天生桥一级面板堆石坝的设计创新经验及教训

张文倬，张云生

(中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650051)

1 前 言

自20世纪70年代起，我国开始引进国外高混凝土面板堆石坝(以下简称面板坝)以来，由于面板坝具有适应气候、不与农林争土、建设速度快、工程量小、工期较短、简化导流、维修简便、安全可靠、比较经济，因而得到迅猛发展，成为土石坝类中与其它坝类竞争力最强的坝型。

本文依据天生桥一级面板坝资料，着重归纳面板坝设计中的技术创新与教训。

2 天生桥一级面板坝

2.1 工程简介

天生桥一级水电站位于南盘江干流上，为红水河梯级开发的第一级，右岸是广西隆林县，左岸为贵州安龙县。工程以发电为主，水库总库容102.57亿m3，总装机容量1 200MW，保证出力403.6MW，多年平均发电量52.46亿kW·h。

工程于1982年开始勘测设计工作，1986年完成初步设计，1987年2月初设审查通过。1991年6月作施工准备，随后两条导流洞施工，于1994年底实现大江截流，进入主体工程施工。1997年12月中旬导流洞下闸，开始蓄水，1998年12月第一台机组发电，至2000年12月第四台机组发电，工程竣工。

2.2 自然特性

坝址河谷开阔，呈不对称形状，两岸冲沟发育，右岸有一垭口。河床冲积层厚0.68～25.61m，其下近岩面分布有黏土及淤泥质黏土，厚度0.15～13.32m。区域性断层F8从右岸通过，断层为压扭性，挤压紧密，透水性弱，两岸坝肩下分布有少量规模不大的断层。岩层走向大致与河道平行，倾向左岸。坝基为薄层灰岩、泥灰岩和泥岩互层，透水性弱，水文地质条件较简单。右岸垭口区为巨厚状灰岩，分布岩溶管道裂隙含水层。电站置于区域构造相对稳定的地区，经鉴定地震基本烈度为6度。

2.3 枢纽布置

枢纽布置由混凝土面板坝，右岸开敞式溢洪道、放空洞，左岸引水系统管道和地面厂房等建筑物组成。

导流建筑物由左岸两条大直径导流隧洞及上、下游围堰组成(注：后期利用放空洞导流)

3 天生桥一级面板堆石坝设计简介

面板坝为Ⅰ级建筑物，防洪标准按1000年重现期洪水设计，按P、M(可能出现最大洪水)校核。

水库正常水位780m，死水位731m。防浪墙高4.7m，墙顶高程792.2m。最大坝顶高程791m，坝高178m，坝顶长1 104m，坝顶宽12m，坝体上游坡1∶1.4，下游坡1∶1.25(综合坝坡1∶1.4)，设有10m宽Z字形上坝公路，坝体工程量1 800万m3。

据坝体各部位功能、材料性质及施工运行情况，坝体填筑材料分区为：ⅠA区黏土料，ⅠB区任意料；ⅡA区垫层料；ⅢA区过渡料，ⅢB区主堆石区，ⅢC区软岩料，ⅢD区次堆石区；Ⅳ区黏土料。

混凝土面板顶厚0.3m，往下按δ=0.3+0.0035H渐变加厚，最大厚度0.9m。面板垂直缝间距16m，共分69块，最大斜长292.46m。面板分三期浇筑，分期高程680m、746m、791m；按单层双向配筋，顺坡向和水平向含筋率为0.4%和0.3%，保护层厚15cm，面板靠周边缝和受压区垂直缝两侧配置局部的附加抗挤压筋，第三期面板配双向双层筋。

趾板置于弱风化基岩顶线下2m，趾板宽在675m高程以下宽10m、厚1.0m，725m高程以上宽6m、厚0.6m，675～725m高程间宽8m、厚0.8m；单层双向配筋，含筋率0.3%，保护层厚10cm，趾板下设基础锚杆。

面板与趾板间设缝，按三道止水，底部和中间为止水铜片，上部为PVC带，缝顶为粉煤灰和粉细砂。

基础开挖要求趾板及其下游3～10m原则上挖至弱风化线以下2m，其后到坝轴线，挖除覆盖层和全风化岩体，坝轴线后挖除覆盖层。

在面板后0.3mH宽的基岩表面铺设ⅡA和ⅢA料。

为封闭趾板下岩体裂隙和爆破次生裂隙，趾板基础作固结灌浆(见图1)。

图1 坝体标准剖面

4 天生桥一级面板堆石坝的设计创新

面板坝设计属半理论和半经验并且以经验判断为主，因而在坝体设计与施工中，除吸取国内外实践工程实例外，作了如下创新。

4.1 充分利用开挖料

工程开挖料利用率达90%，占坝体填筑料的87%。将填筑料中微风化及新鲜软岩料置于坝轴线下游干燥区，所用软岩料为480万m3，约占坝体填筑料的1/4。为目前工程中应用开挖渣料最多的工程之一。

4.2 增强坝基渗透稳定

在趾板下游0.3H(水头)范围基础上铺设ⅡA(垫层料)和ⅢA(过渡料)，可增强坝基渗透稳定，提高坝体运行安全。

ⅡA(垫层料)用新鲜灰岩料经二次破碎获得，水平宽度3m，最大粒径8cm，<5mm含量(35～55)%、<0.1mm含量(4～8)%。连续级配，渗透系数(2～9)×10-3cm/s，孔隙率19%，干密度2.2t/m3。填筑层厚40cm。

ⅢA(过渡料)通过料场爆破开采获得，水平宽5m，最大粒径30cm，<0.1mm粒径不超过5%，渗透系数K=(2-9)×10-1cm/s，孔隙率21%，干密度2.15t/m3，填筑层厚40cm。

4.3 混凝土面板

面板厚度按δ=0.3+0.003 5H(水头)计，最大厚度δ=0.9m，按单层双向配筋，顺坡向和水平向的含筋率分别为0.4%和0.30%，保护层15cm。在工程实施中，对第三期浇筑面河床段长592m，改用双层双向配筋，上、下保护层厚分别为10cm和5cm。

4.4 周边缝止水

对周边缝及张性垂直缝顶部止水，由塑性材料改用无粘性材料(粉细砂、粉煤灰)，与缝底ⅡA细垫层区配合，具有更好的自愈能力。经1∶1仿真模型试验及运行实践表明，这是止水较好的型式。

4.5 坝面过水

坝体施工初期，采用枯水重现期20年洪水标准，筑上、下游断流围堰、隧洞导流方式。汛期用重现期30年洪水标准，坝面留缺口保护，坝面和隧洞组合导流方式。

坝体施工中期，利用坝体垫层料挡水，以乳化沥青加固坝坡，隧洞导流方式。

实施中，坝面和隧洞两者泄流量为3 430m3/s，坝面缺口宽120m，泄流量1 290m3/s。

坝体施工后期，坝体挡水，隧洞导流方式。

4.6 分期蓄水

由于混凝土面板压应变与面板挠度有关，为避免面板沿垂直缝压损，需控制面板挠度，并因混凝土徐变产生的面板顶部挠度增大，通过分期蓄水，使较大的挠度变形能在蓄水满库前完成。

天生桥一级面板坝在二期面板浇筑后于1998年汛期水库开始初期蓄水，蓄至死水位后开始发电。当年蓄至740.36m三期面板浇筑后开始向正常蓄水位进展，但因提前发电延后了蓄水时间，蓄到接近正常水位用了16.5个月。1999年最高蓄水位767.40m，当年仍处于施工阶段。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。

由于垫层料与混凝土面板间存在摩擦力，它是依靠库水压力发挥的，延长蓄水时间，可将大的有害变形减少或化为无害，避免了混凝土面板水平拉伸裂缝的产生及混凝土面板沿垂直缝发生严重挤压破坏。分期蓄水既获得了显著经济效益，又改善了坝体变形条件，提高了坝体稳定性，是一项一举多得的措施。

可见，在天生桥一级面板坝建设中，在技术上取得了很大成就，为国内后建面板坝提供借鉴。

5 运行中呈现的主要教训

天生桥一级面板坝虽取得了很大的成就，但在运行实践中也出了一些问题。

5.1 上游抬头坝

在枯水期截流后，为了利用坝体度汛，采取抢坝填筑上游抬头坝，造成抬头坝堆石体与下游堆石体高差达123m，在度汛后以每日上升1m速度将次堆石体填平，致使上下游堆石体产生过大沉降，由此引起上游面板拉伸变形，导致垫层开裂；堆石体过大的法向位移，又使面板与垫层脱空。脱空104块，长度最大10m，脱空度15cm，脱空后面板呈悬臂梁状态工作，失去有效支撑，致使面板产生许多水平弯曲裂缝，经补救处理后运行良好。

5.2 施工强度不均

在短期内坝体堆石填筑强度大，曾出现过月填筑强度117万m3、日强度4万m3以上速度，造成了较集中变形，较平均强度(50～55)万m3/月大很多。施工铺筑碾压机具不足，未按规定碾压，加上软岩材料用料过多且未达到设计要求的微风化及新鲜岩石，以及实施中分选不严，物理性能改变较大，特别是压缩大，致使沉陷增大。

5.3 混凝土面板裂缝主因

除了初始温度应力外，主要是由于垫层料和堆石体变形过大使面板产生裂缝。垫层料在施工填筑期间发生大面积亏坡，补填料因一次补填太厚，斜坡上压实差，且新老接触面不紧密，造成了斜坡表面有一薄弱层。在面板发生裂缝后，实测干密度2.08g/cm3，小于设计值2.2g/cm3，相应孔隙率为26%，说明垫层料疏松，压缩模量低。由于堆石料施工强度过大而不均匀，前后堆石体高差太大，产生大的变形，并且面板赶浇筑混凝土，未错开堆石体变形高峰期，也使面板产生裂缝。后经处理运行正常。

5.4 面板垂直缝局部损坏

2003年7月检查发现，大坝面板L3、L4分缝处发生局部破损，L4破损位置从防浪墙下延伸至约748m高程，破损部位平均宽1m，最大4m，破损深平均24cm，最大30cm。对破损混凝土清除后浇混凝土，并在原缝顶设SR塑性止水后度汛。2004年5月在2003年的原处再次发生破损，当时库水位747.70m，仍以L4面板严重，平均宽1.6m，最宽5.2m，深平均26cm，最大35cm。发生破损主因是压性垂直缝为硬缝，没有吸收变形及调和应力分布能力，而堆石体向河床的向心位移引起河床面板受压，同时河床坝体向下游位移较两岸大，使面板整体呈凸向下游的锅底状，导致面板垂直缝上压应力不均，呈现表面大、底部小；再加之每年5～7月高温时，低水位的面板表面温度附加应力，最终发生表面破损情况。后经处理运行正常。

6 结束语

天生桥一级面板坝是我国最早兴建的特高面板坝，获得了技术创新的许多成就，但在运行中也出现了一些问题。天生桥一级面板坝为后建的贵州乌江洪家渡(最大坝高179.50m)、湖南三板溪(最大坝高185.50m)、湖北清江的水布垭(最大坝高233m)等超高面板坝工程提供了丰富的设计和施工经验，起到了良好的示范和借鉴作用，且其设计和施工经验纳入了《混凝土面板堆石坝设计规范》和《混凝土面板堆石坝施工规范》。