寒冷地区结冰现象对混凝土面板堆石坝接缝止水体系的影响.pdf

第8 卷 第2 期 中国水利水 电科 学研究 院学报 V o 1 8 N o 2 2 0 1 0 6 fl J o u ma l o f C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Re s o u r c e s a md Hy d r o p o w e r R e s e a r c h J u “ e ， 2 0 l O 文章编号： 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 1 4 6 0 5 寒冷地区结冰现象对混凝土面板堆石坝接缝止水体 系的影响 梁希林 ，赵 波2 ，李敬玮2 7何旭生 ( 1 松江河电站建设局 ，吉林 吉林1 3 4 5 0 0 ；2 中国水利 水电科学研究院 结构材料研究所 ，北 京1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ：针对北方冬季寒冷低 温条 件，研究 了结 冰现 象对 止水体系锚固系统安全性 的影 响程度 。通 过实验室模型试 验 ，模拟测定 了不 同降温速率下结冰所产 生的冻胀 对锚 固系统的拉拔破坏力值及冰 与螺栓冻结强度 、冰与扁钢压 条及橡胶盖板 的冻结强度等参数 。研 究了冻融循环对膨胀螺栓 C 3 0 混凝土 的锚 固力及不 同灌封型式 的影响 。在分 析水位变化引起 的冰盖对止水锚 固系统的破坏作用基础上 ，结合试验 测试 结果 ，提 出了寒冷地 区止水锚 固体系设 计施工 中应 注意的主要问题 和建议。 关键词 ：混凝 土面板 堆石坝 ；止水体系 ；冻胀 ；锚固 中文分类号：T V 3 2 文献标识码：A 1 研究背景 混凝土面板堆石坝在我 国水电工程建设中已被广泛采用 ，其 面板接缝 的止水结构体 系在大坝 的 安全运行 中占有重要位置 。中国水利水 电科学研究 院在“ 九 五” 、“ 十五 ” 期间对止水体 系 ，包括结 构和材料进行 了深入系统 的研究 ，提出了如 图 1 所示的止水结构 ，目前 国内高面板坝工程通常采用 这种 结 构 。 GB 图 1 典型止水结构 图2冰对膨胀螺栓冻胀拉拔力 止水体系普遍采用 的锚 固系统是用膨胀螺栓 和扁钢压 条将止水盖板锚 固在混凝土面板和趾板 上。北方寒冷地 区冬季库 区形成冰盖 ，并与止水体系冻结在一起 ，由于库 区水位 的频繁变化 ，冰盖 会对止水锚 固体系产生较大的影 响，甚至造成止水体系局部 出现膨胀螺栓拔出而失去锚固功能的情 况 ，如牡丹江莲花面板坝 、吉林小 山面板坝及青海小干沟面板坝等都 出现过结 冰造成的止水体系局 部破坏现象。因此 ，研究寒冷地 区面板坝工程止水体系及提高安全运行措施至关重要 。 本文总结分析寒冷地 区库区结 冰对止水锚 固体系的破坏作用 ，结合模拟试验 ，讨论止水体系安 全运行要求及工程建议。 收稿 13期 ：2 0 0 9 0 9 0 3 作者简介 ：梁希林( 1 9 6 3 一 ) ，男 ，高级工程师 ，主要从事水 电工程施工管理研究 。 一 l 46 寒冷地 区结 冰现象对混凝 土面板堆石坝 接缝 止水体 系的影响 梁希林 赵 波 李敬玮 何 旭生 2结 冰对止水锚 固系统 的破 坏方式 止水体系在库区结冰过程 中会 与冰产生冻结 ，包 括止水盖板和扁钢压条与冰 的冻结。随着水位 的 变 化 ，会 因 冰上 下 移 动 的趋 势 产 生 作 用 于 止 水 锚 固 系 统 的拉 拔 力 ，造 成 止 水 体 系 局 部 出 现 膨胀 螺 栓拔 出 、角 钢 被 拉 弯 及 止 水 带 被 撕 裂 等 破 坏 现 象 。经 过 总结 和分 析 ，结 冰 的破 坏 作 用 主要 有 以下 几 种 方 式 ：( 1 ) 冻 融对 锚 固螺 栓锚 固力 的影 响 。 由 于膨 胀 螺 栓锚 固孑 L 没 有 进行 密 封 处 理 或处 理 不 当 ，水 进 入 孔 内 ，使 孔 内混 凝 土 表 面 受 到 冻 融 破 坏 ，孔 内水 的结 冰膨 胀 作 用 对 膨 胀 螺 栓 和 混凝 土之 间 的紧 密接触造成影响 ，从而 降低锚 固螺栓的锚 固力 ；( 2 ) 结冰过程 中出现 的冰层 对锚 固螺栓的冻胀拉拔 力 ，图 2 说 明 了冻胀 拉拔 力 产 生 的原 因 。 降 温过 程 中冰 与 膨 胀 螺 栓外 露 部 分 冻 结 ，随着 温 度 的 降 低 ， 冰层 的膨 胀 对 螺 栓 产 生 冻 结 拉 拔 力 ；( 3 ) 由于 冰 盖 与 止 水 体 系 的冻 结 ，主要 包 括 与 膨 胀 螺 栓 外 露 部 分 、扁钢 压 条 以及 盖 板 ，在 水 位 变化 时 对锚 固 系统 产生 破 坏 拉拔 力 以及 剪 切 力 。 本文针对以上影响因素分别进行 了试验研究 。 3 试验研究 3 1 冰层对膨胀螺栓冻胀拉拔力测定 3 1 1 试 验 原 理 和 方 法将 旋 有 螺 母 的 M1 0的膨 胀 螺 栓 立 于 水槽 中 央 ( 螺 母 端 向下 ) ，螺 杆 下 顶 端 粘 上 一 薄 层 塑 性 G B胶 ，以避 免 螺 杆 顶 端 受 到 冰 的膨 胀 力作 用 。螺 杆 没入 水 中 3 0 ram，螺 杆 水 面上 端 同 样粘上一层塑性 G B胶 ，以保证在冰膨胀过程 中螺杆受力长度不变 。螺杆上顶端与应力传感器接触 ， 整个测量过程 中保 持应力传感器与水槽底部 的距离不变 。通过应力传感器就可以对 冰在膨胀过程 中 施 加 在螺 杆 上 的力 进 行 测量 。试 验装 置 如 图 3 所示 ，为 了消 除 降温 过程 中试 验仪 器 的 系统 误差 ，试 验 中针 对 每 一 降 温 速 率分 别 进行 水 槽 中有 水 和无 水 试 验 ，无 水 试 验 结 果 作 为 空 白试验 ，以消 除 测 量 系 统 降温 引 起 的误 差 。试 验 中分别 采 用 4 0 o C 2 h 、4 0 o C 4 h 、4 0 6 h 的 速度 降 温 ，然 后恒 温 1 2 h 。 图3冰对螺杆 的拉拔力测量 p 赠 1 2 0 0 l 0 0 0 吾 8 0 0 6 0 0 辑4 0 0 2 0 0 0 1 ： 0 0 ： 0 9 2 ： 0 0 ： 1 9 时 间 h 图4冰层膨胀产生 的冻胀拉拔力 3 1 2测试结果不 同的降温速率得到的冻胀拉拔力列于表 l 中。试验结果表明，降温速率越 大拉拔 力越大 ，然 而实际情况降温速率远小 于试验采用的降温速率 。图4 是 降温速率为4 0 ( 2 2 h 得到 的冻胀 拉 拔 力 曲线 ，试 验 中得 到 的最 大拉 拔 力 应 大 于 实 际冰 对 螺 杆 的拉 拔 力 。 为确 保 工 程安 全 ，3 0 mm长 度 冻结螺杆选择试验 中最大拉拔力值F 冰 膨 胀 拉 拔=1 O 1 6 N作为估算基础 。 表 1 不 同降 温速率下 的最 大拉拔力 _ _ 。 1 4 7 - 寒冷地区结冰现象对混凝土面板堆石坝接缝止水体系的影响 梁希林 赵 波 李敬玮 何旭生 3 2 冰盖与止水体 系的冻结力测定 3 2 1 测试方法冰与扁钢压板冻结强度测定方法见 图5 。试验将金属板 固定在水面上 ，下表面接触 水 ，放入低温箱 1 2 h ，使金属板下表面与冰冻结在一起 ，然后在拉力机上拉拔 ，测试破坏强度。同 理，测试 G B橡胶盖板及螺栓与冰的冻结强度 。螺栓与冰的冻结力测试方法见图6 。 金属板 水 图5 冰与金属压板冻结力测试 图6螺杆冻结拉拔测试 容器 冰 3 2 2 测试结果表 2 为不同冻结温度下测定的止水体系中不同材料与冰的冻结强度数据。 表 2 冰层 与止水体系冻结力数据 由表 2 可 见 ，螺 栓 与 冰 的冻 结 拉 拔 破 坏 力 最 大 为 3 3 9 k N；扁 钢 与 冰 冻 结 强 度 最 大 为 0 3 1 4 MP a ； 橡胶盖板的冻结强度最大为0 0 2 1 MP a 。 3 3 膨胀螺栓锚 固力试验研究膨胀 螺栓锚固力 的大小是止水系统密封可靠 的基础 ，特别是低温存 在 结 冰 现象 的情 况下 ，其 大小 直 接 关 系 到止 水 系统 可 靠 性 。本 文 采 用 工 程 中普 遍 应用 的 M1 0膨胀 螺 栓 进行 试 验 。 3 - 3 1 膨 胀 螺栓 锚 固力 测 定 在 膨 胀 螺 栓 锚 固系 统 中 ，膨 胀 螺 栓 螺 母 的上 紧力 是 很 重 要 的一 个 参 数，螺母的松紧程度直接影响到膨胀螺栓所能提供的锚 固力。试验中采用体积为 1 5 0 ra m1 5 0 mm1 5 0 m m 的C 3 0 混凝土试块 ，一面的中心打孔锚固M1 0 m m1 2 0 ram膨胀螺栓 ，植入深度 8 0 mm。采用不同力矩 上紧螺母。停放 2 4 h 后进行拉拔试验。表 3 是试验 中得到的螺母上紧力与膨胀螺栓拉拔力之间的关系。 表 3 膨胀螺栓螺母上 紧力 与其提供拉拔力 的关 系 由表3 可见 ，膨胀螺栓提供的锚 固力随着螺母上紧力的提高而提高 ，当上紧力矩达到 8 N m以上 时 ，M1 0规格的膨胀螺栓拉断 ，达到了Ml O 螺栓所 能提供 的锚固力极 限值 ，其提供 的最大锚 固力超 过 3 2 k N。 3 3 2 锚 固孔不 同密封方式的冻融破坏程度 比较为了研究锚 固孔不同密封方式的锚 固效果 ，试验选择 了不使用灌注密封剂 、采用 S K环氧粘接剂灌注及采用 G B弹性密封剂灌注密封共 3 种方案进行对 比试 验 。试验中采用 1 0 0 mm1 0 0 mm1 0 0 ra m的混凝土试件，按照3 种试验方案安装膨胀螺栓 ，埋入深度为 8 0 ram，膨胀螺栓的上紧力矩为2 0 N m。常温固化养护7 d ，取 3 种方案的试件各一组进行 3 0 0次冻融实 验 ，对试件进行拉拔力测试。表4 是不同粘接灌注料冻融与否的拉拔力测试结果以及试件 的破坏形式。 一 1 48 寒冷地 区结 冰现象对混 凝土面板堆石 坝接缝止水 体系的影 响 梁希林赵 波李 敬玮何旭生 G B弹性 密封剂灌注试件 不 经冻融 经 过冻融 957； 7 0 8；3 5 0 1 1 9 7； 3 9 9； 3 1 9 l 块 混凝土试块拉裂 ，2块螺栓脱 出 2 块 混凝土试块拉 裂，1 块螺栓脱 出 S K环氧粘结剂灌 注试件 不经冻 融 经过冻 融 1 8 0 3； 1 6 51 ； 1 6 3 4 1 2 9 8； 9 5 3； 893 3 块 混凝 土试块拉裂 3 块 混凝 土试块拉裂 试 验 结 果 表 明 ，不 用 粘 接 剂 灌 注 的膨 胀 螺 栓试 件 经 过 冻 融后 全 部 开 裂 损 坏 。对 于 G B弹性 密 封剂 和 S K环氧粘结剂密封的试件 ，外形完整。从拉拔 的破坏形式及数值可 以看出 ，S K环氧粘结剂灌注的 试 件 的拉 拔 破 坏 强 度 明 显 高 于 G B弹 性 密 封 剂 灌 注 密 封 的 试 件 ，且 其 拉 拔 破 坏 力 的分 散 性 小 ，说 明 S K环 氧粘 结剂 做 为 灌 注密 封 剂 明显 好 于 G B弹 性 密 封剂 。 膨 胀 螺 栓 拉 拔 中另 一 个 重 要 的 参 数 是 拉 拔 过 程 中螺 栓 的 位 移 情 况 ，理 想 的 情 况是 在 很 小 的拉 出 位移 情 况 下提 供很 大 的拉 力 。表 5 是 不 同上 紧 力 的膨 胀 螺 栓 拉拔 力 达 到 1 0 k N时 的拉 出位 移 值 。 表 5 1 0 k N拉拔力 的拉出位移 从 表 5 可 见 ，拉 出位 移 随上 紧 力距 的 提 高有 减 小 的趋 势 ，但 1 0 N m 以后 不 明 显 。对 比表 5 最 后 2 列 数 据 表 明 ，利 用 S K底 胶 做 为 灌 注粘 接 剂 的锚 固螺栓 不但 提 供 更 高 的 锚 固力 ，而 且 拉 出位 移 小 ，说 明S K底胶做为灌注粘接剂的锚 固方式有更好 的稳定性和可靠性 。 4止水体 系锚 固安全 的讨 论 和分析 冰盖形成并与止水体 系冻结后 ，水位变化时会使冰盖上移或下滑 ，上升时冰盖对锚固系统的影 响 见 图 7 ，下滑 时 影 响类 似 ，都 会 对 锚 固螺 栓 形 成垂 直 的拉 拔力 和 剪 切力 。 l ： l 4 图 7 水位 上升过程 中冰盖对锚 固系统的影 响 对剪切力不再进行定量的试 验研究 ，其对 锚 固系统的影 响更 多的是剪 切疲 劳破坏 ，长期作用可 能会 引起 锚 固螺 栓 的松 动 。对 拉 拔 力 的作 用 分 析 以冰 的 冻 结 破 坏 作 为破 坏 的极 限条 件 ，因为 各 种 受 力 方 式 最 苛 刻 的极 限 情 况 都 可 以归 结 为 冰 与 止 水 体 系 冻 结 的 破 坏 。 现 以工 程 上 有 代 表 性 的止 水 体 系 参 数 为 基 础 进 行 分 析 ，参 数 假 设 如 下 ：( 1 ) 锚 固压 条 采 用 扁 钢 ，宽 度 为 6 0 mm； ( 2 ) 锚 固 螺 栓 间 距 2 5 0 mm；( 3 ) 锚 固 螺栓 锚 固后 突 出部 分 3 0 mm；( 4 ) 盖 板规 格 采 用 宽度 为 9 0 0 mm的 G B橡 胶 盖板 。 若不考虑盖板与下层填料等部分的粘接作 用 ，假设所有 的力都传递到螺栓上 。则一个锚 固螺栓 承受 的冰 的极 限 拉拔 力 可 以认 为 由两部 分 组 分 ： F极限 拉拔=F冻 结拉拔+F冰冻 胀拉拔 ( 1 ) 4 9 寒冷地 区结 冰现象对混凝 土面板堆石坝接缝止水体 系的影 响 梁希林 赵 波李敬 玮 何旭 生 其 中：F 冰 冻 胀 拉 拔 为由于冰膨胀而产生 的对螺杆拉拔力 ；， 冻 结 拉 拔 为冰与止水体系不同部分冻结为一体 ， 由冰盖的运动趋势产生的对止水锚固系统的拉拔力 ，它由3 部分组成 ，分别是冰与扁钢 、冰与橡胶盖 板以及冰与膨胀螺栓 的冻结拉拔力。 由前面表 2的数据和假设 的止水体系参数 ，计算结果总结如下 ：F扁 钢 一 冰 冻 结=O 3 1 42 5 06 0 1 0 - =4 71 k N； F盖板 一冰冻 结=0 0 2 12 5 04 5 0( 7 c 2 ) =2 3 6 k N；F膨 胀 螺 栓 一 冰 冻 结=3 3 9 k N；F冻 胀 拉 拔=1 0 2 k N。 由此得到 1 根螺栓 上可能受到的最大拉拔力F 极 限 柿 拔=1 1 4 8 k N。然而工程实际中上面的4 个力不 太可能同时达到最大 ，并且还有止水体系的其他部分 的粘接作用来分担拉拔力等因素 ，但这个值对 分 析锚 固系统 的 可靠性 是有 意 义 的 。 若 采用 平 头膨 胀 螺栓 则 可 以基本 消除 冻胀 拉 拔力 和 冰 与膨 胀螺 栓 的 冻结 力 ，这 种 情况 下 F极限拉拔力 ：F扁钢 一 冰冻结 十 F盖板 一冰 冻 结： 7 0 7 k N，另外 消除了冰盖对锚固螺栓 的剪切力疲劳损伤作用 ，可 大大提高工程可靠性 。 通过分析可知 ，1 根功能完好 的Ml 0 膨胀螺栓可以提供 3 2 k N以上 的锚 固力 ，而处理不 当的膨胀 螺栓提供 的锚 固力会低于 1 1 4 8 k N，如果 由几根处理不好的螺栓处在临近的位置 ，则有可能造成锚固 失 效 。 因此 ，锚 固螺栓 的正确 处理 是工 程 安全 的关 键 。 5 结论及 工程建议 本文通过对结冰所产生的冻胀对锚固系统的拉拔破坏力值及 冰与螺栓冻结强度 、冰与扁钢压条 及橡胶 盖板 的冻结强度等参 数的试验测定和分析 ，得 到结 冰对止水锚 固系统影响的一些定量结果 ， 这些结果对工程设计和施工有一定的参考 价值 ，总结如下 ：( 1 ) 膨胀 螺栓螺母上紧力要达到 8 k N以 上 ，单根 M1 0膨胀螺栓能提供 3 2 k N以上 的拉拔力 ，所 以功能正常 的膨胀螺栓在工程上是安 全可靠 的；( 2 ) 对于平头膨胀螺栓拉拔力 为7 0 7 k N，并消除了剪切力作用 ，可 以大大提供工程可靠性 ；( 3 ) 普通膨胀螺栓锚 固孔 的冻融或冻胀破坏是很严重的 ，工程 中应该 利用胶粘灌注料进行粘接和封堵 ； 灌注胶粘剂不仅仅提供 冻融或冻胀 的保护 ，选择合理的灌 注密封剂还 可以提供理想 的锚固行为和施 工可靠性 ；灌注胶粘剂 的选择上应避免弹性的、低模 量的胶种 ，要选择粘接力强、模量高的结构胶 粘剂 ，如S K环氧胶粘剂 ；膨胀螺栓锚 固和胶粘剂粘接的协同作用能提供更可靠的锚 固效果。 参考文献： 1 苏萍 ， 金正浩 ， 金伟 寒冷地区面板堆石坝面板顶部止水研究 J 水力 发电 ， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 7 ) ： 2 9 3 1 S t u d y o f i c i n g e ffe c t o n wa t e r - s t o p s y s t e ms o f c o n c r e t e f a c e r o c k fil l d a ms i n c o l d a r e a s L I A NG Xi - l i n ，Z HAO Bo ，L I J i n g - we i ，HE Xu s h e n g ( 1 C o n s t r u c t i o nB u r e a u，S o n g j i a n g h e P o w e r S t a t i o n ，J i l i n 1 3 4 5 0 0，C h i n a ； 2 D e p t o fS t r u c t u r e a n dMa t e r i a l s ，I WH R，B e ifi n g 1 0 0 0 3 8，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i s p a p e r s t u d i e d t h e s a f e t y o f w a t e r - s t o p a n c h o r s y s t e m s o f c o n c r e t e f a c e r o c k fi l l d a ms ( C F R D) u n d e r i c i n g c o n d i t i o n i n c o l d a r e a s Th e e f f e c t o f d i f f e r e n t t y p e s e a l a n t s o n t h e a n c h o r - h o l d w a s s t u d i e d i n a mo d e l e x p e r i me n t o f f r e e z i n g a n d t h a wi n g T h e p u l l f o r c e s o n b o l t s c a u s e d b y i c e e x p a n d i n g a n d t h e f r o z e n s t r e n g t h s o f a n c h o r b o l t s ， s t e e l l a y e r s a n d r u b b e r c o v e r s we r e me a s u r e d T h e t e s t i n g r e s u l t s w e r e q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d a n d s o me a d v i c e s f o r d e s i g n i n g a n d p r o c e s s i n g t h e wa t e r - s t o p a n d a n c h o r - h o l d s y s t e m o f CF RD i n c o l d a r e a s a r e b r o u g h t f o r w a r d K wo r d s ： c o n c l e t e f a c e r o c k fi l l d a ms ； f r e e z i n g e x p a n s i o n；wa t e r s t o p s y s t e m ；a n c h o r - h o l d 一 1 5 0 一 ( 责任编辑 ：王冰伟 )