摘要：在指出现有阿里亚坝止水模式局限性的基础上，提出了高面板坝周边缝止水的整体解决方案，并对该方案的目标、安装工艺、采用的技术措施以及独立止水设计作了详细探讨。
    关键词：高面板坝；周边缝；聚硫密封膏；刚性支撑


0  前言
     混凝土面板堆石坝是近30年发展起来的一种新的筑坝技术，具有投资省、安全性好、施工方便、适应性广的优点。面板堆石坝以堆石坝体为支承结构，并在其上游表面设置薄层混凝土面板作为防渗结构。周边缝位于面板与趾板两种变形性质相差较大的分界面上，工作条件最差，是面板坝防渗体系中最薄弱的环节，是可能漏水的主要部位[1]，因此面板堆石坝周边缝止水成了高面板坝防渗的关键技术之一。
    本文所讨论的概念中，“止水材料”是指用于实现接缝止水功能的主要材料；“独立止水(止水)”是指由止水材料特定型式构成(包括相关辅助材料)，无须借助其它材料或结构，能够独立完成接缝止水功能的材料型式和相关止水制作、安装、搭接及拼接工艺的整体；“止水整体解决方案”是由一道或多道独立止水组成，包括止水破坏后发挥淤堵限渗作用的自愈系统的布设方案在内，体现整体止水设计思路(多道止水加自愈系统)的方法以及止水制作、安装、施工工艺的总和。
1  阿里亚坝止水模式的局限性
    坝高 100～400m级的高面板坝周边缝止水问题就是在水压为1～4 MPa、三向变位约为100mm、缝深(即面板厚度)1～1．5 m的工况下，包括止水制作、安装及搭接工艺在内的接缝止水等可靠性问题。解决高面板坝接缝止水问题，通常采用的设计思路是利用可靠止水并结合止水破坏后的防渗限渗措施，采用的主要方案是多道止水加自愈系统所构成的止水防渗体系[2]。现有高面板坝接缝止水方案基本上是以阿里亚坝止水模式为基础的，目前应用研究进展都是对该模式的改进。笔者认为，对于100 m以上的高面板坝，阿里亚坝止水模式有其局限性，具体表现在以下几个方面：1)顶部止水的制作、安装无法分离，必须现场制作，止水制作的质量无法保证，安装施工质量的可靠性较低；2)顶部止水中柔性填料体积庞大，无法制作成多道止水；3)中部、底部止水采用浇筑方式安装，需长期保护，遭破坏补救后无法保证止水的完整、连续和一致性；4)以顶部止水为核心的止水结构弱化了中底部止水的作用，呈现向以顶部止水为核心的单道止水发展的趋向，使接缝整体缺乏必要的安全保障。 


2  高面板坝周边缝止水整体解决方案的总体设计
2．1  高面板坝周边缝止水整体解决方案的目标
新的高面板坝周边缝止水整体解决方案应满足以下要求：止水整体解决方案系统完整，能够解决现有主要关键问题；每道止水必须是独立、可靠的，勿须依赖其他结构或材料发挥作用；单道止水体积小巧；将止水制作、安装过程分离，止水制作过程转变为工厂化工作，止水制作质量易于检查；能在现场所提供的室内条件下生产适应各类接缝型式变化的止水制品；适应现场施工要求，现场安装简单，搭接可靠；实现止水的后安装或快速安装，简化止水的现场保护。
2．2  止水整体解决方案的多道止水布置及安装工艺构想
     高面板堆石坝周边缝止水的整体解决方案应采用多道止水的方案，其总布置见图1。三道止水等距布置于周边缝中(断面图中深黑色部分为安装钢架和刚性支撑等金属材料，里面浅黑色为柔性止水材料)。止水全部采用工厂预制方式制作，趾板浇筑时只需预埋三道止水的安装底座，施工现场仅完成螺栓固定等简单可靠的安装工艺和少量现场搭接工作。

图1见第7页  多道止水布置形式

2．3  止水整体解决方案总体设计采用的技术措施
    1)采用功能复合的技术措施保证止水的可靠性
     刚性材料形成的止水和由柔性材料组成的止水都不能很好地解决高面板坝周边缝止水问题，止水材料复合技术的探索大多局限在对两类材料性能缺陷的弥补上，属于材料复合。但材料复合只能解决止水局部问题，无法提高止水整体的可靠性，只有将刚性和柔性两类材料的功能进行分工合作，才能形成耐高水压、大变形下的独立止水。高面板坝周边缝止水的功能复合中，柔性材料实现接缝大变形条件下的可靠密封止水功能；而刚性材料通过特殊的型式设计，实现接缝大变形及高水压下对柔性材料的可靠支撑，并不要求其具有密封止水作用。通过这种“柔性密封、刚性支撑”的功能复合来提高接缝止水在高水压、大变形情况下的可靠性。
    2)采用制作、安装分离的工艺保证止水制作质量
    复合止水的型式和制作过程较复杂，在现场工况下，质量难以得到保证，因此有必要将独立止水复杂的制作工艺过程置于室内工厂化条件下完成，使止水制作质量得到有效监控。
     制作、安装分离后，止水的安装就可以采用可靠的预埋安装底座和浇筑安装结合的后安装方式：周边缝中底部止水的安装在趾板浇筑后、铺设面板混凝土钢筋前进行，中底部止水与趾板混凝土相连的一端采用螺栓固定的安装方式，另一端采用安装钢架与面板混凝土中钢筋焊接固定，浇筑面板混凝土时安装钢架浇筑于混凝土中的方式固定；垂直缝的中底部止水由于接缝两侧都是面板混凝土，因此止水两端的安装都采用固定于面板混凝土钢筋架上，浇筑面板混凝土时安装钢架浇筑于混凝土中的方式安装；顶部止水的安装在面板浇筑完毕后进行，止水两端都采用螺栓固定的方式安装。
    3)选择的密封材料需保证搭接和异型接头的可靠性
     搭接和异型接头止水的可靠性直接影响止水体系的有效性。搭接包括止水自身的现场搭接修补和多道止水间的搭接。止水自身的搭接质量主要取决于止水材料的性能，选择现场浇筑、常温固化成型的柔性密封材料，可满足现场搭接简单、可靠的要求。独立止水自身搭接的问题一旦得到解决，由于多道止水采用相同止水材料和相近的型式，各道止水间的搭接就转变为止水本体的搭接。
3  高面板坝周边缝止水整体解决方案中的独立止水设计
3．1  柔性密封材料的选择


     在高面板坝周边缝止水整体解决方案中，柔性密封材料的主要功能是密封和适应变形，因此柔性密封材料除具备可靠的防水密封性和延展性外，还要兼顾其他一些要求：1)与钢铁材料粘接强度高；2)材料本身强度与橡塑止水带材料近似，便于控制体积；3)能现场浇注且配比简单，属于室温固化型材料，同时材料固化后与新浇注的柔性止水材料间能可靠融合，现场搭接可靠。聚硫橡胶是满足上述要求的几种柔性止水材料之一，其与其它几种主要止水材料性能的对比如表1。

表1  几种止水材料基本性能对比
止水材料 材料强度/MPa 材料延伸率/％ 搭接工艺
本体搭接 与其它材料搭接
铜片不锈钢片PVC天然橡胶柔性填料聚硫橡胶 22030014160.050.4～2.5 20～4530～59300～400450～600400～1000300～600 铜焊32％不锈钢焊热接现场模具硫化本体粘接现场浇筑 铆接铆接铆接铆接本体粘接现场浇筑

双组分聚硫密封胶是以液态聚硫橡胶为主，加入补强剂、增韧剂、增粘剂、触变剂和其他添加剂，配置加工成基膏；以金属氧化物等配制成硫化膏，两组分混合后固化为弹性密封材料。该橡胶高分子主链上含有-S-S-双硫键，并呈饱和状态。高面板坝周边缝止水整体解决方案中，独立止水以刚性支撑为基础，限制了柔性密封材料的变形，其实际伸长率一般控制在30％～50％，而以聚硫胶为柔性止水材料的止水本体延伸率高达300％～600％，因此在此工况下不致导致明显的应力松弛。
3．2  刚性支撑型式的设计
    在高面板坝周边缝止水整体解决方案中，刚性支撑的主要功能是对柔性止水材料提供可靠支撑，且接缝的变形不会影响这种支撑的效果，因此应具备较高的强度和适应接缝变形的适当型式。基于经验和必要的试验验证，我们选用了1 mm厚的不锈钢板作为刚性支撑材料，与其它常用金属材料相比，它不仅满足支撑的强度要求，还具有耐久性更可靠、延伸率更大、加工性更好的特点。
    刚性支撑勿需具备密封功能，则可以存在间隙，利用柔性密封材料可以容忍的间隙，提高支撑对剪切变形的适应能力。如图2所示，将不锈钢板设计为波幅10 mm左右、包含多个波纹的窄波形条带，由多个这种波形条带以一定间隙排列，两端以螺栓固定，波形条带可以绕螺栓转动，形成螺栓固定方式组装的连续刚性支撑。有间隙、可分解的多波纹的条带方案除有效控制刚性支撑的体积，还可回避刚性支撑的搭接问题。

图2见第8页  不锈钢板波形条带及其排列效果图

    经推导，可知波形条带间隙、两端固定孔中心距和波形条带支撑能承受的剪切变形量关系计算公式如下：
x= —1
式中：x为波形板间间隙与波形板宽度的比值，b为波形板两端固定孔的中心距，c为以间隙比为x的整齐排列波形板能承受的剪切变形量。波形条带宽度为 1 cm、止水宽度约20 cm时，如果剪切变形量按10 cm计算，则其间隙约为1．5 mm，辅以垫板等保护措施后，这一间隙不致引起聚硫橡胶在高水压下被挤出。


3．3  新型独立止水的基本型式设计及安装工艺
    根据对柔性密封材料、刚性支撑材料与型式的讨论，我们提出了独立止水基本型式，见图3。独立止水采用制作、安装分离的方式，接缝两侧混凝土在浇筑前应预设止水安装基座(见图4中原始接缝)，聚硫橡胶浇注于不锈钢安装架间 (见图4中断面示意)，背水面铺设由不锈钢波形条带组成的刚性支撑，不锈钢架上预制了固定于接缝两端安装底座的螺栓孔。

图3见第8页  独立止水的基本型式
图4见第8页  新型独立止水安装形式

    新型独立止水的现场安装简单可靠，安装前预设基座的原始接缝也勿需特别保护，安装的可靠性也有必要的保证。
    柔性填料止水与新型止水构造对比见图5。新型独立止水体积小巧，同时因其制作、安装分离，不仅可以安装于顶部，还可安装于接缝中部和底部，形成多道止水。

图5见第8页  柔性填料止水(左)与新型止水构造(右)对比

4  小结
    通过上述对高面板坝周边缝止水整体解决方案可行性的论证，得到以下几点启示：
    1)新型复合止水体现柔性密封、刚性支撑的设计思想，高水压、大变形条件下止水可靠，且体积小巧、现场安装简单可靠，能设置为多道止水，是高水压大变形接缝止水问题可能的解决方案。
2)现有面板堆石坝止水规范所限定的设计原则应加以修订，以突破传统止水的局限性；止水测试评价标准也应更加注重对止水效能和止水整体解决方案的全面评价，使满足标准的止水设计更加可靠实用。
同时，本文提出的高面板坝周边缝止水整体解决方案，仅仅通过了原理性评价测试，仍然存在许多有待优化的局部细节，如密封材料的优化，包括配比、型式以及其他室温固化型密封材料的比选；刚性支撑的型式简化，如采用波纹钢丝网取代波形条带，换用多层钢丝网支撑以及具有回弹功能的支撑，以提高止水耐受反复变形的能力等。
　　参考文献
　　[1]蒋国澄，傅志安，凤家骥，混凝土面板坝工程.第1版.湖北：湖北科学技术出版社，1997
　　[2]熊泽斌，王秘学.水布垭混凝土面板堆石坝止水系统设计.人民长江，1998，29(8)