混凝土面板堆石坝接缝止水材料和新型止水结构的研究与应用

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发表时间:2018-05-25 15:30

混凝土面板堆石坝接缝止水材料和新型止水结构的研究与应用

郝巨涛  傅元茂  赵波

中国水科院结构材料所是国内较早开展止水材料研究的单位之一,至今已经取得了丰硕的研究成果和可喜的成果产业化业绩。早在上世纪六十年代,我所在国内首先开始塑料止水带的研究,随后又研究出了橡塑止水带。“六·”期间,参照国外经验,开始从事非硫化丁基橡胶嵌缝止水材料的研究,并在浙江亭下水库混凝土重力坝的大坝裂缝修补、鸭绿江太平湾混凝土重力坝伸缩缝处理等工程中应用,得到了令人满意的效果,为国家节省了大量外汇。嵌缝止水材料的研究项目还获得了化工部科技进步三等奖。

“七·”期间,为了满足国内刚刚起步的混凝土面板堆石坝工程建设的要求,根据水电规划总院的委托,我所研究将上述嵌缝止水材料和改性沥青填料应用于西北口面板坝,以替换国外通用的IGAS嵌缝填料,节省外汇,初步取得了满意的应用效果。

“八·”期间,针对嵌缝止水材料在十三陵上池混凝土面板工程应用中存在的问题,包括流动止水能力、与混凝土的粘结性能等,我所开始了对面板堆石坝常规止水结构的改进研究,并结合十三陵工程开发出了GB复合止水板,用以替换表层止水中嵌缝材料的普通盖板。同时,结合天生桥一级面板坝工程,开展了铜止水结构、塑胶止水带和流动性填料止水结构工作机理、材料性能技术要求和止水结构设计方法的试验研究,并通过试验论证了GB复合铜止水、GB复合止水带优异的抗绕渗能力,初步提出了嵌缝填料的流动止水概念。这一时期的止水材料研究成果成为我所1997年成立的北京科海利工程技术有限公司的核心产业技术。

“九·”期间,在233m高水布垭面板坝研究,以及与之相应的国家“九·”攻关和国家自然科学基金重点项目研究中,通过嵌缝填料的大模型试验、止水结构的大模型试验、铜止水的数值分析计算和模型试验等一系列研究,我所在面板坝常规三道止水结构的基础上研究出了GB新型止水结构,提出了铜止水的结构设计方法,以及与止水结构配套的系列止水材料和施工工艺,并在国内200m级高面板坝中应用,解决了高面板坝接缝止水的关键技术难题。根据国家“九·”攻关项目鉴定意见,GB系列止水材料及铜止水结构分析的研究成果达到了国际领先水平。

“十·”期间,在洪家渡、三板溪面板坝的面板坝接缝止水研究和工程实践中,我所进一步完善了“九·”期间的研究成果,并将研究成果纳入了行业规范。2002年根据吉林台面板坝结构抗震提出的止水自愈要求,我所又研究出了GB自愈型止水结构,并在吉林台面板坝工程中得到应用。

目前我所研究的面板坝止水结构和止水材料已在国内包括水布垭、洪家渡、三板溪等许多面板坝中获得应用,并在马来西亚的Bakun面板坝、老挝的Nam Nugm 2面板坝等国外工程中也得到应用,其中百米以上面板坝已超过20座。参加该项研究工作的先后有胡锦学、王荣芬、傅元茂、陈肖蕾、贾金生、吕小彬、杜振坤、鲁一晖、郝巨涛、关遇时、许临、瞿扬、邓正刚、赵波、程传明、窦铁生、马福明、颜元亮等同志。

我所混凝土面板堆石坝新型止水结构的主要研究成果如下:

1、 GB新型止水结构

面板坝常规止水结构型式通常采用三道止水,即在表层接缝设置有盖板保护的塑性嵌缝填料,在接缝中部设置止水带,在接缝底部设置铜止水。工程实践表明,该止水型式中的中部止水带在施工中很难与混凝土紧密结合,常发生漏水。为此,我所在“九·”期间提出了新型止水结构型式,该型式将中部止水带提至表层,采用在趾板和面板中预埋的角钢和固定螺栓将止水带固定在缝口位置。为了适应大接缝位移,将表层止水带设计成变形能力很大的波形;同时为了确保止水带在大接缝张开情况下承受高水压力作用,在止水带下面的缝口处设置了支撑橡胶棒,橡胶棒应确保在止水运行过程中能够滞留在缝口,不被压入接缝以发挥支撑作用。另外,确保止水结构的可靠性,新型止水结构仍在波形止水带上设置了塑性嵌缝材料,并采用GB复合盖板对塑性嵌缝材料进行封闭。GB新型止水结构型式首先在福建122m高的芹山面板坝获得了应用,其渗漏量小于5/秒。此后,GB新型止水结构型式在233m高的水布垭面板坝、205m高的巴贡面板坝、186m高的三板溪面板坝、180m高的洪家渡面板坝等一系列高面板坝中得到应用。

2、 铜止水的结构分析

铜止水耐久性好、抗绕渗能力强、现场施工安装方便,在水工结构接缝止水中获得普遍应用。以前由于很少对铜止水进行结构分析,铜止水的设计均以经验为主。对于重要的工程,则需用止水模型试验进行论证,试验盲目性大。“九·”期间,我所针对200m级面板坝的面板接缝位移和作用水压力要求,成功地开展了铜止水薄壳结构的大变形数值分析计算,提出了铜止水结构的应力水平概念对不同结构参数的铜止水进行了应力分析,得到了在不同接缝剪切位移作用下铜止水结构的应力水平。随后,在洪家渡面板坝的止水研究中,以先前的数值分析结果为基础,进行了有接缝的铜止水模型试验,初步建立了铜止水结构的设计方法。该方法在洪家渡、三板溪、巴贡等一系列高面板坝中得到了应用,并被写入了水工建筑物止水带行业规范,初步解决了铜止水结构的设计问题,使铜止水设计由单纯经验型发展到了半理论、半经验型。

3、 自愈型止水结构

新疆吉林台面板坝坝高157m,按照9度地震烈度设计。按照设计要求,面板止水应能确保周边缝漏水后具备足够的自愈能力。为此,我所提出了包括GBW遇水膨胀型嵌缝止水材料的自愈型止水结构。即在表层塑性嵌缝止水材料中,贴近波形止水带一侧布置了一部分GBW,作为止水结构的自愈防线。经过试验论证,GBW遇水膨胀型止水材料遇水后自身体积可以膨胀100150%,且不发散,对接缝漏水有自愈作用。同时,采用大型振动试验机对止水结构试验进行了动荷载试验,验证了GB填料的高阻尼性及其隔震、减震作用,论证了止水结构在振动状态下可以满足吉林台的止水要求。自愈型止水结构已在吉林台面板坝中获得了应用。

我所研发的接缝止水材料产品主要有:

1、 GB类止水材料

GB类止水材料为非硫化橡胶类材料,分为两类。一类是用于一般建筑物接缝和混凝土表面缺陷修补的止水条和止水板;另一类是用于面板坝面板接缝顶部的柔性填料。GB类止水材料的性能可以达到国外Sika公司IGAS的技术指标要求,而其耐久性优于IGAS,且其为冷料嵌填,施工方便。“九·”以来针对面板坝接缝止水的特殊要求,开发出的GB柔性填料具有优异的流动止水性能,施工性能也进一步得到改善,满足了国内混凝土面板坝工程建设的需求。同时与国内同类材料相比,还具有斜坡不流淌的特点。近十年来,GB类止水材料已经成为北京中水科海利公司的主要经营产品。

2、 GB复合盖板

GB复合盖板为专利产品,其研发起源于上世纪九十年代的北京十三陵抽水蓄能电站上库的面板止水工程。试验研究表明,在橡胶板、止水带、铜止水等止水材料上复合GB材料可以极大地改善这些止水材料与混凝土的粘结性能和抗绕渗性能。根据这一成果开发出的GB复合橡胶止水板,已经成为混凝土面板坝面板接缝表层嵌缝填料止水的关键组成部分,并在国内推广使用。复合GB的橡胶止水板包括三元乙丙橡胶板、天然橡胶止水板和氯丁橡胶止水板。GB复合止水铜片也在面板坝中得到应用,GB-三元乙丙复合板、GB-土工膜复合板等还成功用于多个水工混凝土面板裂缝修补工程。另外根据工程需要,还开发了十字形和T形接头,解决了施工中止水板的连接问题。

3、 橡胶止水带系列产品

结构材料研究所开发的橡胶止水带产品,性能可以满足甚至超过国家标准和行业标准要求。在止水带设计方面,还进行了橡胶材料的长期强度试验研究和宽橡胶板的强度试验研究,根据这一成果建立的止水带厚度设计公式已列入相关行业规范。根据面板坝面板周边缝的运行特点,还开发了适应大接缝变形的波形止水带,并已在国内外许多高混凝土面板坝的面板周边缝止水中应用,极大地提高了接缝止水的可靠性。波形止水带还在国内大型渡槽的伸缩缝中得到应用。此外根据工程需要还开发了现场硫化接头仪,可以在工地现场实现止水带的对接。

4、 加筋橡胶止水盖板

针对北方寒冷地区冬季水库结冰后,流冰和冰盖对止水盖板的破坏作用,开发了加筋橡胶止水盖板,用于寒冷地区面板坝的面板接缝表层止水结构。冰凌对盖板的破坏主要是刺穿破坏,为提高盖板的抗刺穿能力,在橡胶盖板中复合有加筋材料。这种加筋橡胶板已在北方寒冷地区的面板坝中使用。

5、 GBW遇水膨胀型嵌缝止水材料

GBW也是一种非硫化型橡胶嵌缝止水材料,遇水后体积可自由膨胀1.5倍,在接缝中可在混凝土表面之间产生接触压力,毋需粘接即具有止水能力。GBW膨胀后析出物少、不发散,可满足高水压和长期反复浸泡的要求,已在国内水工混凝土建筑物的修补(包括水下修补)及工民建工程中得到应用。GBW还具有自愈止水能力,是结构材料所提出的面板坝周边缝自愈型止水结构的核心材料。当由于某种原因接缝漏水时,GBW可以愈合封堵渗漏通道。这种止水材料已在新疆的吉林台面板坝中获得应用。

6、 聚硫密封胶

聚硫密封胶粘接性能好,变形能力强,可用于混凝土结构变形缝的接缝止水。由于聚硫密封胶具有优异的耐老化、耐水、耐酸、耐碱、耐油类介质浸泡等性能,工程用途十分广泛。结构材料所开发的聚硫密封胶除用于一般接缝止水外,还在大型渡槽、污水处理厂等工程中获得应用。

7、 止水材料配套粘结剂

止水材料与混凝土的粘接是关键。目前开发的有单组分和双组分两种类型的粘结剂。单组分粘结剂适合干燥混凝土面的粘接,施工简便;双组分粘结剂还可在潮湿环境下应用,拓宽了GB嵌缝材料、GB复合型止水材料在工程中的应用范围。试验结果表明,双组分粘结剂经过长期水中浸泡、高低温、300次冻融循环后,粘接强度与常温条件相比不下降,而且均大于GB止水材料自身的强度,破坏面100%GB止水材料破坏。

涉及面板坝止水材料和新型止水结构研究的“高面板坝新型止水结构、新型止水材料及应用”研究成果获得2001年度中国电力科学技术三等奖、“200m级高混凝土面板堆石坝的应用基础研究”获得2004年度大禹水利科学技术二等奖、“峡谷地区高混凝土面板堆石坝关键技术应用研究”获得2005年度中国电力科学技术二等奖,研究成果还编入了《水工建筑物止水带技术规范》(DL/T 5215 2005)和《水工建筑物塑性嵌缝密封材料技术标准》(DL/T 949-2005),同时获得国家发明专利1项、实用新型专利7项。


文章分类: 专业介绍项目技术
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