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)

1 前 言

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)。

2 天生橋一級面板壩

2.1 工程簡介

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。

2.2 自然特性

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。

2.3 樞紐布置

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)

3 天生橋一級面板堆石壩設(shè)計簡介

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

4 天生橋一級面板堆石壩的設(shè)計創(chuàng)新

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。

4.1 充分利用開挖料

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。

4.2 增強壩基滲透穩(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。

4.3 混凝土面板

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。

4.4 周邊縫止水

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。

4.5 壩面過水

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。

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。

5 運行中呈現(xiàn)的主要教訓(xùn)

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。

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。

5.2 施工強度不均

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。

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。

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。

6 結(jié)束語

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》。