天生橋一級大壩面板擠壓破損發展情況及分析

雷紅軍，施 睿，孫亞民，羅永欽

（昆明理工大學，云南昆明，650500）

1 工程概況

天生橋一級水電站位于珠江流域主干流紅水河上游黔、桂兩省區交界的南盤江干流。水庫總庫容102.57 億m3，正常蓄水位780 m。電站以發電為主，開發目標單一，總裝機容量4×300 MW。天生橋一級水電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩長1 104 m，壩頂寬12 m，壩頂高程791.0 m，最大壩高178 m，填筑總方量約1 800 萬m3。大壩上游壩坡1∶1.4，下游平均壩坡1∶1.4，共有混凝土面板69塊，每塊寬16 m。面板分三期澆筑，第一期為底部～680.0 m高程，第二期為680.0～746.0 m高程，第三期為746.0～787.3 m高程。在680.0～746.0 m高程處分別設有水平施工縫，面板厚度由底部0.9 m 漸變至頂部0.3 m，趾板地基設有固結和帷幕灌漿，趾板與面板之間設有三道止水的周邊縫。堆石壩填筑體從上游到下游依次分ⅡA料墊層區、ⅢA料過渡區、ⅢB 料主堆石區、ⅢC 料堆石區、ⅢD 料堆石區、上游輔助防滲的面板鋪蓋（黏土料ⅠA 和任意料ⅠB區）、下游截水墻（過渡料ⅡB 和黏土料Ⅳ區）、任意料ⅠB 區這八個填筑體，大壩主要結構見圖1。壩體填筑分八期完成，見圖2。工程于1991 年6月正式開工，兩條導流洞開始開挖；1994 年兩岸壩頭及河床水上部分開挖，年底實現大江截流；1997 年底下閘初期蓄水；1998 年首臺機組發電；2000 年底工程竣工；2000 年12 月樞紐工程通過竣工安全鑒定。

圖1 壩體結構分區Fig.1 Dam structural zones

圖2 壩體分期填筑Fig.2 Dam filling stages

2 運行期混凝土面板擠壓破損情況

天生橋一級水電站面板堆石壩目前已運行近18年，大壩運行整體情況良好，大壩滲漏量、變形、應力等觀測結果表明，大壩整體安全可靠。但在2003～2012 年，大壩多次發生了混凝土面板的局部擠壓破損，主要集中在面板中部偏左岸側的L3/L4和L8/L9面板處，如圖3所示。

圖3 面板擠壓破損發生的主要部位Fig.3 Main parts of extrusion damage

2.1 2003年面板破損情況

2003 年7 月，發現大壩面板L3、L4 分縫處（0+686 m 樁號）混凝土發生擠壓破損。L3 面板僅輕微破損，而L4 面板破損范圍從防浪墻底部向下延伸至水面（787.30～757.18 m），局部面板鋼筋出露，破損部位平均寬度1 m，最大寬度1.58 m，局部面板鋼筋頂彎外露，手掌可插入縫內。水下面板758.42～754.42 m 高程混凝土破損寬度約為1 m，754.42～752.92 m 高程混凝土破損平均寬度約0.1 m。對破損較嚴重的部位（781.50 m 和786.14 m 高程）進行鑿坑檢查，發現止水銅片局部破損，局部止水片與混凝土分離。754～748 m 破損較寬，最寬達3.5 m，并有0.5～0.9 m 寬的破碎帶，破碎條帶混凝土厚約5 cm。

為進一步消減大壩中部受壓區面板的擠壓應力，2003 年8—10 月對大壩L3/L4 破損面板進行了修復，處理范圍為746.0-787.3 m 高程范圍內面板之間的垂直分縫。

2.2 2004年面板破損情況

2004年5 月，發現大壩L3、L4分縫附近修補部位混凝土發生擠壓破壞，范圍由787.30 m高程至水面（相應水位747.77 m）。其中787.30～786.12 m 高程修補混凝土局部縱向凸起；786.12～781.41 m高程修補混凝土基本完好；781.41 m高程以下修補混凝土破損、抬起，局部存在老混凝土破損；748～754 m高程破損范圍較大，最寬達6 m 左右，底層鋼筋變形；水下面板破損至710 m高程，720 m高程破損寬度達2.4 m；對769 m 高程進行鑿槽檢查，發現破損深度略淺于2003 年修補深度；部分縫段可見止水銅片翼緣。鑒于2004 年面板破損處理正值主汛期，施工時間和施工條件有限，面板處理按水上永久處理和水下臨時處理兩種方案實施。

2.3 2005年面板破損情況

2005 年6—8 月，對部分大壩面板分縫進行了切縫處理，處理范圍為：R1/R2（樁號0+622 m）、L8/L9（樁號0+766 m），787.3～731.0 m高程。

2005 年7 月8 日，發現L8/L9 面板水下高程742～745 m 的L8 面板靠近垂直縫部位發生局部破損。經清理檢查，破損范圍為741.50～745.96 m 高程，最大破損寬度1.5 m（741.56 m 高程），最大破損深度26 cm（744.96 m 高程），個別部位有鋼筋出露（744.86～745.76 m高程）。在清理L8面板破損混凝土過程中，發現744.00～745.96 m 高程部位面板混凝土強度偏低，用錘子敲擊，混凝土即碎裂成顆粒、骨料。該局部破損處理方案與2004 年L3/L4 面板垂直縫水下處理方案一樣，于2005年7—8月完成。

2.4 2008年面板破損情況

2008年6月發現大壩L8/L9、L3/L4面板分縫混凝土發生破損。大壩L8/L9面板分縫混凝土破損發生在L8面板側，L9面板側混凝土無破損，原切縫埋設的橡膠板無擠壓變形情況。混凝土破損范圍為745.20～736.10 m高程，破損斜長14.75 m，最大破損寬度2.42 m，分縫處最大破損深度為30 cm，一般破損深度約4～6 cm。

大壩L3/L4面板分縫混凝土破損范圍為727.9～731.9 m高程和733.88～745.27 m高程。其中727.9～731.9 m 高程平均破損寬度1 m，破損發生在L3 面板側，破損斜長6.38 m，混凝土破損深度一般為10 cm 左右，最大破損深度為21 cm，未發現鋼筋出露情況；733.88～745.27 m高程最大破損寬度1.5 m，破損發生在L4面板側，破損斜長19 m，最大破損深度為29 cm。2008年7—8月對破損部位進行了處理。

2.5 2009年面板破損情況

2009年5月進行了大壩水下面板檢查，發現L2/L3、L3/L4水下面板存在局部破損。（1）L2/L3面板破損情況：721.88～723.68 m 高程，在L2/L3 面板垂直縫的L3面板側，靠近垂直縫邊緣混凝土出現裂縫；724.48 m 高程處，L3 面板側出現一塊混凝土破損，長30 cm、寬15 cm，混凝土邊緣起翹2 cm；726.38～725.88 m 高程，L3 面板側發現一塊混凝土破損，長60 cm、寬40 cm，混凝土邊緣起翹2 cm。經清理，最大破損深度為3.5 cm，因考慮混凝土破損較淺，故未進行修復處理。（2）L3/L4 面板破損情況：混凝土破損發生在L4 面板側，相應高程為720.72～723.42 m，破損斜長4.8 m，最大破損深度13 cm，最大寬度1.6 m，混凝土破損面不新鮮。修復處理方案與2008年水下修補相同，工程處理于2009年6月16日開始，7月8日結束。

6 月24 日檢查發現，大壩L3/L4 水面以上面板發生局部破損。（1）L4 面板側破損發生在740.8～741.8 m 和782.60～785.10 m 高程，破損斜長分別為1.78 m和4.2 m，其中740.8～741.8 m高程最大破損深度33 cm、寬度1.85 m，782.60～785.10 m高程破損寬度1.2 m、深度19 cm。（2）L3 面板破損發生在747.00～749.26 m 和758.00～760.60 m 高程，破損斜長分別為3.85 m和4.5 m，混凝土破損面新鮮，橡膠板和鋼筋未變形。其中747.00～749.26 m 高程破損寬度1.54 m、深度22 cm，758.00 ～760.60 m 高程破損寬度1.8 m，最大深度42 cm（759～760.60 m 高程見止水銅片）。處理方案為：清除破損混凝土，水上澆筑C25 混凝土，水下澆筑環氧混凝土，然后鋪貼SR蓋片，工程處理于6月24日開始，7月8日結束。

2.6 2011年面板破損情況

2011年6～7月，檢查發現面板存在以下問題：

（1）L4 右側面板局部破損。6 月21 日，檢查發現在735.30～735.94 m高程、736.94～738.97 m高程、741.00～748.35 m 高程、753.00～754.00 m 高程混凝土出現局部破損，破損面陳舊。其中735.30～735.94 m高程破損寬度1.1 m，深度0.25 m；736.94～738.97 m高程破損寬度1.1 m，深度0.25 m；741.00～748.35 m 高程破損沿垂直縫方向長度12.5 m，平均寬度2.3 m，平均深度0.25 m；753.3～754.0 m高程破損寬度1 m，深度0.15 m。10月19日，將L3/L4面板接縫處蓋片揭開，再次進行詳細檢查，發現仍存在局部破損。其中743.08～743.88 m高程破損面積3.2 m2，平均深度0.25 m；747.00～748.30 m 高程破損面積1.98 m2，平均深度0.12 m；764.55～765.50 m 高程破損面積1.2 m2，平均深度0.12 m；765.50～772.05 m高程破損面積16 m2，平均深度0.20 m。

（2）L3 側面板局部破損。6 月21 日，檢查發現748.3～753.3 m高程出現混凝土局部破損，破損面陳舊，擠壓破損斜長為8.5 m（沿垂直縫方向），最大寬度為2.5 m（水平方向），平均寬度為1.1 m，平均深度為15 cm。

（3）L8面板局部破損。6月23日，檢查發現L8面板局部破損，高程為735.50～736.95 m。

（4）L3/L4 面板接縫抬高情況。7 月2 日，檢查發現L3面板頂部與防浪墻接觸縫內原先填筑的瀝青已脫落，形成一條5 cm 寬、3.4 m 長的縫隙，出現一定的脫空。通過對L3/L4 面板接縫鼓包進行檢查，發現750～787 m 高程L3/L4 面板接縫處L3 側面板相對L4 面板上抬3～5 cm；746～750 m 高程L3 面板與L4面板相對錯動不明顯，但L3/L4接縫破損較嚴重。736.5～746.0 m 高程L4 側面板相對于L3 面板有向上移動的情況，向上移動約2 cm。

對面板破損部位進行簡單修補處理，處理方案為：對破損混凝土面進行人工鑿毛，鑿毛深度不小于10 cm，然后在底部涂刷環氧樹脂并澆C25 混凝土。6月25日～10月30日，對破損混凝土進行了修復處理，處理范圍為L3/L4、L8/L9 面板局部破損部位。

針對檢查發現的第三期面板L3/L4接縫處混凝土局部破損、局部錯動現象，采取L3/L4接縫橡膠板恢復措施及L2/L3 面板切縫改造處理，處理范圍為740～787 m高程，工程于2011年7月26日開工，8月31日完工。

2.7 2012年面板破損情況

2012年6月，檢查發現破損情況如下：

（1）L3/L4 接縫處面板混凝土破損主要發生在L3 面板側，破損面比較陳舊。L3 面板側混凝土破損范圍為716.16～706.56 m 高程，破損寬度為90～200 cm。潛水員對不同高程部位混凝土破損邊緣進行噴墨檢查，發現局部吸墨現象明顯；L4面板側707.76～706.76 m高程局部破損最大寬度為60 cm。

（2）L8/L9接縫處面板混凝土破損發生在L8面板側，破損位于731.26～726.26 m 高程，寬度為65～300 cm。潛水員對接縫處不同高程破損部位混凝土進行噴墨檢查，發現局部吸墨現象明顯，混凝土破損面比較新鮮。

（3）L7/L8面板伸縮縫L7面板側發現一處局部破損，破損部位高程723.54～724.04 m，最大寬度為30 cm，經潛水員水下噴墨，未發現吸墨現象。

（4）R9/R10 面板接縫698.5 m 高程處發現一個較小滲漏點。潛水員水下噴墨檢查，發現此部位有微量的吸墨現象。

按2009 年處理方案進行處理，即清除破損混凝土，澆筑C30水下環氧混凝土，然后鋪貼SR蓋片。

2.8 近5年面板破損情況

大壩運行初期，面板擠壓破損發生后，對面板進行過多次修復處理，但從后續發展情況來看，由于多種原因導致處理效果不佳，混凝土面板依然發生新的擠壓破損并存在向低高程發展的趨勢。對大壩滲漏量進行分析，發現滲漏量在某些年份受降雨影響有加大趨勢，但總體在20～160 L/s 間波動，與壩前庫水位和降雨量相關性較好，滲流量與國內外同類壩相比屬正常范圍，面板擠壓破損前后滲流量未見明顯增大。

2013年，對天生橋一級面板堆石壩面板擠壓破損機理及工程措施進行深入研究，認為天生橋一級面板堆石壩運行期的壩體堆石及面板變形經歷了較長時間的發展，總體發展趨勢均有所減慢，但部分部位變形尚未完全穩定或收斂，因此建議在保證壩體滲透量不明顯增加、滲透穩定性不變差的情況下，暫緩對壩體的進一步修復和擾動，面板擠壓破損修復可依據壩體變形的未來發展趨勢擇機進行。

觀測發現，近5 年隨著壩體變形的緩慢發展，面板的擠壓破損并未出現明顯惡化，壩體滲漏量仍在正常范圍內波動，大壩依然處于安全狀態。對于面板擠壓破損修復處理方案及時機的選擇，需根據壩體變形和面板擠壓破損的情況進行深入研究分析后確定。

3 面板擠壓破損的主要原因

根據一般認識，壩體的變形發展是面板擠壓破損發生的主要原因，因此，對壩體和面板的變形及應力（包括壩頂位移、下游壩面變形、壩體內部變形、水平向和順坡向鋼筋應力、水平向和順坡向混凝土應變、面板周邊縫位移、垂直縫開合度等）進行了詳細分析，主要結論如下：

（1）壩頂變形仍在持續發展中，壩頂近年來的變形發展速率已有所減慢，但尚未趨穩。

（2）壩體下游各視準線橫向位移在波動中趨于收斂，沉降在持續發展中，年變化量雖同樣逐漸減小，但累積量尚未出現完全收斂的趨勢，表明壩體后續沉降變形可能還將保持較長時間低速發展。

（3）壩體內部沉降目前發展較為緩慢，位移時程曲線趨于收斂，水位升降的影響越來越不明顯。

（4）水平向和順坡向鋼筋應力典型測點測值的變化趨勢與測點所在位置、高程等密切相關，隨庫水位波動而波動。總體規律呈現為：河床中間部位水平向鋼筋應力在橫河向受到較強的擠壓作用，向兩岸方向擠壓作用減輕；順坡向鋼筋應力為壩頂處受拉，中高程部位以下受到擠壓；水平向混凝土應變規律與水平向鋼筋應力分布規律相似，順坡向混凝土應變規律則與順坡向鋼筋應力分布規律類似。

（5）近年來周邊縫多支三向測縫計測值波動較大，宜對儀器和測值進行檢查核實，同時對周邊縫進行系統檢查，以確定周邊縫結構是否出現異常。

總體來說，天生橋一級面板堆石壩運行期的壩體堆石及面板變形經歷了較長時間的發展，總體發展趨勢均有所減慢，但部分部位變形尚未完全穩定或收斂。

結合上述監測資料分析，并經理論分析論證，得到面板擠壓破損發生機理為：堆石向河床中央部位位移，帶動面板位移，河床部位面板發生擠壓，面板變形整體呈凸向下游的鍋底狀，導致面板塊與塊之間在分縫處呈頂部接觸、底部張開，形成應力集中，導致擠壓剪切破壞。因此，壩體變形的長期發展且未達到穩定狀態，是面板發生擠壓破損的主要原因。

4 結語

我國高面板堆石壩建設歷史僅30 年左右，高面板壩的運行期較短，對面板擠壓破損這類高壩特有的新型問題，工程界尚未有清晰、統一的認識，也未有合理可行、標準的修復處理措施或實施經驗，因此，面板擠壓破損目前仍是困擾和影響高面板堆石壩工程安全建設的主要問題。

結合天生橋一級面板堆石壩出現的面板擠壓破損問題，對面板擠壓破損的發生、發展情況及其修復處理等過程進行了詳細介紹，并簡要分析了面板擠壓破損的主要原因，以期為相似工程同類問題的分析研究和處理，以及未來300 m級高面板堆石壩工程的安全建設提供參考。■