混凝土面板堆石坝面板表层止水施工技术及发展

邓正刚，郝巨涛，王爱玲，鲁一晖，窦铁生，何旭升，徐 耀

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.水电水利规划设计总院，北京100120)

混凝土面板堆石坝面板表层止水施工技术及发展

邓正刚1，郝巨涛1，王爱玲2，鲁一晖1，窦铁生1，何旭升1，徐 耀1

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.水电水利规划设计总院，北京100120)

我国混凝土面板堆石坝面板接缝表层止水施工技术大致经历了4个阶段，最初的人工施工阶段是依靠绳梯工人站在坝坡上通过手工将填料嵌填在面板接缝表面；半机械化施工阶段是先用挤出机将填料挤出成型，再由人工铺填；机械化施工阶段是挤出机借助平台车在坝面陡坡上行走完成填料的嵌填施工；一体化机械施工阶段是施工组合台车系统中的挤出机将盖板和填料同时挤出安装在面板接缝表面，该方法是未来面板接缝表层止水施工技术的发展方向。

面板接缝；表层止水；挤出机；一体化机械施工；混凝土面板堆石坝

0 引 言

从西北口水电站工程混凝土面板堆石坝开始建设至今，我国采用现代碾压技术修建面板堆石坝已有30多年，与国外相比，面板坝建设起步虽然较晚，但是发展迅速。特别是在1995年至今的20多年里，先后建成了100 m级的混凝土面板堆石坝50多座，其中有世界最高的面板堆石坝——湖北清江水布垭大坝。

面板接缝表层止水是面板坝第一道防渗体系的关键环节之一，若其在任一环节发生渗漏，同时在大坝堆石体的过渡料对垫层料的支撑、反滤保护作用失效时，垫层料就会在一定水头的渗流作用下出现渗透破坏，造成垫层料流失，形成逐步扩大的渗流通道，引起面板脱空、塌陷，最终影响整个坝体的稳定。

1 面板接缝表层止水结构

按接缝所处位置的不同，可以将面板堆石坝面板接缝表层止水分为周边缝、垂直张性缝、垂直压性缝、防浪墙底缝和各种水平施工缝。从西北口面板坝建设开始，我国就在国外面板接缝止水设计经验的基础上，基本确定周边缝和垂直张性缝的表层采用柔性填料作为止水，目前，在建和已建的高面板坝的周边缝表层柔性止水主要采用图1所示结构，该结构是中国水利水电科学研究院(以下简称“中国水科院”)通过“九五”攻关研究提出的新型止水结构形式[1-2]。

图1 周边缝表层柔性止水结构

鉴于沟后水库溃决的主要诱因是库水位超过防浪墙底缝缝面高程，同时防浪墙底缝止水失效造成坝顶大量漏水，坝顶砂砾石料几乎完全饱和后失稳，最终引起坝体滑坡。设计人员在后来的工程中高度重视了防浪墙底缝的作用，采用了如图2所示的适应大变形的新型表层柔性止水结构，该结构增加了波浪形橡胶止水带，用以加强防浪墙底缝。

图2 防浪墙底缝表层柔性止水结构

位于面板混凝土表面的接缝止水，由于施工质量易于检查，有质量问题时也容易修复，所以大多数100m级的混凝土面板坝在面板垂直压性缝和水平施工缝的表面都设计了表层柔性止水，垂直张性缝、垂直压性缝和水平施工缝的表层柔性止水结构分别如图3所示。

图3 表层柔性止水结构

以柔性填料为主的混凝土面板坝表层止水防渗结构，在坝体没有产生变形前，柔性填料与表层盖板一起通过密封面板接缝两侧的混凝土表面发挥止水作用；当坝体发生较大沉降和变形，特别是面板接缝张开甚至底部铜止水发生张拉、剪切破坏时，需要柔性填料在水压力的作用下流入接缝腔内封堵渗漏通道，继续发挥止水作用，以保证坝体安全，因此，柔性填料嵌填完成后，其自身的密实度以及其与面板混凝土表面间粘接的紧密程度将直接影响面板坝第一道防渗体系的防渗效果。

2 面板接缝表层止水施工技术

我国混凝土面板坝接缝表层止水施工技术大致可以分为人工施工、半机械化施工、机械化施工和一体化机械施工4个阶段。2002年以前，混凝土面板接缝表层止水全部都采用人工施工，为解决机械化施工的问题，中国水科院从2002年开始就投入资金、人力并联合西安理工大学进行研制，由于面板接缝表层止水机械化施工技术涉及较多环节，存在较大的技术难度，在研制过程中遇到了不少难题。经过多年坚持不懈的努力，研究人员实现了该技术的快速机械化施工，并基本实现可以将该技术应用在面板全部表层接缝止水的施工中。

2.1 接缝表层止水人工施工

面板接缝表层止水的人工施工是指进行止水施工的工人依靠绳梯站在坡比为1∶1.4甚至1∶1.3的坝面，采用手工作业方式将预先切割成相应形状的柔性填料嵌入面板间的V形槽并锤实压平，然后在填平后的V形槽两侧继续分层嵌填、粘贴柔性填料，直到将柔性填料嵌填成断面尺寸符合设计要求的扇形鼓包，在完成一段柔性填料的嵌填后，将盖板盖在扇形鼓包表面并将盖板锚固、封闭。

工人长时间依靠绳梯站在坝坡上通过手工嵌填柔性填料，劳动强度大，人身安全也存在较大风险，同时由于柔性填料的断面大多是矩形的板或柱，且柔性填料本身粘软并具有一定的弹塑性，所以在坝面陡坡上工人通过手工将柔性填料密实地嵌入V 形槽，并完成断面尺寸符合设计要求的扇形鼓包的嵌填是相当困难的，当外界温度偏低导致柔性填料硬度增大时，嵌填困难的问题尤为突出，为保证施工质量，必须加强旁站监理的监督，才能有效保证柔性填料嵌填的密实度。

从已建工程情况来看，手工嵌填柔性填料的效率很低，嵌填质量不理想，普遍存在嵌填密实度不够导致柔性填料嵌填数量不足的问题，特别在工期紧张需要同时多开几个接缝表层止水施工工作面时，问题更加突出，影响了接缝止水设计效果的发挥，特别在接缝发生张拉变形时，柔性填料可能会因嵌填数量的不足而发生流动中断，不能发挥流动止水的作用，削弱了面板接缝防渗体系的安全性。

2.2 接缝表层止水半机械化施工

采用机械设备代替工人手工嵌填柔性填料是提高面板接缝表层止水施工质量唯一有效的途径，2002 年中国水科院研发了如图4所示的柔性填料挤出机，该设备在贵州引子渡、洪家渡等面板接缝表层止水的施工中进行了试验性应用。

图4 柔性填料挤出机

挤出机的工作过程为：由入料口投入柔性填料，经挤压螺旋压实后挤入成型内模中，在内模腔内处于高塑性状态的柔性填料在压力的作用下，通过多孔板塑化后挤满成型外模，挤满于成型外模内的柔性填料产生反作用力，继而推动挤出机在面板接缝表面移动，然后挤压螺旋再将由入料口投入的柔性填料压实挤入，如此反复，直到完成柔性填料的嵌填施工。

由于外模需要承受柔性填料挤入时产生的挤压力，因此需要使用膨胀螺栓将外模固定在面板混凝土的表面上，挤出机在接缝表面前行一段距离后，需装上新的外模，同时卸下已嵌填好柔性填料部分的外模并处理备用，随着挤出机在接缝表面不断前行，需要不断装上新外模、卸下已嵌填部分的外模。

由于该设备没有配置行走动力，加上外模装卸的效率很低，因此柔性填料的挤出嵌填速度很慢，只有3～4 m/h，而且在没有辅助设备的情况下，基本无法在坡比为1∶1.4的坝面上行走并完成柔性填料的挤出施工，因此很难在实际工程中推广应用。

尽管如此，设备在拆除关节式支承轮后，按设计要求的扇形尺寸挤出柔性填料的效率还是比较高的，并且挤出成型的柔性填料均匀密实、粘性好，为此河南盘石头、山西西龙池等工程在面板接缝表层止水施工时，先在坝顶采用挤出机将柔性填料按设计要求的扇形断面尺寸挤出成型，然后分段传送到施工现场，再由人工铺填在接缝表面，完成柔性填料的嵌填施工，这一阶段称为表层柔性止水半机械化施工。

2.3 接缝表层止水机械化施工

图5 坝面施工平台车

为解决柔性填料挤出机不能在坡比为1∶1.4甚至1∶1.3的坝面陡坡上行走这一难题，结合公伯峡面板坝工程，中国水科院研制了如图5所示的可以辅助挤出机在坝坡上进行施工的平台车，该平台车配置了方向控制系统，为挤出机的安装和运行预留了空间，安装了挤出机的平台车通过坝顶卷扬机的牵引，放置在坝坡上形成一个安全、方便施工的操作平台，同时，利用平台车的压力，可以将柔性填料挤出成型所需的外模压在面板接缝表面，外模之间通过U形连接卡进行连接，方便装卸，使挤出机可以在坝面陡坡上连续行走进行挤出嵌填施工，提高了施工速度。

平台车一方面解决了挤出机不能在坝坡上单独行走施工的问题，另一方面使柔性填料挤出成型所需的外模不需要再在面板混凝土表面打孔后用膨胀螺栓固定，采用平台车后，公伯峡水电站的面板垂直张性缝柔性填料的挤出嵌填速度达到了10 m/h[4]。

为进一步提高柔性填料挤出嵌填的施工速度，在平台车的基础上又研制了如图6所示的由履带式牵引台车、挤出施工台车、送料台车等设备组成的施工组合台车系统。

图6 施工组合台车系统

履带式牵引台车上设计了可以停放挤出施工台车的斜台，斜台坡度可调整控制到与坝面坡度一致，需要进入下一个工作面时，牵引台车可直接将挤出施工台车和停在施工台车上的送料台车沿坝面拉到牵引台车的斜台表面停放，然后一起运送到下一工作面就位，缩短了设备挪位安装所需的时间。

送料台车可以直接开到挤出施工台车的平台上，并可快速往返于挤出施工台车和坝顶之间，用于运送施工所需的材料。

改进柔性填料挤出嵌填成型方式、取消成型外模后的挤出机，将柔性填料挤出成为外形尺寸符合设计要求的扇形断面后，填料在重力作用下直接落到面板接缝间设计要求的混凝土表面。刚通过螺旋挤压成型的填料不仅柔软，而且粘性很大，可以很好地与接缝两侧的混凝土表面和盖板粘接。

挤出施工台车配有盖板卷轴和夯实机，随着施工台车在接缝表面自下而上挤出柔性填料后，操作人员可同时释放盖板，并将盖板安装在已挤出成形的扇形填料鼓包上，紧接着采用夯实机把填料与盖板和混凝土间的结合面夯实压紧。

通过使用施工组合台车系统和取消柔性填料挤出成型所需的外模，大大加快了面板接缝表层止水机械化施工的速度，吉林双沟、湖北潘口、新疆温泉混凝土面板坝在面板接缝表层止水的施工中都采用了该技术，现场挤出成形速度最高时达到了120 m/h[5]，真正实现了面板接缝表层柔性止水的快速机械化施工。

2.4 接缝表层止水一体化机械施工

面板接缝表层止水在从人工施工到半机械化施工、再到快速机械化施工的过程中，柔性填料的挤出嵌填成型经历了无成型外模到有成型外模、再到无成型外模的循环过程，从嵌填成型的密实度和与面板混凝土表面的粘结效果来看，有成型外模时柔性填料嵌填施工的密实度和粘结效果最好。

使用施工组合台车系统进行面板接缝表层止水快速机械化施工时，虽然挤出成型的柔性填料密实度很好，但由于面板接缝的V形槽和接缝两侧混凝土表面的平整度往往不够好，有时V形槽还存在较大的尺寸误差，这时，即使采用夯实机也不容易将空隙过大部位的柔性填料与盖板和混凝土间的结合面夯实，同时，盖板是采用人工辅助释放安装在扇形填料鼓包上的，这些都对施工的质量和效率产生了不利影响。

为进一步提高施工质量和效率，在随后的研制中，中国水科院的科研人员又改进了施工组合台车系统中挤出成型部分的结构，改进后的施工组合台车系统可以将盖板作为成型外模，作为成型外模的盖板不再需要卸下后再安装使用，加快了施工速度，同时，由于有了成型外模，柔性填料可以在挤压力的作用下充分地将存在较大尺寸误差的V形槽和接缝两侧不平整的混凝土表面填充密实，并与盖板和混凝土表面很好地粘结在一起，不再需要夯实机进行夯实，使面板接缝表层止水施工的整体效率和质量得到了很大的提高。

采用施工组合台车系统带着盖板将填料一次性挤出完成表层止水施工的方法称为接缝表层止水一体化机械施工，该方法是未来面板接缝表层止水施工技术的发展方向。

3 存在的问题与改进措施

与人工施工相比，面板接缝表层止水采用一体化机械施工的成本较高，根据2001年的水利水电工程概预算定额分析计算，面板垂直缝表层止水采用人工施工所需的直接人工费约为22.35元/m，周边缝约为68.75元/m[6]，即使按目前实际人工工资约140元/日计算，垂直缝采用人工施工的直接人工费也才约为105元/m，周边缝约为320元/m，而采用一体化机械施工技术进行施工，垂直缝的直接施工费约为250元/m，周边缝约为650元/m，比人工施工的直接施工费高出了一倍多。因此，至今绝大多数混凝土面板坝在面板接缝表层止水的施工中主要还是采用人工施工。

提高设备的自动化程度，进而提高面板接缝表层止水机械化施工的效率，这是降低一体化机械施工成本的唯一路径，从目前情况看，为提高机械施工的效率还应对相关设备作以下几方面的改进：

(1)采用配置随车起重机的卡车代替履带式牵引台车，增加可视化操作平台，将卡车改为挤出施工的综合控制中心，施工结束后，卡车又可以作为运输工具将所有施工设备运回，降低设备进出场所需的运输费。

(2)改进挤出机，提高挤出机的挤出效率，加快挤出施工的速度。

(3)改进挤出施工台车，增加橡胶棒(或PVC棒)安装、底胶涂刷等系统，减少机上人员及辅助人员的使用数量。

(4)增加扁钢安装、盖板封边系统，提高扁钢安装和盖板封边的效率。

与20年前相比，水电市场现在临时工的实际日工资增加了3倍多，2014年时西南水电市场的人工单价大概为100元/工日左右(实际还要高)[7]，在一些地区，承包人往往需要支付到150元甚至更高的日工资才能雇到普通的临时工，采用人工施工的成本在不断地提高，相信随着施工设备综合施工效率的提高，机械施工费用的降低，以及施工质量要求的进一步严格，将会有更多的面板坝工程在面板接缝止水的施工中采用一体化机械施工技术。

[1]贾金生，郝巨涛，吕小彬，等. 高混凝土面板堆石坝周边缝新型止水[J]. 水利学报，2001，1(2)：35-38.

[2]贾金生，郝巨涛. 面板坝周边缝止水发展状况和新型表层止水 [J]. 水利水电技术，1998，29(2)：19-22.

[3]李君纯. 青海沟后水库溃坝原因分析[J]. 岩土工程学报，1994，16(6)：1-14.

[4]石四存，武选正. 公伯峡面板堆石坝止水设计与机械化施工 [J]. 水力发电，2004，30(8)：25-27.

[5]何旭升，鲁一晖，郭霞辉，等. 混凝土面板堆石坝面板表层止水机械化施工技术[J]. 水力发电，2012，38(8)：55-57.

[6]王国忠，程燕. 混凝土面板堆石坝止水工程单价分析与研究[J]. 东北水利水电，2001，19(9)：1-3.

[7]黄大恒. 水电建设工程工期延误补偿问题探讨[J]. 人民长江，2014，45(22)：18-21.

(责任编辑 王 琪)

Development of Construction Technology of Joint Surface Waterstop for Concrete Slabs of CFRD

DENG Zhenggang1, HAO Jutao1, WANG Ailing2，LU Yihui1, DOU Tiesheng1, HE Xusheng1, XU Yao1

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

The construction technology of joint surface waterstop for concrete slabs of CFRD in China has experienced four stages roughly. The artificial construction stage is that workers rely on rope ladder to stand on dam slope and embed plastic filler on the surface of slab joints by hand. The semi-mechanized construction stage is using filler extrusion machine to extrude plastic filler as compacted shape which conforms to design requirements and then to fill it on the surface of slab joint by hand. The mechanical construction stage is using filler extrusion machine to complete embedding of plastic filler while it walks on dam slope with the aid of flat carriage. The integrated mechanical construction stage is using filler extrusion machine installed in integrated flat carriage to extrude plastic filler on the surface of slab joints and install cover on the surface of embedded filler at the same time. The integrated mechanical construction is the future development direction of the construction technology of joint surface waterstop.

slab joint; surface waterstop; filler extrusion machine; integrated mechanical construction; CFRD

2016-07-27

邓正刚(1968—)，男，贵州安顺人，高级工程师，硕士，主要从事水工材料和技术的研究和推广应用.

TV641.43

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0559-9342(2016)12-0065-04