某砌石坝坝面防渗方案比较及计算分析

某砌石坝坝面防渗方案比较及计算分析

钦震杰

钦震杰

上海勘测设计研究院有限公司上海200434

摘要：砌石坝由于施工、建造年代久远等原因，存在渗漏问题是普遍的，但由于砌石坝坝体体型复杂，防渗加固难度大，防渗加固的成败在于选择什么样的防渗方式，采取何种施工方式。聚脲弹性体材料在建筑工程中应用范围广，在铁路、交通等行业中也有采用，在水利水电行业应用相对较少，本文结合工程实际，介绍了聚脲弹性体材料作为防渗材料在坝面防渗设计中的应用，为今后类似工程设计提供借鉴。

关键词：砌石坝；坝面防渗；防渗材料

1、工程概况

江苏溧阳市天目湖平桥石坝水库，水库总库容72万m3，主要功能为供水和灌溉，工程于1979年底下闸蓄水，设计灌溉面积为600亩，实际灌溉面积560亩，设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为200年一遇。挡水建筑物为一座浆砌石双拱坝，坝顶总长度108m，最大坝高24m。水库冬春及汛期控制水位72.00m，20年一遇设计洪水位73.82m，200年一遇校核洪水位74.41m，死水位58m。经过多年运行，水库出现较多异常情况,尤其是水库渗漏，拱坝中支墩平台处渗漏严重,右拱坝身也有多处渗漏。

2、防渗加固设计原则

坝体渗漏采用多种施工工艺和材料的结合、堵防结合、封排结合、综合治理的原则进行方案设计。坝基防渗主要采用帷幕灌浆，要求帷幕灌浆尽量不影响大坝已有设施的正常运行，要求帷幕施工方便。

3、坝体防渗加固设计方案的选择

坝体防渗可进行坝体灌浆加固，也可坝面构筑防渗体防渗。本工程坝身单薄且倾斜，所以坝体灌浆不适用，可采用坝面防渗加固。坝面防渗材料不同，其施工方式亦不同。目前主要有以下几种坝面防渗方式：（a）混凝土防渗面板防渗方式,该方法根据材料不同可分为钢筋混凝土面板和沥青混凝土面板两种；（b）喷射混凝土防渗方式，该方法有钢纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土；（c）坝面卷材防渗方式，有聚乙烯丙纶双面复合卷材或者复合土工膜；（d）聚合物砂浆防渗方式，聚合物砂浆的种类比较多，比较常用的是丙乳砂浆；（e）XYPEX（赛柏斯）渗透结晶材料防渗方式；（f）聚脲弹性体材料防渗方式，应结合本工程特点进行方案比选，通过技术经济比较选用合适的防渗措施。

（1）坝面防渗加固方案

由于水库具有供水功能，加固材料选用时应考虑其对水质无污染影响。本工程是浆砌石坝体，根据工程经验及本工程的特点，提出以下几个方案作为比较。方案一（钢筋混凝土贴面防渗方案）：常用的加固方案，选择质量高、抗裂性能好的聚丙烯纤维混凝土浇筑面板，中部设钢筋网，面板和坝体结合处设化学植筋，间距2米，15米分段设伸缩缝及止水。方案二（钢筋混凝土贴面联合沥青过渡层的复合防渗方案）：防渗面板与坝体间增加沥青柔性过渡层，化学植筋采用1米间距，其余布置同方案一。方案三（聚脲弹性体材料联合聚合物砂浆复合防渗方案）：聚脲弹性体材料很好的附着力，但坝体为浆砌块石结构，作为底材由于石料有几种岩石组成，且还存在勾缝砂浆等，表面不平整影响聚脲弹性体成膜质量，所以不适合单一使用，坝体迎水面处理后，先喷2cm厚聚合物砂浆，再喷涂2mm厚聚脲弹性体材料，聚合物砂浆本身也具备一定的防渗能力。方案四（聚乙烯丙纶双面复合卷材防渗方案）：坝体迎水面处理后，水泥浆找平，再进行防水层处理，聚丙乙烯纶双面复合卷材料黏贴后涂抹表层水泥砂浆，避免复合卷材料因紫外线照射等原因降低耐久。

（2）防渗加固设计方案应力计算分析

坝体结构在进行加固后，其应力状态会因防渗层材料和坝体材料的刚度不同而产生变化。根据以往研究表明，面板作为传力结构，基本不分担荷载及承载弯矩，荷载通过坝面传到坝体后由坝体受力，本工程在长时间的运行下，浆砌石坝的变形总体已经稳定，但在加固过程中会因为温度荷载、水库水位变动等原因受到影响，面板也随之受到影响，故通过三维有限元分析方案一及方案二的坝面及坝体应力状态。三、四方案中坝面防渗采用柔性材料，厚度较薄且两层间只有很小的约束，这就有效避免了坝底应力集中，因此无需计算应力。现列出方案一、方案二控制工况下加固后的坝体和面层最大主拉应力计算结果及等色云图，详见表1及图1-1～4。

根据计算可以看出，方案一、方案二钢筋混凝土面板的防渗层会有较大拉应力产生，前者防渗层拉应力超过了规范限值；后者通过增加沥青柔性过渡层，降低了防渗层拉应力，应力满足规范要求。

（3）防渗加固设计方案综合比选

表2为前文中各个加固方案的综合比选。方案一中防渗层拉应力超过了规范限值；方案二通过增加过渡层降低了防渗层拉应力，但应力仍然较大，而且出现裂缝现象时，面板和沥青二者间积水问题不易解决，影响面板结构，此外，施工也比较复杂。与前两者相比，三、四方案的防渗层使用了柔性材料，材料本身具备很好力学性能及防渗能力。方案四复合卷材和坝体粘结的过程中，卷材容易变形扭曲，进而影响到与坝体的粘结，施工质量不易控制，同时材料易老化，所以经过综合比选，选择方案三聚脲弹性体材料联合聚合物砂浆复合防渗。

4、聚脲弹性体材料联合聚合物砂浆复合防渗方案

随着科技的发展，人们对环境的保护更加的重视，国外对防渗新材有着更早的研究，喷涂聚脲弹性技术面世以来，它无溶剂、无污染的特性符合了当前人们对环境保护的需求，因此受到了越来越多的应用，尤其在建筑工程中应用范围广，在铁路、交通等行业中也有采用。聚脲弹性体力学性能优异并且不透水，根据试验测试结果，2MPa的水压力中可以实现24小时不透水并且不影响材料性能。

坝面防渗设计为充分考虑浆砌石坝的景观要求，最大程度不改变建筑风格，控制水位以下坝段采用三聚脲弹性体材料和聚合物砂浆复合防渗。控制水位以上非溢流坝段，对勾缝中的原砂浆进行处理后再用聚合物砂浆勾缝。坝面处理工艺为：坝面清基→灌浆集中渗漏通道→二次清基→聚合物砂浆施工→抹界面剂→均匀喷涂聚脲弹性体。

施工时先清基坝脚，将松动、破碎基岩撬挖清除，同时，为构筑下部防渗帷幕的施作平台，构建长、宽分别为2.00m、1.00m的C20混凝土基础坐垫。防渗层应覆盖混凝土座垫，在坝面与座垫转角处用聚合物砂浆做成圆弧过渡，以利于聚脲材料施工，改善材料适应变形能力。

5、结语

聚脲弹性体材料具有不透水性，和多种底材都有很好的附着力，但考虑到本工程特点，坝体为浆砌块石结构，作为底材由于石料有几种岩石组成，且还存在勾缝砂浆等，这样一来底材就比较多，且凹凸不平，所以设计中设置丙乳砂浆基层，丙乳砂浆与砌石、聚脲均有良好的粘结性，本身具备一定的防渗能力，可以起到辅助防渗。水库施工完成，已下闸蓄水超过5年，目前运行情况良好，解决了大坝渗漏问题，获得了建设方的认可。新材料、新技术的成功应用，检验出聚脲弹性体材料的在水利行业应用前景广阔，可以为后续工程的地推广应用提供借鉴。

参考文献：

[1]白永年，中国堤坝防渗加固新技术[M]，北京，中国水利水电出版社，2001

[2]毛昶熙，渗流计算分析与控制[M]，北京，中国水利水电出版社，2000

[3]严祖文，彭雪辉，张延亿，病险水库除险加固风险决策[M]，中国水利水电出版社，2011

作者简介：

钦震杰（1985-），男（汉族），浙江省湖州人，工程师，学士，主要从事水利水电工程设计。