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        天生橋一級(jí)面板堆石壩的設(shè)計(jì)創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)

        2012-12-19 03:38:46張文倬張?jiān)粕?/span>
        水電站設(shè)計(jì) 2012年4期
        關(guān)鍵詞:天生橋趾板蓄水位

        張文倬,張?jiān)粕?/p>

        (中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650051)

        1 前 言

        自20世紀(jì)70年代起,我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)國(guó)外高混凝土面板堆石壩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)面板壩)以來(lái),由于面板壩具有適應(yīng)氣候、不與農(nóng)林爭(zhēng)土、建設(shè)速度快、工程量小、工期較短、簡(jiǎn)化導(dǎo)流、維修簡(jiǎn)便、安全可靠、比較經(jīng)濟(jì),因而得到迅猛發(fā)展,成為土石壩類(lèi)中與其它壩類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)力最強(qiáng)的壩型。

        本文依據(jù)天生橋一級(jí)面板壩資料,著重歸納面板壩設(shè)計(jì)中的技術(shù)創(chuàng)新與教訓(xùn)。

        2 天生橋一級(jí)面板壩

        2.1 工程簡(jiǎn)介

        天生橋一級(jí)水電站位于南盤(pán)江干流上,為紅水河梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第一級(jí),右岸是廣西隆林縣,左岸為貴州安龍縣。工程以發(fā)電為主,水庫(kù)總庫(kù)容102.57億m3,總裝機(jī)容量1 200MW,保證出力403.6MW,多年平均發(fā)電量52.46億kW·h。

        工程于1982年開(kāi)始勘測(cè)設(shè)計(jì)工作,1986年完成初步設(shè)計(jì),1987年2月初設(shè)審查通過(guò)。1991年6月作施工準(zhǔn)備,隨后兩條導(dǎo)流洞施工,于1994年底實(shí)現(xiàn)大江截流,進(jìn)入主體工程施工。1997年12月中旬導(dǎo)流洞下閘,開(kāi)始蓄水,1998年12月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電,至2000年12月第四臺(tái)機(jī)組發(fā)電,工程竣工。

        2.2 自然特性

        壩址河谷開(kāi)闊,呈不對(duì)稱(chēng)形狀,兩岸沖溝發(fā)育,右岸有一埡口。河床沖積層厚0.68~25.61m,其下近巖面分布有黏土及淤泥質(zhì)黏土,厚度0.15~13.32m。區(qū)域性斷層F8從右岸通過(guò),斷層為壓扭性,擠壓緊密,透水性弱,兩岸壩肩下分布有少量規(guī)模不大的斷層。巖層走向大致與河道平行,傾向左岸。壩基為薄層灰?guī)r、泥灰?guī)r和泥巖互層,透水性弱,水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單。右岸埡口區(qū)為巨厚狀灰?guī)r,分布巖溶管道裂隙含水層。電站置于區(qū)域構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū),經(jīng)鑒定地震基本烈度為6度。

        2.3 樞紐布置

        樞紐布置由混凝土面板壩,右岸開(kāi)敞式溢洪道、放空洞,左岸引水系統(tǒng)管道和地面廠房等建筑物組成。

        導(dǎo)流建筑物由左岸兩條大直徑導(dǎo)流隧洞及上、下游圍堰組成(注:后期利用放空洞導(dǎo)流)

        3 天生橋一級(jí)面板堆石壩設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

        面板壩為Ⅰ級(jí)建筑物,防洪標(biāo)準(zhǔn)按1000年重現(xiàn)期洪水設(shè)計(jì),按P、M(可能出現(xiàn)最大洪水)校核。

        水庫(kù)正常水位780m,死水位731m。防浪墻高4.7m,墻頂高程792.2m。最大壩頂高程791m,壩高178m,壩頂長(zhǎng)1 104m,壩頂寬12m,壩體上游坡1∶1.4,下游坡1∶1.25(綜合壩坡1∶1.4),設(shè)有10m寬Z字形上壩公路,壩體工程量1 800萬(wàn)m3。

        據(jù)壩體各部位功能、材料性質(zhì)及施工運(yùn)行情況,壩體填筑材料分區(qū)為:ⅠA區(qū)黏土料,ⅠB區(qū)任意料;ⅡA區(qū)墊層料;ⅢA區(qū)過(guò)渡料,ⅢB區(qū)主堆石區(qū),ⅢC區(qū)軟巖料,ⅢD區(qū)次堆石區(qū);Ⅳ區(qū)黏土料。

        混凝土面板頂厚0.3m,往下按δ=0.3+0.0035H漸變加厚,最大厚度0.9m。面板垂直縫間距16m,共分69塊,最大斜長(zhǎng)292.46m。面板分三期澆筑,分期高程680m、746m、791m;按單層雙向配筋,順坡向和水平向含筋率為0.4%和0.3%,保護(hù)層厚15cm,面板靠周邊縫和受壓區(qū)垂直縫兩側(cè)配置局部的附加抗擠壓筋,第三期面板配雙向雙層筋。

        趾板置于弱風(fēng)化基巖頂線(xiàn)下2m,趾板寬在675m高程以下寬10m、厚1.0m,725m高程以上寬6m、厚0.6m,675~725m高程間寬8m、厚0.8m;單層雙向配筋,含筋率0.3%,保護(hù)層厚10cm,趾板下設(shè)基礎(chǔ)錨桿。

        面板與趾板間設(shè)縫,按三道止水,底部和中間為止水銅片,上部為PVC帶,縫頂為粉煤灰和粉細(xì)砂。

        基礎(chǔ)開(kāi)挖要求趾板及其下游3~10m原則上挖至弱風(fēng)化線(xiàn)以下2m,其后到壩軸線(xiàn),挖除覆蓋層和全風(fēng)化巖體,壩軸線(xiàn)后挖除覆蓋層。

        在面板后0.3mH寬的基巖表面鋪設(shè)ⅡA和ⅢA料。

        為封閉趾板下巖體裂隙和爆破次生裂隙,趾板基礎(chǔ)作固結(jié)灌漿(見(jiàn)圖1)。

        圖1 壩體標(biāo)準(zhǔn)剖面

        4 天生橋一級(jí)面板堆石壩的設(shè)計(jì)創(chuàng)新

        面板壩設(shè)計(jì)屬半理論和半經(jīng)驗(yàn)并且以經(jīng)驗(yàn)判斷為主,因而在壩體設(shè)計(jì)與施工中,除吸取國(guó)內(nèi)外實(shí)踐工程實(shí)例外,作了如下創(chuàng)新。

        4.1 充分利用開(kāi)挖料

        工程開(kāi)挖料利用率達(dá)90%,占?jí)误w填筑料的87%。將填筑料中微風(fēng)化及新鮮軟巖料置于壩軸線(xiàn)下游干燥區(qū),所用軟巖料為480萬(wàn)m3,約占?jí)误w填筑料的1/4。為目前工程中應(yīng)用開(kāi)挖渣料最多的工程之一。

        4.2 增強(qiáng)壩基滲透穩(wěn)定

        在趾板下游0.3H(水頭)范圍基礎(chǔ)上鋪設(shè)ⅡA(墊層料)和ⅢA(過(guò)渡料),可增強(qiáng)壩基滲透穩(wěn)定,提高壩體運(yùn)行安全。

        ⅡA(墊層料)用新鮮灰?guī)r料經(jīng)二次破碎獲得,水平寬度3m,最大粒徑8cm,<5mm含量(35~55)%、<0.1mm含量(4~8)%。連續(xù)級(jí)配,滲透系數(shù)(2~9)×10-3cm/s,孔隙率19%,干密度2.2t/m3。填筑層厚40cm。

        ⅢA(過(guò)渡料)通過(guò)料場(chǎng)爆破開(kāi)采獲得,水平寬5m,最大粒徑30cm,<0.1mm粒徑不超過(guò)5%,滲透系數(shù)K=(2-9)×10-1cm/s,孔隙率21%,干密度2.15t/m3,填筑層厚40cm。

        4.3 混凝土面板

        面板厚度按δ=0.3+0.003 5H(水頭)計(jì),最大厚度δ=0.9m,按單層雙向配筋,順坡向和水平向的含筋率分別為0.4%和0.30%,保護(hù)層15cm。在工程實(shí)施中,對(duì)第三期澆筑面河床段長(zhǎng)592m,改用雙層雙向配筋,上、下保護(hù)層厚分別為10cm和5cm。

        4.4 周邊縫止水

        對(duì)周邊縫及張性垂直縫頂部止水,由塑性材料改用無(wú)粘性材料(粉細(xì)砂、粉煤灰),與縫底ⅡA細(xì)墊層區(qū)配合,具有更好的自愈能力。經(jīng)1∶1仿真模型試驗(yàn)及運(yùn)行實(shí)踐表明,這是止水較好的型式。

        4.5 壩面過(guò)水

        壩體施工初期,采用枯水重現(xiàn)期20年洪水標(biāo)準(zhǔn),筑上、下游斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式。汛期用重現(xiàn)期30年洪水標(biāo)準(zhǔn),壩面留缺口保護(hù),壩面和隧洞組合導(dǎo)流方式。

        壩體施工中期,利用壩體墊層料擋水,以乳化瀝青加固壩坡,隧洞導(dǎo)流方式。

        實(shí)施中,壩面和隧洞兩者泄流量為3 430m3/s,壩面缺口寬120m,泄流量1 290m3/s。

        壩體施工后期,壩體擋水,隧洞導(dǎo)流方式。

        4.6 分期蓄水

        由于混凝土面板壓應(yīng)變與面板撓度有關(guān),為避免面板沿垂直縫壓損,需控制面板撓度,并因混凝土徐變產(chǎn)生的面板頂部撓度增大,通過(guò)分期蓄水,使較大的撓度變形能在蓄水滿(mǎn)庫(kù)前完成。

        天生橋一級(jí)面板壩在二期面板澆筑后于1998年汛期水庫(kù)開(kāi)始初期蓄水,蓄至死水位后開(kāi)始發(fā)電。當(dāng)年蓄至740.36m三期面板澆筑后開(kāi)始向正常蓄水位進(jìn)展,但因提前發(fā)電延后了蓄水時(shí)間,蓄到接近正常水位用了16.5個(gè)月。1999年最高蓄水位767.40m,當(dāng)年仍處于施工階段。其后2000年蓄水位779.99m、2001年蓄水位779.96m、2002年蓄水位776.97m、2003年蓄水位773.32m、2004年蓄水位773.52m。

        由于墊層料與混凝土面板間存在摩擦力,它是依靠庫(kù)水壓力發(fā)揮的,延長(zhǎng)蓄水時(shí)間,可將大的有害變形減少或化為無(wú)害,避免了混凝土面板水平拉伸裂縫的產(chǎn)生及混凝土面板沿垂直縫發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓破壞。分期蓄水既獲得了顯著經(jīng)濟(jì)效益,又改善了壩體變形條件,提高了壩體穩(wěn)定性,是一項(xiàng)一舉多得的措施。

        可見(jiàn),在天生橋一級(jí)面板壩建設(shè)中,在技術(shù)上取得了很大成就,為國(guó)內(nèi)后建面板壩提供借鑒。

        5 運(yùn)行中呈現(xiàn)的主要教訓(xùn)

        天生橋一級(jí)面板壩雖取得了很大的成就,但在運(yùn)行實(shí)踐中也出了一些問(wèn)題。

        5.1 上游抬頭壩

        在枯水期截流后,為了利用壩體度汛,采取搶壩填筑上游抬頭壩,造成抬頭壩堆石體與下游堆石體高差達(dá)123m,在度汛后以每日上升1m速度將次堆石體填平,致使上下游堆石體產(chǎn)生過(guò)大沉降,由此引起上游面板拉伸變形,導(dǎo)致墊層開(kāi)裂;堆石體過(guò)大的法向位移,又使面板與墊層脫空。脫空104塊,長(zhǎng)度最大10m,脫空度15cm,脫空后面板呈懸臂梁狀態(tài)工作,失去有效支撐,致使面板產(chǎn)生許多水平彎曲裂縫,經(jīng)補(bǔ)救處理后運(yùn)行良好。

        5.2 施工強(qiáng)度不均

        在短期內(nèi)壩體堆石填筑強(qiáng)度大,曾出現(xiàn)過(guò)月填筑強(qiáng)度117萬(wàn)m3、日強(qiáng)度4萬(wàn)m3以上速度,造成了較集中變形,較平均強(qiáng)度(50~55)萬(wàn)m3/月大很多。施工鋪筑碾壓機(jī)具不足,未按規(guī)定碾壓,加上軟巖材料用料過(guò)多且未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的微風(fēng)化及新鮮巖石,以及實(shí)施中分選不嚴(yán),物理性能改變較大,特別是壓縮大,致使沉陷增大。

        5.3 混凝土面板裂縫主因

        除了初始溫度應(yīng)力外,主要是由于墊層料和堆石體變形過(guò)大使面板產(chǎn)生裂縫。墊層料在施工填筑期間發(fā)生大面積虧坡,補(bǔ)填料因一次補(bǔ)填太厚,斜坡上壓實(shí)差,且新老接觸面不緊密,造成了斜坡表面有一薄弱層。在面板發(fā)生裂縫后,實(shí)測(cè)干密度2.08g/cm3,小于設(shè)計(jì)值2.2g/cm3,相應(yīng)孔隙率為26%,說(shuō)明墊層料疏松,壓縮模量低。由于堆石料施工強(qiáng)度過(guò)大而不均勻,前后堆石體高差太大,產(chǎn)生大的變形,并且面板趕澆筑混凝土,未錯(cuò)開(kāi)堆石體變形高峰期,也使面板產(chǎn)生裂縫。后經(jīng)處理運(yùn)行正常。

        5.4 面板垂直縫局部損壞

        2003年7月檢查發(fā)現(xiàn),大壩面板L3、L4分縫處發(fā)生局部破損,L4破損位置從防浪墻下延伸至約748m高程,破損部位平均寬1m,最大4m,破損深平均24cm,最大30cm。對(duì)破損混凝土清除后澆混凝土,并在原縫頂設(shè)SR塑性止水后度汛。2004年5月在2003年的原處再次發(fā)生破損,當(dāng)時(shí)庫(kù)水位747.70m,仍以L4面板嚴(yán)重,平均寬1.6m,最寬5.2m,深平均26cm,最大35cm。發(fā)生破損主因是壓性垂直縫為硬縫,沒(méi)有吸收變形及調(diào)和應(yīng)力分布能力,而堆石體向河床的向心位移引起河床面板受壓,同時(shí)河床壩體向下游位移較兩岸大,使面板整體呈凸向下游的鍋底狀,導(dǎo)致面板垂直縫上壓應(yīng)力不均,呈現(xiàn)表面大、底部??;再加之每年5~7月高溫時(shí),低水位的面板表面溫度附加應(yīng)力,最終發(fā)生表面破損情況。后經(jīng)處理運(yùn)行正常。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        天生橋一級(jí)面板壩是我國(guó)最早興建的特高面板壩,獲得了技術(shù)創(chuàng)新的許多成就,但在運(yùn)行中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。天生橋一級(jí)面板壩為后建的貴州烏江洪家渡(最大壩高179.50m)、湖南三板溪(最大壩高185.50m)、湖北清江的水布埡(最大壩高233m)等超高面板壩工程提供了豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn),起到了良好的示范和借鑒作用,且其設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)納入了《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》和《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》。

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