 性能 。东北 地 区早 期 的 面板堆 石坝 一般 采用 三元 乙丙橡 胶板 ，但 效 果一般 。 在黑 龙 江莲 花 、吉 林省 小 山 、河 北 丰宁 等 水 电站 的 面板 坝 面层 止水 结 构修 补 加 固 中 均采 用 了加 筋 复 合 三元 乙丙 橡胶 板 作 为 面板 面层 止 水 盖板 经过 多 年运行 ，效 果较 好 。 通 过 对 3个 不 同 厂 家 生 产 的 加 筋 和 不 加 筋 三 元 乙丙橡 胶 板进 行性 能 试 验表 明 止 水 盖 板是 否加 筋 对 断裂 拉 伸强 度 、扯 断伸 长 率 影 响较 大 。加 筋 盖板 在 防重 物 冲击 、防冰 推撕 裂 等抗 冲击性 能方 面要 明 显优 于 不 加筋 盖板 因此 ，对 于蒲 石河 上水 库混 凝 土 面板 坝面层 止水结 构 ，推荐采 用加 筋止 水盖 板 。 加 筋 复合 三 元 乙丙 橡胶 板 盖 板结 构 形 式为 ：盖 板 总厚 度 8 mm为提 高止水 盖板 抗老化性 能 ，盖板 表 面采 用 2 mm 厚 的三元 乙丙 橡胶 与 6 mm厚 天然 橡 胶 复 合 ，在 橡胶 板 内部 加 入两 层 网状尼 龙 布 ，形 成 两布 三胶式 加筋 复合 三元 乙丙橡 胶板 。 3 止水盖板上下端头连接工艺研究 受材 料 运输 及 工 程施 工 实 际情 况 的影 响 ，常常 需 要在 现 场进 行止 水 盖板 连 接 。而 端 头 的连 接 质量 直 接关 系 到橡 胶 盖板 的止水 性 能 、防护性 能 及 长期 耐 久性 能 。橡 胶 止水 盖 板端 头 粘 接工 艺 分 为冷 粘法 和热 粘法 ，合 理 确定 粘 接 工艺 对 于保 证 端 头连 接 质 量 尤 为 重 要 。 冷 粘 施 工工 艺 为 ：将 两块 橡 胶板 接 头 预粘 部 位 进 行 打 磨 ， 各 保 留胶 板 原 厚 度 的 一 半 。 清 洗 胶 板 受 粘面 干燥 后涂 刷胶粘 剂粘 接 。 热粘施 工工 艺 为 ：将在 温度 为 5 0左右 条 件下 预 热 的橡胶 止 水盖 板 端 头水 平放 入 预 热后 的 硫化 器 内 在 止水 盖 板端 头 中间处 放 人 生橡 胶 ，用 测 力扳 手 拧 紧 加 压 螺 栓 ，压 强 达 到 1 5 MP a左 右 后 再 加 热 加 压 板 使 其 温 度 升 至 1 5 0 ，持 续 夹 持 约 2 0 mi n ( 根据 生橡胶 的硫 化速 度而定 )直 至粘接 牢 固 ，然后 松 开硫 化 器 的 紧固螺 栓 ，把橡 胶 止水 盖 板从 硫 化 器 中取 出 自然冷 却 至 常温 后 即完 成 粘接 。热粘 连 接 工 艺可 采用 错 台单 层硫 化 和多层 咬合搭 接两种 方式 。 止 水 盖 板 接 头性 能 检 验 结 果 见 表 1 。试 验 结 果 匿曩 e r P o e r V o f 3 8 N o 5 显示 ，采用 冷 粘 工艺 时橡 胶 止水 盖 板接 头抗 拉 强 度 较 低 ， 与 母 材 强 度 之 比 为 0 4 0， 不 满 足DI J T 5 2 1 5 -2 0 0 5 水 工 建 筑物 止 水 带技 术 规 范 止 水 带 接 头 强 度 与 母 材 强 度 之 比不 小 于 0 6的技 术 要 求 ； 采 用 热 粘 工 艺 时 ，错 台 单 层 硫 化 及 多 层 咬 合 搭 接 硫 化 的接 头与母 材 强 度之 比分 别 为 0 6 3和 1 0 0，均满 足规 范 要求 ；多 层 咬合搭 接 硫化 粘 接 技术 能 够减 小 或避 免 接 头强 度 损失 ，保 证 橡 胶止 水 盖板 的整体 质 量 表 1 止水盖板接 头性能检验结果 4 锚固螺栓结构优化 锚 固螺 栓分 为 螺套 和 螺 杆 两个 组 成部 分 。在 原 止 水结 构 中 螺 套 外表 面棱 台过 多 、螺 孔设 计 深 度 大 ，不 仅 加 工难 度 大 、生产 成 本 高 ，而 且 在实 际 施 工 时 螺 杆 不 易 完 全 拧 入 螺 套 因 此 通 过 试 验 研 究 及 施 工模 拟 。对锚 固螺 栓结 构 做 如下 优化 ： 缩 短 螺 杆长 度 ； 简 化螺 套 外表 面 棱 台结 构 ； 减 小螺 套 的螺 孔 深 度 。优 化 后 的锚 固螺 栓 结 构 见 图 1 ，正 常 浇筑 面 板 混凝 土采 用 结 构一 ：预 留止水 盖板 下 卧槽 并 预埋 锚 固螺母 浇筑 面板混 凝土采 用结 构二 。 a结构一 b结构二 图 1 优化后 的锚 固螺栓结构( 单位 ：l T l l n ) 5 锚固螺栓间距及压条扁钢预留孔形状优化 在 原 止 水结 构 中 ，锚 固螺 栓 间 距 为 1 5 C lT I ，扁 钢 压 板预 留孔形 状 与平 头 螺 栓顶 部 完全 吻 合 ，对 螺 套埋 设 具有 较 高 的精 度 要求 考 虑 到 止水 施 工混 凝 土 面平 整度 差 异 ，将 锚 固螺 栓 间距 做适 当调 整 ，以 降低 加 压钢 板 弹性 形 变恢 复 对锚 固螺 检产 生 的拉 拔 力 。但 在 实 际施 工 中 ，锚 固螺 栓 螺套 的埋 设 位 置常 存在 不 同程 度 的偏移 ，难 以达 到 预期 效果 。结 合莲 花 、丰宁 等水 电站 面板 坝 止水 结 构修 补 工程 实 际应 身弓j 右 秸 ) 灵 丹 京 1 连 1 币 ， 守： 墨 庸 J E B 庚 疋上 旧U 似J住 1 = 上 L小 皆 G 最 加 上 报 小 研 用 经 验 ，对 锚 固螺 栓 间 距 及压 条 扁 钢 预 留孔 形 状优 化 如下 ： 将 锚 固螺 栓 间距 南 1 5 c m调 整 为 2 0 c m； 将 扁钢 预 留 孔形 状 设 计 为椭 圆形 。具 体 尺 寸 及 间 距 见 图 2 。 厂、 一 、 一 【 l L 呈 f l， 2 0 0 图 2扁钢压板预留子 L 位置示意 ( 单位 ：i n ll 1 ) 6 止水结构室外冰冻模拟验证 冰 与 材 料 的 冻 结 强 度 越 小 ，冰 在 材 料 表 面 的 粘 附 力 越 小 材 料 越 不 易 被 破 坏 。 冰 与 界 面 的 冻 结 强 度 与界 面材 料 有 关 ，冈此 进 行 了止 水 材 料及 止 水 结 构 的室 外冰 冻 模 拟试 验 ，试 验 时所 有 冰样 冻 结 及 剪 切 试 验 均 在 室 外 完 成 ，试 验 结 果 见 表 2 。 表 2冰与不 同止水材料的冻结强度试验结果 界 面 冻结强 剪切 后界 面 界 面 冻结 强 剪切 后界 面 材料 度 M P a 情况描述 材料 度 MP a 情况描述 橡胶板 ( 营 口)0 2 3 少许冰附着 不锈钢板0 3 7 少许冰附着 橡胶板 ( 长春宏光 ) O 2 0 少许冰附着 镀锌钢板0 3 8 少许冰附着 加 筋橡 胶板( 水科 院 ) O 0 8 少许 冰附 着 挂 胶 钢板O 3 2 少许 冰 附着 混凝 土0 5 5 少 许 冰附 着 从 表 2可 以 看 出 ，冰 与 不 同 材 料 界 面 的 冻 结 强 度 有很 大差别 。冻结 强度顺 序 ：混凝 土 界面 不 锈钢 板界 面 镀 锌 钢 板界 面 挂胶 钢 板 界 面 橡胶 板 界 面 橡胶 止 水 带 中 中 国水 利水 电科 学 研究 院加 筋 胶板 冻 结 强度 最 小 ，压 板 中 挂胶 钢 板 的冻 结 强 度 略小 于镀 锌 钢 板 。 根 据 冰 与 止 水 结 构 原 材 料 冻结 强度 试 验 结 果 进 行 了 止 水 结 构 的 室 外 模 拟 试 验 ， 选 取 加 筋 橡 胶 板 作 为 盖 板 ， 试 验 环 境 温 度 一1 5 2 5 【， 试 验 结 果 见 表 3 表 3止水结构室外冰冻模拟试 验 MP a 注 ：试验 I压板 为挂胶扁 钢；试验 压板为镀锌扁钢 。 从 表 3可 以看 f l ，在 水半 压 力 作 用下 ，冰与 止 水结 构 之问 的冻结 力被 剪 断 ，其 中橡 胶板 + 挂 胶 钢板 的冻结 强 度小 于橡 胶板+ 镀 锌钢 板 的冻结 强度 。冰整 体 脱 离 ， 沿 坡 面 向 上 运 动 ， 冰 样 未 发 生 破 碎 ，橡 胶 面板 多数 区域 无 冰 附着 ，整个 橡 胶 止水 结 构 外 观 无 破 坏 。 在 平 行 于 面 板 的 剪 切 力 作 用 下 ， 冰 与 止 水 结 构 之 间 的 冻 结 力 被 剪 断 ， 剪 切 力 对 这 两 种 止 水 形 式 均未 构成 破坏 。橡 胶板 + 挂胶 钢板 止水 形式 的冻 结 强度低 于橡 胶板 + 镀 锌 钢板冻 结强 度 。剪切试 验后 冰 为整 体脱 离 ，冰样 未 发 生 破碎 ，橡胶 面 板 多数 区域 无 冰 附着 ，少 部 分有 冰 ，整个 橡 胶止 水 结 构外 观 形 式 无 破 坏 。 7 施工技术 在 研 究 面 板 顶 部 接 缝 止 水 施 T 工 艺 时 ，考 虑 了 正 常 浇筑 面 板 混凝 土 和 预 留止 水 盖板 下 卧槽 并 预 埋 锚 固螺 母 浇 筑 面 板 混 凝 土 两 种 施 工 工 艺 。 ( 1 ) 正 常 浇 筑 情 况 下 顶 部 接 缝 止 水 施 工 T 艺 。 当面 板顶 部 接 缝止 水 施 工基 础 条件 为 正 常 浇筑 施 工 的 混 凝 土 面 板 时 ，其 施 工 工 序 为 ：机 械 开 槽 一 钻 机 打 孔 一 螺 母 埋 设 一 止 水 棒 安 装 一 嵌 填 密 封 材 料 一 铺 设 止 水 盖 板 一 螺 栓 锚 固 扁 钢 加 压 一 边 缝 嵌 填 。 ( 2)预 留槽 并 预埋 锚 固件 情 况 下顶 部 接缝 止水 施 工工 艺 。 当预 留止水 盖 板 下 卧槽 并且 预 埋锚 固螺 母 时 ，面 板 顶 部 接 缝 止 水 施 工 丁 序 为 ：止 水 棒 安 装一 嵌 填 密封 材 料一 铺 设 止水 盖 板一 螺栓 锚 固扁 钢 加 压 一 边 缝 嵌 填 。 与 正 常 浇 筑 的 混 凝 土 面 板 相 比 ， 省 去 了机械 开 槽一 钻 机 打 孔一 螺 母 埋设 三 道施 1 = 工 序 ， 且 止水 盖板 下 卧槽 混凝 土 面平 整度 高 、锚 固螺 母 与 混凝 土 结 合 紧 密 、锚 同螺 母 抗 拉拔 性 能好 。 因 此 ， 推 荐 使 用 预 留 止 水 盖 板 下 卧 槽 并 且 预 埋 锚 固 螺 母 的顶 部 接 缝 止 水 施 丁工 艺 。 8 结论与建议 结 合 蒲石 河 抽 水 蓄能 电站工 程 。进行 寒 区混凝 土 面 板堆 石 坝 面板 止水 结构 及 配套 施 工 技术 研 究并 成 功应 用 。选取 的止水 材料 具 有耐 老 化 、拉 伸 强度 高 、 耐 冲 击 性 能 好 等 特 点 ： 选 用 的 止 水 结 构 形 式 具 备 易于施 工 、经济 效益 显著 等优势 。研 究成果 如下 ： ( 1 ) 采 取 适 当 的 止 水 防 护 措 施 ，提 高 寒 区 面 板 接 缝 顶 部 止 水 的 防 渗 和 耐 久 性 能 ， 表 层 防 护 体 系 不 被破 坏是 确保 止水 结构安 全 的关键 。 ( 2 )推 荐采 用 浇 筑 面板 混凝 土 时预 留止 水 盖 板 下卧槽 并 预埋锚 固螺母 的止水 结构施 工工 艺 。 ( 3)锚 固 螺 栓 推 荐 采 用 沉 头 螺 栓( 见 图 1 ) 螺 栓 螺 杆 长 6 0 n l m，螺 母 长 1 0 5 T 1 m，丝扣 长 8 0 mm， 其 沉 头 最 大 直 径 2 5 mi l l ( 4 )推荐 采用 镀锌 扁钢 或挂 胶扁 钢做 为压板 。 ( 5)推荐 面 板混 凝 土 变形 缝 采 用表 面 复 合 i元 乙丙 橡 胶 复合 层( 厚 度 2 mm)抗 老 化 层 的 加 筋橡 胶板 作为 止水 盖板 ，以提高 止水盖 板 的抗 冲击性 能 。 ( 6 )热 粘 法 工艺 较 为 复杂 ，但 抗拉 强 度 高 ，抗 渗效 果好 ，建议 现 场施工 采用 热粘 法硫 化粘 接 。 ( 责任 编辑焦 雪梅 ) a t e r P o w e r V o 3 8 N o 5囚