天生橋一級面板堆石壩的設計創新經驗及教訓

張文倬，張云生

(中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，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氣候、不與農林爭土、建設速度快、工程量小、工期較短、簡化導流、維修簡便、安全可靠、比較經濟，因而得到迅猛發展，成為土石壩類中與其它壩類競爭力最強的壩型。

本文依據天生橋一級面板壩資料，著重歸納面板壩設計中的技術創新與教訓。

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，為紅水河梯級開發的第一級，右岸是廣西隆林縣，左岸為貴州安龍縣。工程以發電為主，水庫總庫容102.57億m3，總裝機容量1 200MW，保證出力403.6MW，多年平均發電量52.46億kW·h。

工程于1982年開始勘測設計工作，1986年完成初步設計，1987年2月初設審查通過。1991年6月作施工準備，隨后兩條導流洞施工，于1994年底實現大江截流，進入主體工程施工。1997年12月中旬導流洞下閘，開始蓄水，1998年12月第一臺機組發電，至2000年12月第四臺機組發電，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黏土，厚度0.15～13.32m。區域性斷層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。壩基為薄層灰巖、泥灰巖和泥巖互層，透水性弱，水文地質條件較簡單。右岸埡口區為巨厚狀灰巖，分布巖溶管道裂隙含水層。電站置于區域構造相對穩定的地區，經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，左岸引水系統管道和地面廠房等建筑物組成。

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

3 天生橋一級面板堆石壩設計簡介

面板壩為Ⅰ級建筑物，防洪標準按1000年重現期洪水設計，按P、M(可能出現最大洪水)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)，設有10m寬Z字形上壩公路，壩體工程量1 800萬m3。

據壩體各部位功能、材料性質及施工運行情況，壩體填筑材料分區為：ⅠA區黏土料，ⅠB區任意料；ⅡA區墊層料；ⅢA區過渡料，ⅢB區主堆石區，ⅢC區軟巖料，ⅢD區次堆石區；Ⅳ區黏土料。

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垂直縫兩側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，趾板下設基礎錨桿。

面板與趾板間設縫，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，趾板基礎作固結灌漿(見圖1)。

圖1 壩體標準剖面

4 天生橋一級面板堆石壩的設計創新

面板壩設計屬半理論和半經驗并且以經驗判斷為主，因而在壩體設計與施工中，除吸取國內外實踐工程實例外，作了如下創新。

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，所用軟巖料為480萬m3，約占壩體填筑料的1/4。為目前工程中應用開挖渣料最多的工程之一。

4.2 增強壩基滲透穩定

在趾板下游0.3H(水頭)范圍基礎上鋪設ⅡA(墊層料)和ⅢA(過渡料)，可增強壩基滲透穩定，提高壩體運行安全。

ⅡA(墊層料)用新鮮灰巖料經二次破碎獲得，水平寬度3m，最大粒徑8cm，<5mm含量(35～55)%、<0.1mm含量(4～8)%。連續級配，滲透系數(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細墊層區配合，具有更好的自愈能力。經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，采用枯水重現期20年洪水標準，筑上、下游斷流圍堰、隧洞導流方式。汛期用重現期30年洪水標準，壩面留缺口保護，壩面和隧洞組合導流方式。

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，隧洞導流方式。

4.6 分期蓄水

由于混凝土面板壓應變與面板撓度有關，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生及混凝土面板沿垂直縫發生嚴重擠壓破壞。分期蓄水既獲得了顯著經濟效益，又改善了壩體變形條件，提高了壩體穩定性，是一項一舉多得的措施。

可見，在天生橋一級面板壩建設中，在技術上取得了很大成就，為國內后建面板壩提供借鑒。

5 運行中呈現的主要教訓

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生過大沉降，由此引起上游面板拉伸變形，導致墊層開裂；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工作，失去有效支撐，致使面板產生許多水平彎曲裂縫，經補救處理后運行良好。

5.2 施工強度不均

在短期內壩體堆石填筑強度大，曾出現過月填筑強度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，未按規定碾壓，加上軟巖材料用料過多且未達到設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

除了初始溫度應力外，主要是由于墊層料和堆石體變形過大使面板產生裂縫。墊層料在施工填筑期間發生大面積虧坡，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。在面板發生裂縫后，實測干密度2.08g/cm3，小于設計值2.2g/cm3，相應孔隙率為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，也使面板產生裂縫。后經處理運行正常。

5.4 面板垂直縫局部損壞

2003年7月檢查發現，大壩面板L3、L4分縫處發生局部破損，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SR塑性止水后度汛。2004年5月在2003年的原處再次發生破損，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。發生破損主因是壓性垂直縫為硬縫，沒有吸收變形及調和應力分布能力，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，導致面板垂直縫上壓應力不均，呈現表面大、底部小；再加之每年5～7月高溫時，低水位的面板表面溫度附加應力，最終發生表面破損情況。后經處理運行正常。

6 結束語

天生橋一級面板壩是我國最早興建的特高面板壩，獲得了技術創新的許多成就，但在運行中也出現了一些問題。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計和施工經驗，起到了良好的示范和借鑒作用，且其設計和施工經驗納入了《混凝土面板堆石壩設計規范》和《混凝土面板堆石壩施工規范》。