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》。