RCC大壩壩體防滲新技術——蒙古泰西爾大壩壩體防滲設計與施工

 1 前言

　　使用柔性不透水防滲薄膜進行水工建筑物的防滲與保護，是瑞士卡皮公司（CARPI TECH S.A.）的專利技術，已成功地用于修復重力壩、拱壩、連拱壩和土石壩，并為新堤壩、渠道襯砌、圍堰提供不透水的上游面。在歐洲、美洲一些國家較為常見，已有40多年的歷史。

　　通過現(xiàn)場焊接，將預先設計加工成型的壩體防滲薄膜連接成整塊，采用不銹鋼壓板、特制的環(huán)氧樹脂粘合材料以及輔助材料將防滲膜固定在周邊堅固耐久的閉水物體上（如堅固的巖石，高標號常態(tài)砼等），達到整體連接、封閉止水的目的。

　　在RCC大壩上游面安裝防滲膜，作為壩體防滲的的主要措施，在世界高寒地區(qū)尚屬首例。本文詳細介紹防滲膜安裝技術在蒙古泰西爾水電站工程中的應用。

2 項目概況

　　蒙古泰西爾水電站工程位于蒙古首都烏蘭巴托以西大約1050km處的戈壁阿爾泰和扎布汗省交界的扎布可汗河烏蘭布姆峽谷上。壩址處河床原始海拔高程在EL1600m和EL1700m之間，砂石覆蓋層厚度4～5m。

　　大壩為碾壓砼壩，河床以上壩體總高50m，壩頂長約190m，大壩體積約200,000m³。大壩建成后將形成一個水面面積50km²、庫容約9.3億立方米的一個水庫。位于壩體中部的寬75m帶有臺階狀泄槽的無閘門溢洪道，壩后地面式廠房，額定總裝機容量11MW，包括三臺3.45MW和一臺650kW混流式水輪發(fā)電機組。大壩壩頂寬度5m，擋水壩段頂部高程EL1708m，溢流壩段頂部高程EL1704m；大壩上游面EL1668m以上設計為豎直面，EL1668m以下進水塔以左設計為斜坡面、其坡度為1：0.85，進水塔以右為豎直面；大壩下游面設計為臺階狀，平均坡度為1：0.725，每個臺階的寬度為0.725m、高度為1m。

　　極端寒冷的冬季和炎熱的夏天是該地區(qū)地區(qū)性大氣候的特點。年平均氣溫為0°C，極端氣溫值為一月份-51°C，七月份+39°C，晝夜溫差大。區(qū)域的年降水量僅為200mm。主要風向為西北風和北風，4、5月份風沙大且頻繁。

3 壩體防滲設計

　　大壩防滲由單排灌漿防滲帷幕和壩面防滲膜兩部分組成，帷幕灌漿施工在緊靠大壩上游面澆筑的灌漿平臺上進行，最大入巖深度35m。壩面防滲膜底端錨固在灌漿平臺上，頂端錨固在RCC上部的常態(tài)砼（0.4m厚）上，進水塔和溢流壩部位的防滲膜錨固在相應的常態(tài)砼上。安裝防滲膜進行壩體防滲，從根本上解決了在高寒地區(qū)砼防滲的技術難題，是一項大膽的技術創(chuàng)新。參見圖1。

圖1  蒙古泰西爾大壩防滲設計圖

　　3.1 壩體砼主要技術性能指標

　　3.1.1 碾壓砼

　　壩體大體積砼為準三級配碾壓砼（MSA=51mm），90d齡期的設計抗壓強度為6MPa，Vebe時間控制在15～30s，通過摻加足夠的石粉（每立方米碾壓混凝土摻加146kg人工石粉）和外加劑來降低水泥的用量（75kg/m³）及改善砼的性能，無任何防滲指標要求。

　　3.1.2 面層砼

　　主要用于壩體上下游面或與巖石的接合面，一級配砼，塌落度為1～4cm，設計厚度為15cm，28d齡期的設計抗壓強度為20MPa；

　　3.1.3 墊層拌和物

　　主要用于碾壓砼的層間結合面，一級配砼，塌落度15～25cm，90d齡期的設計抗壓強度為25MPa。

　　3.1.4 SH142

　　主要用于碾壓砼倉號內無法進行碾壓砼施工的邊角部位，三級配砼，塌落度1～3cm，水泥用量控制在142kg/m³，齡期90d的設計抗壓強度為10MPa。

　　3.1.5 灌漿平臺砼

　　準三級配鋼筋砼，塌落度7～9cm，28d齡期的設計抗壓強度為20MPa。河床部位灌漿平臺3m寬，澆筑厚度1.5～3.5m，兩壩肩灌漿平臺1.5m寬，澆筑厚度0.4～1.2m。

　　3.2 壩體防滲薄膜主要技術性能指標見表1。

　　壩體防滲薄膜使用柔性聚氯乙烯（PVC）材料與具有熱粘、非紡織、針穿聚脂土工布相粘結，具有足夠的柔性；在高達40°C的溫度下，可以進行現(xiàn)場焊接；能夠抵抗紫外線的侵襲；在壩內潮濕的堿性環(huán)境下，能夠抵抗住侵蝕，也能夠抵得住有機物和細菌生長的惡化；外露薄膜的PVC的最小厚度為2.5mm，內部襯墊薄膜的PVC的最小厚度為1.6mm。

4 施工概況

　　壩面防滲膜安裝由瑞士卡皮公司分包施工，現(xiàn)場共7名管理和施工技術人員，我方派1名工長、1名技術員和8名勞務協(xié)同施工。

　　防滲膜安裝施工自2007年6月11日開始，2007年9月1日竣工。先后分別完成C區(qū)防滲膜安裝1960m²，B區(qū)防滲膜安裝3908m²，A區(qū)防滲膜安裝2267m²，合計8135 m²。比合同工期提前了一個多月時間。

　　C區(qū)（EL1668m以下）為斜坡面，屬于常年淹沒區(qū)，設計采用砂石料回填覆蓋。6月11日開工，6月26日完工，工期16天。

　　B區(qū)（EL1668～EL1692m）為垂直面，也屬于常年淹沒區(qū)。根據(jù)施工整體進度的安排，B區(qū)又被分成B1（EL1692～EL1685m）和B2(EL1685～EL1668m)兩個區(qū)進行施工。其中B2區(qū)6月25日開工，8月4日完工，工期41天。

　　A區(qū)（EL1692～EL1707.75m）為垂直面，屬于庫水位起伏變化區(qū)。A區(qū)和B1區(qū)聯(lián)合施工，7月17日開工，9月1日完工，工期47天。

表1  壩體防滲薄膜主要技術性能指標

*——為覆蓋金屬部件的PVC蓋條的性能指標值。

5 施工主要技術方法描述

　　C區(qū)與B區(qū)的搭接高程在EL1668m，B1區(qū)與B2區(qū)的搭接高程在EL1685m，A區(qū)與B1區(qū)之間土工膜沒有搭接。

5.1 C區(qū)防滲膜安裝

　　C區(qū)的壩面防滲膜下沒有布置排水系統(tǒng)，除了進行周邊密封以外中間沒有任何的錨固和支撐構件。

　　在進水塔左側（C1區(qū)）采用卡皮公司設計的可移動式輕型工作臺車，在進水塔右側（C2區(qū)）采用懸掛工作平臺、搭設臨時腳手架聯(lián)合施工。主要施工程序和步驟如下：

　　a.按照設計施工圖紙，沿大壩上游面EL1668m高程，采用不銹鋼螺桿、環(huán)氧樹脂材料、塑料止水帶以及別的組件安裝固定80×8mm 的不銹鋼壓板，構成C區(qū)頂部的止水密封帶。

　　b.基面驗收合格后，將成卷的防滲膜依次從EL1668m高程向下攤鋪至灌漿平臺。上部邊緣通過事先安裝好的80×8mm壓板進行固定，相鄰左右兩塊防滲膜的搭接寬度為80mm。

　　c.搭接部位采用可以融化PVC的專用熱風槍和小滾子焊接壓實。

　　d.防滲膜覆蓋灌漿平臺1m寬度，止水密封方式方法同（a），構成C區(qū)底部的止水密封。

　　e.進水塔左右兩邊的防滲膜固定在進水塔的常態(tài)砼上，固定寬度為80mm。

　　f.C1區(qū)從左向右推移施工，分區(qū)段進行檢查驗收，驗收合格后，立即覆蓋一層密度為1000g/m² 的防刺穿土工布，接著在土工布外面擺上沙袋作臨時防護。C2區(qū)一次性施工驗收，沙袋防護。

　　g.C區(qū)整體驗收合格后，在繼續(xù)完成沙袋防護的同時，回填砂土（石）料進行覆蓋。

5.2 B2區(qū)防滲膜安裝

　　B區(qū)的壩面防滲膜除了采用類同C區(qū)的周邊密封固定外，還通過間距5.7m的豎向連續(xù)布置的50×3mm不銹鋼壓板固定。在對應的豎向壓板下面，安裝0.5m寬的排水土工網（TENAX GNT 1300型），并通過沿著兩壩肩基底安裝和EL1668m高程水平安裝（緊靠C區(qū)和B2區(qū)交界面的止水密封條帶的上部）的排水土工網進行橫向連接。

　　土工網下面的集水通過兩個壩體排水孔排放至大壩排水廊道內。排水孔鉆孔直徑150mm，安裝了內徑96mm的鍍鋅鋼管，孔口高程為EL1668.20m，進水塔左邊的樁號為CH0+141.10，右邊的樁號為CH0+196.20。

　　B2區(qū)防滲膜的安裝，主要采用4個懸掛工作平臺來施工，在兩壩肩灌漿平臺部位搭設了臨時腳手架輔助施工。5#壩段以右的部位，防滲膜安裝和壩上RCC同步施工，所以在EL1692m高程安裝了臨時防護鋼支架，既可滿足工作平臺的懸掛之用，又對B2區(qū)的施工以及安裝好的防滲膜起到了防護作用。經過試驗嘗試，取消了原施工設計在EL1668m高程搭設1m寬工作馬道的建議，大大減小了施工準備的工作量。安裝期間一臺25t汽車吊隨時配合施工，用于防滲膜懸掛、工作平臺轉移、零星部位焊接以及質量檢查驗收等。主要施工程序和步驟如下：

　　a.采用擠壓式錨桿和鋼墊圈將0.5m寬的排水土工網正確安裝到設計位置上。

　　b.安裝兩個壩體排水孔孔口排水和支撐構件。

　　c.分段、依次將每卷防滲膜從EL1685m高程垂直地向下展放到EL1668m高程，上部邊緣采用50×3mm 壓板和Φ10mm鉚釘固定在EL1685m高程，防滲膜搭接寬度80mm。

　　d.焊接豎向搭接的防滲膜。

　　e.豎向間隔5.7m連續(xù)采用50×3mm壓板固定防滲膜。

　　f.采用21cm寬的SIBELON C 3250型PVC蓋條（下同）覆蓋50×3mm壓板，兩側焊接密封。

　　g.在兩壩肩大壩上游面和灌漿平臺之間根據(jù)實際邊角裁減防滲膜，覆蓋灌漿平臺1m寬。

　　h.在壩上游面和灌漿平臺連接處采用50×3mm壓板固定防滲膜，采用30cm寬的PVC蓋條覆蓋50×3mm壓板，兩側焊接密封。

　　i.在兩壩肩灌漿平臺上防滲膜的周邊密封方法同C區(qū)。

　　j.進水塔兩側的防滲膜安裝固定方法同C區(qū)。

5.3 A區(qū)和B1區(qū)防滲膜安裝

　　A區(qū)的壩面防滲膜上部邊緣密封高程為：非溢流壩段EL1707.75m，溢流壩段EL1700.15m。

A-B1區(qū)防滲膜的安裝，主要采用4個懸掛工作平臺來施工，只在左壩肩灌漿平臺部位搭設了臨時腳手架輔助施工。B1區(qū)和A區(qū)同時施工，減少了施工程序，加快了施工進度。經過方案優(yōu)化，設計制作了簡易萬向活動吊架，代替了原計劃采用汽車吊或反鏟協(xié)助安裝的方案，施工成本大大降低。

　　A區(qū)的防滲膜安裝與B區(qū)的不同點有兩個：

　　a.除了左右壩肩的灌漿平臺（與B區(qū)相同）以外，從高程EL1707.75m向下到EL1692m高程，水平間隔5.7m，安裝固定異形不銹鋼內外張緊壓板，并由內張緊異形壓板形成的豎向導槽收集的滲水依靠重力作用向下流到EL1692m高程與B區(qū)的排水土工網相連接，采用42cm寬的PVC蓋條覆蓋外張緊壓板，兩側焊接密封。

　　b.溢流壩段的5條壩縫，在EL1699m高程以上都安裝了塑料止水，避免庫水滲進壩體。在EL1700m高程每條壩縫止水的上游預留了一個200×200×100mm的方槽，槽內充填專用的SikaDur 32型環(huán)氧樹脂材料，連接固定后的防滲膜與環(huán)氧材料緊密接觸達到止水效果。

　　A區(qū)→B1區(qū)→B2區(qū)的排水系統(tǒng)共同組成了一個完整的排水系統(tǒng)。

6 關鍵技術

6.1 量體裁衣

　　根據(jù)建筑物的實際外形尺寸，按照設計圖紙和技術要求，通過分析計算確定防滲膜的布置型式，預先繪制安裝詳圖，編制薄膜材料和安裝配件材料加工計劃表，制定生產和供應計劃。

6.2 周邊密封

　　周邊密封是防滲處理的關鍵技術之一。

　　基面處理：通過外觀檢查與錘擊，認真如實地檢查大壩表面及壩體砼質量，檢驗是否有過多的不勻稱現(xiàn)象和/或平面的偏移，是否有蜂窩、雜質以及任何其他對土工技術材料安裝不利的現(xiàn)象。應在缺陷區(qū)域做上標記，立即移除缺陷材料，并采用規(guī)定材料和修補工藝進行處理。

　　周邊密封：在灌漿平臺、EL1668m高程、進水塔兩側、溢洪道周圍等處都需要進行止水密封。通過測量放線進行定位，正確使用與安裝密封材料及安裝所有錨固部件，使用扭矩扳手在封口錨釘上使用正確的扭矩。質量負責人將認真檢驗每一道安裝工序和細節(jié)。

6.3 排水系統(tǒng)

　　排水系統(tǒng)的設計與施工是保證防滲膜系統(tǒng)能夠正常發(fā)揮作用的必要手段和措施。采用地質鉆機造孔，內部安裝鍍鋅鋼管，鋼管與混凝土之間采用水泥灌漿封填。排水孔口安裝土工網時需要特殊處理。

6.4 內外彈性張緊異形壓板

　　內外彈性張緊異形壓板的安裝，保證了防滲膜能夠根據(jù)外界溫差的變化自行調整其延展性，使防滲膜外觀始終保持張緊狀態(tài)，減小收縮現(xiàn)象。

　　根據(jù)設計圖紙，通過測量將每排壓板的樁號和高程作出標記，安裝完成以后，由質量負責人核查鄰近壓板安裝是否在規(guī)定公差范圍之內，及時進行調整，確保所有錨釘和連接件都安裝完好并固定緊。

7 防滲膜安裝施工的質量控制

7.1 材料生產、運輸與檢驗要求

　　薄膜供貨商是意大利諾瓦拉市的Sibelon Srl公司，該廠家生產此種薄膜有幾十年的歷史了，已經被用于一個或多個建筑上成功地發(fā)揮著作用。薄膜在1.4MPa的恒定靜水壓力下應能夠100%的防滲。廠家提供每卷或每張薄膜的質量保證文件，包括說明批號和卷數(shù)、生產日期和當批材料的材質保證書。選擇最優(yōu)的運輸方案，確保對薄膜等材料的破壞降低到最小限度。材料運至工地，要組織人員聯(lián)合檢驗和核對，分區(qū)分類堆放，并作上明顯的標記。

7.2 現(xiàn)場焊接試驗

　　薄膜的焊接是質量控制的關鍵工序之一。每班至少有一名薄膜的焊接行家。每個焊接人員應用薄膜試樣進行試焊接，試焊接的情況應模擬實際的現(xiàn)場安裝條件。試驗縫的抗拉試驗應按照ASTM D638標準進行。如果材料在焊縫以外的部位斷裂，抗拉試驗應被視為是合格的。在監(jiān)理工程師的現(xiàn)場監(jiān)督下，卡皮公司的7名職員逐個進行了現(xiàn)場焊接試驗，取得了工程師的認可，蒙古項目部的2名中方技工通過施工鍛煉和培訓，也取得了薄膜焊接操作資格證。

7.3 焊接工藝標準要求

　　焊接應采用熱氣焊，不允許用溶劑進行冷焊，使用專用的可調式高溫熱風槍進行焊接。

　　結構焊縫：不直接接觸水面或暴露在外部環(huán)境中的焊縫，例如完全被PVC蓋條覆蓋的內外張緊壓板處的焊接縫。

防水焊縫：直接接觸水面或暴露在外部環(huán)境中的焊縫，如不與壓板對應的相鄰防滲膜間的焊縫，覆蓋壓板的PVC蓋條與防滲膜的焊縫，缺陷處修補的焊縫等。

　　焊縫搭接寬度不小于80mm，焊接缺陷應是不連續(xù)的且不大于搭接寬度的1/3。

7.4 質量檢查與驗收

　　卡皮公司質量負責人每天核實天氣狀況后，批準開始安裝防滲膜。防滲膜展開后要確保位置正確、排列有序，避免可能發(fā)生的整體損壞，要使用識別碼來確認檢查過的防滲膜。

　　薄膜的所有焊接和被擾動表面應在工程師在場的情況下用電動漏點檢測儀或探傷儀進行檢測，所有的焊接工作首先應由焊接人員和其監(jiān)管人員進行目視檢測，包括彎曲和手拉測試。

　　監(jiān)理方和業(yè)主方共同安排了3名運行管理人員全程參與施工監(jiān)督，最終檢查驗收由監(jiān)理工程師代表、業(yè)主方運行人員、卡皮公司質量負責人和承包商質量負責人組成的驗收小組執(zhí)行。

　　驗收小組確認待檢查的區(qū)域，核實檢查過的區(qū)域是否有其他損壞和不可接受的現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)有孔洞、裂口、漏焊等現(xiàn)象，就作上標記，卡皮質量負責人將決定相應的處理方案（見7.5），修補完成后再次復查直至合格。

7.5 缺陷修補

　　更換新防滲膜：如果檢查發(fā)現(xiàn)防滲膜損壞范圍較大，包括現(xiàn)場不能修復的生產缺陷，就必須更換新的防滲膜，必須按照審批的程序和方法進行更換。

　　鱷魚嘴修補：鱷魚嘴是指局部漏焊的焊縫，修補程序和方法比較簡單，直接補焊即可。

　　孔洞修補：用肥皂水把損壞的土工復合材料上的灰塵和缺陷區(qū)域的雜質清除干凈，準備和原材料性質相同的土工防滲膜，尺寸能夠在缺陷區(qū)域周圍重疊至少150mm。

8 結語

8.1 引進和學習新技術

　　采用防滲膜進行壩體防滲，改變了水工建筑物等防滲研究的思路，是應用和推廣先進施工技術和新材料的積極舉措。以往單純通過研究改進砼等材料本身的防滲性能來滿足構筑物的抗?jié)B指標，現(xiàn)在可以通過研究應用優(yōu)質的防滲膜等材料來滿足水工建筑物的抗?jié)B要求。通過本工程的施工，我們深入學習和掌握了該項新技術的技術原理、安裝施工方法、工藝和質量控制要點等。

8.2 防滲方案的優(yōu)越性

　　防滲膜的安裝整齊、壯觀，十分理想地解決了壩體的防滲問題，截止2007年冬季庫水位上升穩(wěn)定至EL1677.1m（達到最高蓄水位的45%），壩后沒有發(fā)現(xiàn)任何滲漏的地方。采取此種方案，可以簡化RCC施工，節(jié)約了大量水泥，降低了大體積砼的水化熱溫升；取消了壩縫止水的安裝；不需要對壩體施工過程中出現(xiàn)的冷縫、裂縫進行處理，使大壩砼實現(xiàn)了快速澆筑，既加快了施工進度，又降低了施工成本，達到了快速、經濟和美觀。

8.3 應用前景廣泛

　　我國是一個潛在的卡皮防滲膜材料應用和開發(fā)的大市場，在進行年久失修大壩的防滲處理、新建碾壓砼大壩的壩體防滲、面板堆石壩的面板防滲、快速襯砌渠道的面層防滲等設計和施工等領域都有很好的應用前景，優(yōu)越性顯著。卡皮公司分包施工該項目要價為每平米145美元，費用相對是比較高的。我方積極探索與卡皮公司的合作方式，最終采用了由卡皮公司提供材料、工具、管理和技術人員，我方提供勞務和大型施工機械設備的雙方共贏的合作方式，分包單價降為每平米96美元，為項目部節(jié)省了30多萬美元的施工成本。另外，在卡皮公司的指導下，只購買防滲膜材料自己組織安裝施工，或者研究開發(fā)新的物美價廉的防滲膜材料，也是降低該分項工程綜合成本的發(fā)展方向。