阿尔塔什水利枢纽工程高混凝土面板堆石坝铜止水异型接头以及连接板表面保护材料研究[1]
何旭升1，2 高 飞3 徐 耀2 鲁一晖1，2 郝巨涛1，2
（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室；2.北京中水科海利工程技术有限公司；3.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司）
摘 要：为了增强阿尔塔什水利枢纽工程高混凝土面板堆石坝铜止水异型接头以及趾板与防渗墙之间连接板的防渗安全性，开展了表面保护材料的防渗性能试验研究。本文通过模拟铜止水异型接头以及连接板出现裂缝的状况下，采取不同的保护材料在裂缝张开情况下的防渗抗水压性能，提出了合适的表面保护材料方案，增强了阿尔塔什水利枢纽工程高混凝土面板堆石坝防渗体系的安全性与可靠性。
关键词：高混凝土面板堆石坝；铜止水；裂缝；防渗
1 引言
阿尔塔什水利枢纽工程位于塔里木河源流之一的叶尔羌河干流山区下游河段的新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县库斯拉甫乡境内，是一座在保证向塔里木河干流生态供水目标的前提下，承担防洪、灌溉、发电等综合利用任务的大型骨干水利枢纽工程。水库工程正常蓄水位为1820.00m，水库设计洪水位1821.62m，校核洪水位1823.69m，总库容22.49亿m3；水电站装机容量755MW。阿尔塔什水利枢纽工程为大（1）型Ⅰ等工程。枢纽工程由拦河坝、1号、2号表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1号、2号深孔放空排沙洞、发电引水系统、水电站厂房、生态基流引水洞及其厂房、过鱼建筑物等主要建筑物组成。
主河床布置混凝土面板砂砾石堆石坝，坝轴线全长795.0m，坝顶高程1825.80m，坝顶宽度为12m，最大坝高164.8m，上游坝坡采用1∶1.7，下游坝坡坡度为1∶1.6。面板坝直接建造于河床深厚覆盖层上，覆盖层最大厚度94m。大坝加上可压缩覆盖层深度，总高度达258.8m，超过世界上已建成最高233m的水布垭面板坝，为300m级高混凝土面板坝，其坝基、大坝及各部位变形协调和控制问题更为突出。特别是混凝土面板接缝交汇处的铜止水异型接头、深覆盖层地基防渗处理方案中趾板与防渗墙之间的连接板等部位是大坝防渗系统容易变形和破坏的薄弱环节，直接关系到整个防渗系统和大坝的安全。因此，为了增强阿尔塔什水利枢纽工程高混凝土面板堆石坝铜止水异型接头以及趾板与防渗墙之间连接板的防渗安全性，本文开展了表面保护材料的防渗性能试验研究，为大坝防渗系统的设计和施工提供依据。
2 铜止水异型接头表面保护材料研究
2.1 概述
混凝土面板接缝存在交汇点，则对应的接缝铜止水存在异型接头：L形接头、T形接头和十字形接头。接缝交汇点是面板变形较大，且变形模式最复杂的局部区域；由于铜鼻交汇导致的互锁与约束作用，相对于直线段铜止水而言，异型接头铜止水的适应变形能力极差。当接缝发生变位时，铜止水异型接头发生破坏的可能性很大，严重影响了面板底部铜止水的安全性和可靠性。为了保证铜止水异型接头即使出现开裂也不发生渗漏，开展铜止水异型接头的填料井防渗性能试验，模拟铜止水异型接头出现裂缝的状况下，采取GB柔性填料保护层在铜止水裂缝张开情况下的防渗抗水压性能。
坝体周边缝变形监测成果统计见表1，折合等效最大张开位移6.9～47.5mm。等效张开位移c等于张开位移a和沉陷位移b的平方和之根（见图1）。考虑到阿尔塔什水利枢纽工程大坝最大坝高164.8m，覆盖层深度94m，大坝加上可压缩覆盖层深度，总高度达258.8m，超过最高233m的水布垭面板坝。在水布垭面板坝折合等效最大张开位移47.5mm基础上考虑1.1倍的放大系数（258.8/233），即52.25mm。所以在试验中，阿尔塔什水利枢纽工程面板坝铜止水裂缝宽度最大值按5cm考虑。
表1 坝体周边缝变形监测成果统计表
2.2 试验过程及结果
试验在浇筑于ϕ50cm钢圆桶中的混凝土面上进行，混凝土厚10cm，混凝土面中心预留有长30cm、宽5cm的通缝（图2）；受钢圆通高度限制，GB柔性填料保护层厚取15cm。换句话说，本试验研究在宽5cm、长30cm、深10cm的铜止水裂缝上，厚15cm的GB柔性填料保护层在水压力作用下的流动嵌缝效果，并与阿尔塔什水利枢纽工程面板坝最大水压1.65MPa进行比较。
将GB柔性填料覆盖黏贴在铜止水表面。按照0.1MPa/0.5h的速率施加水压力，水压加至1.7MPa，观察GB柔性填料的流动嵌缝状况。试验结果表明，逐渐加压至1.7MPa后保压18h，未渗漏；继续加压至2.5MPa，仍未渗漏。GB柔性填料嵌填了整个宽5cm、深10cm的裂缝，发挥了止水作用，保证了铜止水的防渗安全。GB柔性填料在加压前和加压后分别见图3和图4。
图1 铜止水变形简化模型图
图2 模拟铜止水破坏裂缝模型
由上述试验可知，当接缝变位导致铜鼻交汇点应力集中撕裂后，GB柔性填料可以淤堵裂口，起到止水作用，保持底部铜止水防渗体系的完整性。在进行混凝土浇筑时，可先用GB柔性填料将铜鼻交汇点包裹，这样在浇筑混凝土后，就会在面板混凝土内形成GB柔性填料井。因铜止水的两翼平段尺寸为20cm，所以GB柔性填料井以铜鼻交汇点为中心，设为半径20cm的圆柱体比较合适，圆柱体高度（GB柔性填料的厚度）为铜鼻顶部以上20cm。对于水位变动区以上的面板，由于接缝变形较小，同时，面板厚度也较薄，GB柔性填料井的半径与高度可以适当降低，半径设为15cm，高度为铜鼻顶部以上15cm。
图3 试验模型及GB柔性填料加压前
图4 GB柔性填料加压后以及嵌填裂缝情况
3 趾板与防渗墙之间连接板表面保护材料研究
3.1 概述
为了确定性价比高且便于施工的趾板与防渗墙之间连接板表面保护材料，开展了连接板表面保护材料的防渗性能试验，具体研究了复合土工膜、GB复合三元乙丙板、聚脲复合GB板、聚脲复合胎基布等四种保护材料（见表2），进行了室内迎水面防渗抗水压试验，模拟连接板出现裂缝的状况下，不同的保护材料在混凝土基材裂缝张开情况下的防渗抗水压性能。
表2 连接板表面保护材料列表
3.2 试验过程
复合土工膜、聚脲复合GB板、GB复合三元乙丙板三种材料试验采用防渗抗水压装置（见图5和图6）。试验步骤为：①试验在浇筑于ϕ50cm钢圆桶中的混凝土面上进行，混凝土厚不小于10cm，混凝土面中心预留有长30cm、宽5mm的通缝。②将防渗止水材料按照图5所示尺寸粘贴在混凝土面上。③按照0.1MPa/0.5h的速率施加水压力，水压加至1.7MPa后保压18h；继续加压至2.5MPa，试验结束。
图5 防渗抗水压试验仪示意图（单位：mm）
聚脲复合胎基布试验采用抗渗试验仪（见图7）。试验步骤为：①圆盘上预留一条15cm长、最大张开3mm宽的缝。首先将圆盘缝隙置于封闭位置，周围缝隙用透明胶带粘贴密封。②先在钢圆盘表面涂界面黏结剂，室温下约4h界面剂表干。一布两涂：在界面剂上涂一层SK单组份聚脲，贴一层胎基布，约3h后再涂一层聚脲将胎基布完全覆盖，总体厚度约3mm。两布三涂：在界面剂上涂一层SK单组份聚脲，贴一层胎基布，约3h后再涂一层聚脲将胎基布完全覆盖，再贴一层胎基布，约3h后再涂一层聚脲将胎基布完全覆盖，聚脲用量控制总体厚度约4mm和5mm。以上试件室温养护14d。每种厚度做两块。③将试件装在抗渗仪上，将钢圆盘封闭的缝隙张开3mm。④按照0.1MPa/0.5h的速率施加水压力，水压加至1.7MPa后保压18h；继续加压至2.5MPa，试验结束。
图6 防渗抗水压装置实体
图7 抗渗试验仪实体
3.3 试验结果
3.3.1 复合土工膜
试验选用短纤针刺非织造/聚乙烯PE复合土工膜，一布一膜，短纤非织造布300g/m2，PE膜厚1.0mm。该复合材料具有抗穿刺强度高、延伸性能好、变形模量大、抗腐蚀、防渗性能好等特点。复合土工膜性能见表3。为了提高PE膜与混凝土基材的粘贴、附着性能，试验在裂缝周围采用2mm厚GB胶贴于基材混凝土和PE膜之间，既起到固定PE膜的作用，又防止水从模型边缘绕渗。试验水压加至1.7MPa后保压18h，未渗漏；继续加压至2.5MPa，仍未渗漏。其试验后见图8。
3.3.2 聚脲复合GB板
采用SK单组分聚脲。试验首先在5mm缝隙附着上2mm厚GB板，覆盖住裂缝，然后在混凝土基材上涂刷SK单组分聚脲，贴胎基布，再涂刷一层SK单组分聚脲，总体厚度2mm。SK单组分聚脲性能见表4。试验水压加至1.7MPa后保压18h，未渗漏；继续加压至2.5MPa，仍未渗漏。其试验后见图9。
表3 复合土工膜性能表
图8 复合土工膜压水试验（左图试验前、右图试验后）
表4 SK单组分聚脲性能表
图9 聚脲复合GB板压水试验（左图试验前、右图试验后）
3.3.3 GB复合三元乙丙盖板
GB复合三元乙丙盖板采用2mm GB胶复合3mm三元乙丙片材，该材料与混凝土基材黏附性好，整体具有优异的抗渗及耐老化性能。其性能见表5。试验直接将GB复合三元乙丙盖板附着在混凝土基材上，周边用GB胶密封。试验水压加至1.7MPa后保压18h，未渗漏；继续加压至2.5MPa，仍未渗漏。其试验后见图10。
表5 GB复合三元乙丙盖片性能表
图10 GB复合三元乙丙盖板压水试验（左图试验前、右图试验后）
3.3.4 聚脲复合胎基布
在模拟裂缝圆盘缝面分别涂覆3mm、4mm、5mm的聚脲复合胎基布。养护14天后进行抗渗抗水压试验。试验开始时张拉裂缝宽度至3mm，按照0.1MPa/0.5h的速率施加水压力，水压加至1.7MPa后保压18h；然后继续加压至2.5MPa，三种厚度的试件均未出现破坏，其试验结果见表6。试验结果表明，聚脲复合胎基布材料在裂缝张开3mm状态下，具有优异的防渗抗水压性能，满足工程要求。其试验前、后分别见图11和图12。
表6 聚脲复合胎基布变缝压水试验结果表
3.4 连接板保护材料比较分析
图11 聚脲复合胎基布压水试验前
图12 聚脲复合胎基布压水试验后
上述试验结果表明，复合土工膜、聚脲复合GB板、GB复合三元乙丙板、聚脲复合胎基布四种保护材料的本体防渗抗水性能均满足阿尔塔什水利枢纽工程要求。此外，调研了浇筑式沥青混凝土的物理力学特性，结合沥青混凝土面板工程实例，可以得出浇筑式沥青混凝土材料的本体防渗抗水性能可以满足阿尔塔什水利枢纽工程要求。
施工工艺和特点两方面对复合土工膜、聚脲复合GB板、GB复合三元乙丙板、聚脲复合胎基布、浇筑式沥青混凝土五种保护材料进行对比（见表7），为工程选择提供参考。综合技术、经济等因素，推荐采用施工工艺简单、质量易保证、防渗效果最好的聚脲复合GB板方案或聚脲复合胎基布方案。
表7 连接板保护材料比较分析表
续表
4 结论与建议
为了增强阿尔塔什水利枢纽工程高混凝土面板堆石坝铜止水异型接头以及趾板与防渗墙之间连接板的防渗安全性，本文开展了表面保护材料的防渗性能试验研究，可以得到以下结论与建议：
（1）在15cm厚GB柔性填料的保护作用下，宽5cm、长30cm、深10cm的铜止水裂缝在2.5 MPa的水压力作用下不发生渗漏。GB柔性填料井可以淤堵铜止水异型接头处的裂口，起到止水作用，保持底部铜止水防渗体系的完整性。建议阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝采用高15～20cm的GB柔性填料井对铜止水异型接头进行柔性外防护。
（2）经过趾板与防渗墙之间连接板保护材料基本性能的调研及筛选，对四种典型材料进行了防渗抗水压模型试验，试验结果表明：复合土工膜、聚脲复合GB板、GB复合三元乙丙板、聚脲复合胎基布四种保护材料的本体防渗抗水性能均满足工程要求；此外，经过调研分析，浇筑式沥青混凝土材料的本体防渗抗水性能同样可以满足阿尔塔什水利枢纽工程要求。综合技术、经济等因素，推荐采用施工工艺简单、质量易保证、防渗效果最好的聚脲复合GB板方案或聚脲复合胎基布方案。
参考文献
[1] 贾金生，郦能惠，等.高混凝土面板坝安全关键技术研究.北京：中国水利水电出版社，2014.
[2] 关志诚.土石坝工程——面板与沥青混凝土防渗技术.北京：中国水利水电出版社，2015.
[1]基金项目：国家重点研发计划项目课题（2017YFC0404805）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项（SM0145B632017）。