石壩防滲加固設計論文

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1工程概況

平橋石壩水庫位于江蘇溧陽天目湖鎮平橋村，水庫總庫容72萬m3，是以供水、灌溉為主的水利工程。工程始建于1974年，至1979年8月竣工。主要樞紐建筑物為漿砌石連拱壩(共2拱，其中左岸側拱壩為溢流堰)。壩頂總長約108m，最大壩高24m。它是溧陽市文物保護單位，天目湖風景區旅游景點之一。拱壩壩頂高程75.0m，最大壩高24m，壩頂寬度1.40m，迎水坡為1∶0.3，背水坡為反向1∶0.21，壩底最大寬度3.40m。溢流壩段堰頂高程72.00m，設13孔溢流孔，溢流凈寬35.10m。該壩施工砌筑質量從外觀看，非常好，但是拱壩段存在以下異常情況:下游壩面長期濕潤，清晰可見滲漏痕跡，中支墩平臺滲漏嚴重。

2滲漏原因及危害分析

該砌石壩建設于末期，其防滲體系采用漿砌條石殼體+水泥砂漿勾縫→壩心填筑物→下游漿砌條石殼體→水泥砂漿灌漿。經分析其滲漏原因，主要有5點。

(1)上游面水泥砂漿本身的收縮性能易形成裂縫或脫落，引起滲水。

(2)施工期很長，留下較多的施工縫，一些施工縫的處理不當，易形成滲漏。

(3)沒有專設防滲墻，壩心填筑質量及灌漿質量控制不好，易形成滲漏途徑。

(4)年代久遠，長期受滲水的沖蝕、溶蝕作用，形成滲水通道。

(5)地基處理不嚴格。大壩滲漏，導致水泥砂漿中鈣質析出和冰凍作用，降低其粘結強度，危害大壩的穩定與安全，影響大壩的耐久性，降低水庫的效益。

3防滲加固設計研究

3.1防滲部位

壩體的防滲加固從加固部位考慮，有壩體防滲和壩面防滲。

(1)壩體防滲。對壩體采取水泥灌漿(或化學灌漿)方式進行防滲加固，首先對壩體有滲漏部位進行鉆孔，然后按壩高進行分段灌漿，在防滲加固的同時可以提高壩體受力條件。

(2)壩面防滲。在大壩迎水面構筑(或加固)防滲體，主要有以下方式:(a)混凝土防滲面板;(b)噴射混凝土防滲;(c)壩面卷材防滲;(d)聚合物砂漿防滲;(e)聚脲彈性體材料防滲等方式。由于該砌石拱壩的壩身單薄，單純采用壩體灌漿防滲的方法，并沒有完全消除滲漏原因，因此防滲加固重點考慮對壩面防滲措施進行比選。3.2壩面防滲方案比選

3.2.1壩面防滲加固方案擬定

水庫具有供水功能，應選用對水質無污染影響的加固材料，提出以下4個方案。方案1，鋼筋混凝土貼面防滲。在大壩上游面設置一層厚0.35m的C20鋼筋混凝土面板防滲層，采用抗裂性能較好的聚丙烯纖維混凝土，面板中部采用Φ12@150的鋼筋網，以提高面板的柔性;面板與老壩體采用化學植筋連接，錨筋直徑Φ16，2m×2m梅花形布置;面板每隔15m設一條伸縮縫，縫內設一道止水銅片。方案2，鋼筋混凝土貼面+瀝青過渡層的復合防滲。在方案1中的鋼筋混凝土防滲面層和原拱壩漿砌塊石之間設置5mm的瀝青柔性過渡層，增強混凝土防滲面層適應變形的能力，改善其應力狀況。面板與老壩體采用化學植筋連接，錨筋直徑Φ16，1m×1m梅花形布置。面板每隔15m設一條伸縮縫，縫內設一道止水銅片。方案3，聚脲彈性體材料+聚合物砂漿復合防滲。聚脲彈性體材料可單獨作為防滲材料噴涂于結構表面，因砌石壩面凹凸不平，不利于形成均勻的防滲膜，并且石面棱角易導致膜面破損，在壩體表面先噴涂聚合物砂漿作為基層，既作為聚脲彈性體材料的附著層，也可作為第二道防滲體。方案4，聚乙烯丙綸雙面復合卷材防滲。以水泥漿找平壩體迎水面，然后粘貼聚乙烯丙綸雙面復合卷材作為防水層，再施工表層水泥砂漿，防止復合卷材受紫外線照射，延長使用壽命。復合卷材接縫采用搭接方式，選用聚氨脂作接縫膠。

3.2.2防滲加固方案應力分析

在壩面設置鋼筋混凝土防滲層后，由于防滲層材料與壩身材料物理力學性能的差異，使加固后壩體結構應力狀態發生變化。根據以往的有關混凝土面板堆石壩的計算分析成果，混凝土面板分擔的水荷載及承受的彎矩可以忽略，面板主要是傳力結構，而不是受力結構。它是貼在壩體表面的防滲“膜”，只要抗滲性和耐久性滿足要求，它的柔性越大，越能適應壩體變形。在該工程中，面板是貼在原漿砌石壩面設置的。漿砌石壩已經運行20多年，其變形總體來說已趨于穩定。考慮到由于溫度荷載的作用以及水庫水位的變化等因素，加固后漿砌石壩體也將隨之發生相應的變位，由此導致面板產生一定的應變。因此，為確保壩身和防滲層結構安全，采用三維有限元對采用方案1和2加固后的拱壩進行了應力計算，以獲得加固后壩體和防滲結構的應力分布情況。方案3和4，防滲材料柔性大、厚度很薄，兩層之間的約束較弱，在壩體底部不會產生應力集中，不需重做應力分析。在對原壩進行復核計算時，正常蓄水位+溫降工況的最大拉應力明顯大于其它工況，故取其為控制工況。方案比較中僅列出控制工況結果，以此比較方案的優劣。

3.2.3防滲加固設計方案綜合比選

方案1的應力不滿足要求;方案2雖能滿足防滲要求，但拱壩應力未有效改善，防滲層最大拉應力仍較大，且施工繁瑣。方案3、4均采用新材料，其性能均能滿足壩體防滲的要求。該工程為砌石拱壩，壩面扭曲，混凝土澆筑存在立模困難，植筋量大等問題，對于復合卷材防滲存在卷材扭曲，與壩體充分粘結困難，且復合卷材老化問題較突出。在充分考慮防滲加固的有效性和耐久性后，推薦方案3。

3.3防滲加固推薦方案設計

拱壩壩面防滲加固設計采用:聚脲彈性體材料+聚合物砂漿復合防滲方案。噴涂聚脲彈性體技術是國外近10年來，為適應環保需求而研制開發的一種新型無溶劑、無污染的綠色施工技術。聚脲彈性體材料的特性:無毒、綜合力學性能優異、低溫柔性好、能快速固化、施工效率高、對環境條件要求較低、耐腐蝕性強、聚脲材料與多種底材都有很好的附著力、聚脲材料可以連續噴涂、具有較高的抗鹽霧腐蝕、抗凍性好等優點。丙乳砂漿作為聚脲材料的基面，該材料與塊石、聚脲材料結合良好，且自身也能起防滲作用。沒有單獨使用丙乳砂漿作為防滲面層，主要考慮了下列因素:

(1)丙乳砂漿層作為單一的壩面防滲，存在下列不利:壩面面積大，人工涂抹施工質量控制比較困難;漿砌石壩面凹凸不平，涂抹過程中難以保證防滲體厚薄均勻;丙乳砂漿雖然摻有丙乳進行改性，仍具有干縮性，硬化過程中易出現裂縫，特別是厚薄不均和轉角突變部位。

(2)聚脲彈性體材料采用成套設備噴涂，可連續施工，噴涂厚薄均勻。拉伸強度最高可達27.5MPa，伸長率最高可達400%，撕裂強度為43.9～105.4kN/m。可根據不同應用場合的需求，在很寬范圍內對硬度進行調節，從邵A30(軟橡皮)到邵D65(硬彈性體)，采用塑性聚脲彈性體材料，能很好地適應本工程壩面彎曲、局部不規則等現象。聚脲彈性體材料具有不透水性，2.0MPa壓力下24h不透水，材料無任何變化。考慮水庫安全運行要求，兼顧保留壩體原有風格，在正常蓄水位72.00m以下的拱壩(包括支礅)上游面采用聚脲材料+聚合物砂漿噴涂，其中聚合物砂漿厚2cm，聚脲材料厚2mm。對非溢流壩段正常蓄水位72.00m以上部位鑿除老化的溝縫沙漿，表面用高壓水槍沖洗后采用聚合物砂漿重新勾縫。壩基防滲采用在壩前澆筑寬2.00m，厚1.00m的C20混凝土座墊，然后利用座墊作為下部防滲帷幕的施作平臺做帷幕灌漿。在座墊上預留小槽，壩體聚脲防滲層延伸到座墊上，在小槽內收邊，然后用丙乳砂漿嵌縫，最后在座墊上部覆蓋粘土，使壩基、壩體防滲體有機結合，形成一道整體防滲體。

4防滲加固設計施工

拱壩壩體及壩面防滲施工工藝流程如下:壩面清理松動沙漿及小塊石→對集中滲漏通道進行灌漿處理→高壓水槍清洗基面浮塵→對壩面凹槽進行采用聚合物砂漿填塞→聚合物砂漿抹面施工→涂刷界面劑→進行聚脲彈性體噴涂。防滲層施工應當連續進行，減少施工接縫，特別是聚脲防滲層的施工，應保證基面的干燥，在聚脲噴涂之前，應配置足夠的人力完成聚脲基層施工，養護并保持表面干燥。在施工階段，設計與項目業主和材料供應商合作，進行了現場原位噴涂試驗、粘結力測試及其他力學指標測試，取得了合理的結果。下游壩面受滲水及砂漿炭化影響，漿砌石勾縫有脫落或鹽析，采用鋼絲刷對下游面進行全面清理后，采用水泥砂漿重新勾縫。

5結語

為了保護工程獨特的外觀，通過分析比較，采用了全新的防滲設計結構，聚脲彈性體材料與聚合物砂漿防滲加固，近4年來，工程運行良好，為類似工程隊滲加固提供了參考經驗。

作者:王貴明單位:上海勘測設計研究院有限公司