張文倬,張云生
(中國水電顧問集團昆明勘測設(shè)計研究院,云南 昆明 650051)
自20世紀70年代起,我國開始引進國外高混凝土面板堆石壩(以下簡稱面板壩)以來,由于面板壩具有適應(yīng)氣候、不與農(nóng)林爭土、建設(shè)速度快、工程量小、工期較短、簡化導(dǎo)流、維修簡便、安全可靠、比較經(jīng)濟,因而得到迅猛發(fā)展,成為土石壩類中與其它壩類競爭力最強的壩型。
本文依據(jù)天生橋一級面板壩資料,著重歸納面板壩設(shè)計中的技術(shù)創(chuàng)新與教訓(xùn)。
天生橋一級水電站位于南盤江干流上,為紅水河梯級開發(fā)的第一級,右岸是廣西隆林縣,左岸為貴州安龍縣。工程以發(fā)電為主,水庫總庫容102.57億m3,總裝機容量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年開始勘測設(shè)計工作,1986年完成初步設(shè)計,1987年2月初設(shè)審查通過。1991年6月作施工準備,隨后兩條導(dǎo)流洞施工,于1994年底實現(xiàn)大江截流,進入主體工程施工。1997年12月中旬導(dǎo)流洞下閘,開始蓄水,1998年12月第一臺機組發(fā)電,至2000年12月第四臺機組發(fā)電,工程竣工。
壩址河谷開闊,呈不對稱形狀,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,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)造相對穩(wěn)定的地區(qū),經(jīng)鑒定地震基本烈度為6度。
樞紐布置由混凝土面板壩,右岸開敞式溢洪道、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)
面板壩為Ⅰ級建筑物,防洪標準按1000年重現(xiàn)期洪水設(shè)計,按P、M(可能出現(xiàn)最大洪水)校核。
水庫正常水位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m3。
據(jù)壩體各部位功能、材料性質(zhì)及施工運行情況,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。
趾板置于弱風化基巖頂線下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砂。
基礎(chǔ)開挖要求趾板及其下游3~10m原則上挖至弱風化線以下2m,其后到壩軸線,挖除覆蓋層和全風化巖體,壩軸線后挖除覆蓋層。
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(見圖1)。
圖1 壩體標準剖面
面板壩設(shè)計屬半理論和半經(jīng)驗并且以經(jīng)驗判斷為主,因而在壩體設(shè)計與施工中,除吸取國內(nèi)外實踐工程實例外,作了如下創(chuàng)新。
工程開挖料利用率達90%,占壩體填筑料的87%。將填筑料中微風化及新鮮軟巖料置于壩軸線下游干燥區(qū),所用軟巖料為480萬m3,約占壩體填筑料的1/4。為目前工程中應(yīng)用開挖渣料最多的工程之一。
在趾板下游0.3H(水頭)范圍基礎(chǔ)上鋪設(shè)ⅡA(墊層料)和ⅢA(過渡料),可增強壩基滲透穩(wěn)定,提高壩體運行安全。
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(過渡料)通過料場爆破開采獲得,水平寬5m,最大粒徑30cm,<0.1mm粒徑不超過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。
面板厚度按δ=0.3+0.003 5H(水頭)計,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%,保護層15cm。在工程實施中,對第三期澆筑面河床段長592m,改用雙層雙向配筋,上、下保護層厚分別為10cm和5cm。
對周邊縫及張性垂直縫頂部止水,由塑性材料改用無粘性材料(粉細砂、粉煤灰),與縫底ⅡA細墊層區(qū)配合,具有更好的自愈能力。經(jīng)1∶1仿真模型試驗及運行實踐表明,這是止水較好的型式。
壩體施工初期,采用枯水重現(xiàn)期20年洪水標準,筑上、下游斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式。汛期用重現(xiàn)期30年洪水標準,壩面留缺口保護,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。
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,通過分期蓄水,使較大的撓度變形能在蓄水滿庫前完成。
天生橋一級面板壩在二期面板澆筑后于1998年汛期水庫開始初期蓄水,蓄至死水位后開始發(fā)電。當年蓄至740.36m三期面板澆筑后開始向正常蓄水位進展,但因提前發(fā)電延后了蓄水時間,蓄到接近正常水位用了16.5個月。1999年最高蓄水位767.40m,當年仍處于施工階段。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,它是依靠庫水壓力發(fā)揮的,延長蓄水時間,可將大的有害變形減少或化為無害,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)生嚴重擠壓破壞。分期蓄水既獲得了顯著經(jīng)濟效益,又改善了壩體變形條件,提高了壩體穩(wěn)定性,是一項一舉多得的措施。
可見,在天生橋一級面板壩建設(shè)中,在技術(shù)上取得了很大成就,為國內(nèi)后建面板壩提供借鑒。
天生橋一級面板壩雖取得了很大的成就,但在運行實踐中也出了一些問題。
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)生過大沉降,由此引起上游面板拉伸變形,導(dǎo)致墊層開裂;堆石體過大的法向位移,又使面板與墊層脫空。脫空104塊,長度最大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)補救處理后運行良好。
在短期內(nèi)壩體堆石填筑強度大,曾出現(xiàn)過月填筑強度117萬m3、日強度4萬m3以上速度,造成了較集中變形,較平均強度(50~55)萬m3/月大很多。施工鋪筑碾壓機具不足,未按規(guī)定碾壓,加上軟巖材料用料過多且未達到設(shè)計要求的微風化及新鮮巖石,以及實施中分選不嚴,物理性能改變較大,特別是壓縮大,致使沉陷增大。
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,補填料因一次補填太厚,斜坡上壓實差,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,實測干密度2.08g/cm3,小于設(shè)計值2.2g/cm3,相應(yīng)孔隙率為26%,說明墊層料疏松,壓縮模量低。由于堆石料施工強度過大而不均勻,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,未錯開堆石體變形高峰期,也使面板產(chǎn)生裂縫。后經(jīng)處理運行正常。
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,當時庫水位747.70m,仍以L4面板嚴重,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,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)處理運行正常。
天生橋一級面板壩是我國最早興建的特高面板壩,獲得了技術(shù)創(chuàng)新的許多成就,但在運行中也出現(xiàn)了一些問題。天生橋一級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)計和施工經(jīng)驗,起到了良好的示范和借鑒作用,且其設(shè)計和施工經(jīng)驗納入了《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》和《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》。