石坝防渗加固设计论文

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1工程概况

平桥石坝水库位于江苏溧阳天目湖镇平桥村，水库总库容72万m3，是以供水、灌溉为主的水利工程。工程始建于1974年，至1979年8月竣工。主要枢纽建筑物为浆砌石连拱坝(共2拱，其中左岸侧拱坝为溢流堰)。坝顶总长约108m，最大坝高24m。它是溧阳市文物保护单位，天目湖风景区旅游景点之一。拱坝坝顶高程75.0m，最大坝高24m，坝顶宽度1.40m，迎水坡为1∶0.3，背水坡为反向1∶0.21，坝底最大宽度3.40m。溢流坝段堰顶高程72.00m，设13孔溢流孔，溢流净宽35.10m。该坝施工砌筑质量从外观看，非常好，但是拱坝段存在以下异常情况:下游坝面长期湿润，清晰可见渗漏痕迹，中支墩平台渗漏严重。

2渗漏原因及危害分析

该砌石坝建设于末期，其防渗体系采用浆砌条石壳体+水泥砂浆勾缝→坝心填筑物→下游浆砌条石壳体→水泥砂浆灌浆。经分析其渗漏原因，主要有5点。

(1)上游面水泥砂浆本身的收缩性能易形成裂缝或脱落，引起渗水。

(2)施工期很长，留下较多的施工缝，一些施工缝的处理不当，易形成渗漏。

(3)没有专设防渗墙，坝心填筑质量及灌浆质量控制不好，易形成渗漏途径。

(4)年代久远，长期受渗水的冲蚀、溶蚀作用，形成渗水通道。

(5)地基处理不严格。大坝渗漏，导致水泥砂浆中钙质析出和冰冻作用，降低其粘结强度，危害大坝的稳定与安全，影响大坝的耐久性，降低水库的效益。

3防渗加固设计研究

3.1防渗部位

坝体的防渗加固从加固部位考虑，有坝体防渗和坝面防渗。

(1)坝体防渗。对坝体采取水泥灌浆(或化学灌浆)方式进行防渗加固，首先对坝体有渗漏部位进行钻孔，然后按坝高进行分段灌浆，在防渗加固的同时可以提高坝体受力条件。

(2)坝面防渗。在大坝迎水面构筑(或加固)防渗体，主要有以下方式:(a)混凝土防渗面板;(b)喷射混凝土防渗;(c)坝面卷材防渗;(d)聚合物砂浆防渗;(e)聚脲弹性体材料防渗等方式。由于该砌石拱坝的坝身单薄，单纯采用坝体灌浆防渗的方法，并没有完全消除渗漏原因，因此防渗加固重点考虑对坝面防渗措施进行比选。3.2坝面防渗方案比选

3.2.1坝面防渗加固方案拟定

水库具有供水功能，应选用对水质无污染影响的加固材料，提出以下4个方案。方案1，钢筋混凝土贴面防渗。在大坝上游面设置一层厚0.35m的C20钢筋混凝土面板防渗层，采用抗裂性能较好的聚丙烯纤维混凝土，面板中部采用Φ12@150的钢筋网，以提高面板的柔性;面板与老坝体采用化学植筋连接，锚筋直径Φ16，2m×2m梅花形布置;面板每隔15m设一条伸缩缝，缝内设一道止水铜片。方案2，钢筋混凝土贴面+沥青过渡层的复合防渗。在方案1中的钢筋混凝土防渗面层和原拱坝浆砌块石之间设置5mm的沥青柔性过渡层，增强混凝土防渗面层适应变形的能力，改善其应力状况。面板与老坝体采用化学植筋连接，锚筋直径Φ16，1m×1m梅花形布置。面板每隔15m设一条伸缩缝，缝内设一道止水铜片。方案3，聚脲弹性体材料+聚合物砂浆复合防渗。聚脲弹性体材料可单独作为防渗材料喷涂于结构表面，因砌石坝面凹凸不平，不利于形成均匀的防渗膜，并且石面棱角易导致膜面破损，在坝体表面先喷涂聚合物砂浆作为基层，既作为聚脲弹性体材料的附着层，也可作为第二道防渗体。方案4，聚乙烯丙纶双面复合卷材防渗。以水泥浆找平坝体迎水面，然后粘贴聚乙烯丙纶双面复合卷材作为防水层，再施工表层水泥砂浆，防止复合卷材受紫外线照射，延长使用寿命。复合卷材接缝采用搭接方式，选用聚氨脂作接缝胶。

3.2.2防渗加固方案应力分析

在坝面设置钢筋混凝土防渗层后，由于防渗层材料与坝身材料物理力学性能的差异，使加固后坝体结构应力状态发生变化。根据以往的有关混凝土面板堆石坝的计算分析成果，混凝土面板分担的水荷载及承受的弯矩可以忽略，面板主要是传力结构，而不是受力结构。它是贴在坝体表面的防渗“膜”，只要抗渗性和耐久性满足要求，它的柔性越大，越能适应坝体变形。在该工程中，面板是贴在原浆砌石坝面设置的。浆砌石坝已经运行20多年，其变形总体来说已趋于稳定。考虑到由于温度荷载的作用以及水库水位的变化等因素，加固后浆砌石坝体也将随之发生相应的变位，由此导致面板产生一定的应变。因此，为确保坝身和防渗层结构安全，采用三维有限元对采用方案1和2加固后的拱坝进行了应力计算，以获得加固后坝体和防渗结构的应力分布情况。方案3和4，防渗材料柔性大、厚度很薄，两层之间的约束较弱，在坝体底部不会产生应力集中，不需重做应力分析。在对原坝进行复核计算时，正常蓄水位+温降工况的最大拉应力明显大于其它工况，故取其为控制工况。方案比较中仅列出控制工况结果，以此比较方案的优劣。

3.2.3防渗加固设计方案综合比选

方案1的应力不满足要求;方案2虽能满足防渗要求，但拱坝应力未有效改善，防渗层最大拉应力仍较大，且施工繁琐。方案3、4均采用新材料，其性能均能满足坝体防渗的要求。该工程为砌石拱坝，坝面扭曲，混凝土浇筑存在立模困难，植筋量大等问题，对于复合卷材防渗存在卷材扭曲，与坝体充分粘结困难，且复合卷材老化问题较突出。在充分考虑防渗加固的有效性和耐久性后，推荐方案3。

3.3防渗加固推荐方案设计

拱坝坝面防渗加固设计采用:聚脲弹性体材料+聚合物砂浆复合防渗方案。喷涂聚脲弹性体技术是国外近10年来，为适应环保需求而研制开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术。聚脲弹性体材料的特性:无毒、综合力学性能优异、低温柔性好、能快速固化、施工效率高、对环境条件要求较低、耐腐蚀性强、聚脲材料与多种底材都有很好的附着力、聚脲材料可以连续喷涂、具有较高的抗盐雾腐蚀、抗冻性好等优点。丙乳砂浆作为聚脲材料的基面，该材料与块石、聚脲材料结合良好，且自身也能起防渗作用。没有单独使用丙乳砂浆作为防渗面层，主要考虑了下列因素:

(1)丙乳砂浆层作为单一的坝面防渗，存在下列不利:坝面面积大，人工涂抹施工质量控制比较困难;浆砌石坝面凹凸不平，涂抹过程中难以保证防渗体厚薄均匀;丙乳砂浆虽然掺有丙乳进行改性，仍具有干缩性，硬化过程中易出现裂缝，特别是厚薄不均和转角突变部位。

(2)聚脲弹性体材料采用成套设备喷涂，可连续施工，喷涂厚薄均匀。拉伸强度最高可达27.5MPa，伸长率最高可达400%，撕裂强度为43.9～105.4kN/m。可根据不同应用场合的需求，在很宽范围内对硬度进行调节，从邵A30(软橡皮)到邵D65(硬弹性体)，采用塑性聚脲弹性体材料，能很好地适应本工程坝面弯曲、局部不规则等现象。聚脲弹性体材料具有不透水性，2.0MPa压力下24h不透水，材料无任何变化。考虑水库安全运行要求，兼顾保留坝体原有风格，在正常蓄水位72.00m以下的拱坝(包括支礅)上游面采用聚脲材料+聚合物砂浆喷涂，其中聚合物砂浆厚2cm，聚脲材料厚2mm。对非溢流坝段正常蓄水位72.00m以上部位凿除老化的沟缝沙浆，表面用高压水枪冲洗后采用聚合物砂浆重新勾缝。坝基防渗采用在坝前浇筑宽2.00m，厚1.00m的C20混凝土座垫，然后利用座垫作为下部防渗帷幕的施作平台做帷幕灌浆。在座垫上预留小槽，坝体聚脲防渗层延伸到座垫上，在小槽内收边，然后用丙乳砂浆嵌缝，最后在座垫上部覆盖粘土，使坝基、坝体防渗体有机结合，形成一道整体防渗体。

4防渗加固设计施工

拱坝坝体及坝面防渗施工工艺流程如下:坝面清理松动沙浆及小块石→对集中渗漏通道进行灌浆处理→高压水枪清洗基面浮尘→对坝面凹槽进行采用聚合物砂浆填塞→聚合物砂浆抹面施工→涂刷界面剂→进行聚脲弹性体喷涂。防渗层施工应当连续进行，减少施工接缝，特别是聚脲防渗层的施工，应保证基面的干燥，在聚脲喷涂之前，应配置足够的人力完成聚脲基层施工，养护并保持表面干燥。在施工阶段，设计与项目业主和材料供应商合作，进行了现场原位喷涂试验、粘结力测试及其他力学指标测试，取得了合理的结果。下游坝面受渗水及砂浆炭化影响，浆砌石勾缝有脱落或盐析，采用钢丝刷对下游面进行全面清理后，采用水泥砂浆重新勾缝。

5结语

为了保护工程独特的外观，通过分析比较，采用了全新的防渗设计结构，聚脲弹性体材料与聚合物砂浆防渗加固，近4年来，工程运行良好，为类似工程队渗加固提供了参考经验。

作者:王贵明单位:上海勘测设计研究院有限公司