天生桥一级大坝面板挤压破损发展情况及分析

2021-12-22雷红军孙亚民罗永钦

大坝与安全 2021年4期

雷红军，施睿，孙亚民，罗永钦

（昆明理工大学，云南昆明，650500）

1 工程概况

天生桥一级水电站位于珠江流域主干流红水河上游黔、桂两省区交界的南盘江干流。水库总库容102.57 亿m3，正常蓄水位780 m。电站以发电为主，开发目标单一，总装机容量4×300 MW。天生桥一级水电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝长1 104 m，坝顶宽12 m，坝顶高程791.0 m，最大坝高178 m，填筑总方量约1 800 万m3。大坝上游坝坡1∶1.4，下游平均坝坡1∶1.4，共有混凝土面板69块，每块宽16 m。面板分三期浇筑，第一期为底部～680.0 m高程，第二期为680.0～746.0 m高程，第三期为746.0～787.3 m高程。在680.0～746.0 m高程处分别设有水平施工缝，面板厚度由底部0.9 m 渐变至顶部0.3 m，趾板地基设有固结和帷幕灌浆，趾板与面板之间设有三道止水的周边缝。堆石坝填筑体从上游到下游依次分ⅡA料垫层区、ⅢA料过渡区、ⅢB 料主堆石区、ⅢC 料堆石区、ⅢD 料堆石区、上游辅助防渗的面板铺盖（黏土料ⅠA 和任意料ⅠB区）、下游截水墙（过渡料ⅡB 和黏土料Ⅳ区）、任意料ⅠB 区这八个填筑体，大坝主要结构见图1。坝体填筑分八期完成，见图2。工程于1991 年6月正式开工，两条导流洞开始开挖；1994 年两岸坝头及河床水上部分开挖，年底实现大江截流；1997 年底下闸初期蓄水；1998 年首台机组发电；2000 年底工程竣工；2000 年12 月枢纽工程通过竣工安全鉴定。

图1 坝体结构分区Fig.1 Dam structural zones

图2 坝体分期填筑Fig.2 Dam filling stages

2 运行期混凝土面板挤压破损情况

天生桥一级水电站面板堆石坝目前已运行近18年，大坝运行整体情况良好，大坝渗漏量、变形、应力等观测结果表明，大坝整体安全可靠。但在2003～2012 年，大坝多次发生了混凝土面板的局部挤压破损，主要集中在面板中部偏左岸侧的L3/L4和L8/L9面板处，如图3所示。

图3 面板挤压破损发生的主要部位Fig.3 Main parts of extrusion damage

2.1 2003年面板破损情况

2003 年7 月，发现大坝面板L3、L4 分缝处（0+686 m 桩号）混凝土发生挤压破损。L3 面板仅轻微破损，而L4 面板破损范围从防浪墙底部向下延伸至水面（787.30～757.18 m），局部面板钢筋出露，破损部位平均宽度1 m，最大宽度1.58 m，局部面板钢筋顶弯外露，手掌可插入缝内。水下面板758.42～754.42 m 高程混凝土破损宽度约为1 m，754.42～752.92 m 高程混凝土破损平均宽度约0.1 m。对破损较严重的部位（781.50 m 和786.14 m 高程）进行凿坑检查，发现止水铜片局部破损，局部止水片与混凝土分离。754～748 m 破损较宽，最宽达3.5 m，并有0.5～0.9 m 宽的破碎带，破碎条带混凝土厚约5 cm。

为进一步消减大坝中部受压区面板的挤压应力，2003 年8—10 月对大坝L3/L4 破损面板进行了修复，处理范围为746.0-787.3 m 高程范围内面板之间的垂直分缝。

2.2 2004年面板破损情况

2004年5 月，发现大坝L3、L4分缝附近修补部位混凝土发生挤压破坏，范围由787.30 m高程至水面（相应水位747.77 m）。其中787.30～786.12 m 高程修补混凝土局部纵向凸起；786.12～781.41 m高程修补混凝土基本完好；781.41 m高程以下修补混凝土破损、抬起，局部存在老混凝土破损；748～754 m高程破损范围较大，最宽达6 m 左右，底层钢筋变形；水下面板破损至710 m高程，720 m高程破损宽度达2.4 m；对769 m 高程进行凿槽检查，发现破损深度略浅于2003 年修补深度；部分缝段可见止水铜片翼缘。鉴于2004 年面板破损处理正值主汛期，施工时间和施工条件有限，面板处理按水上永久处理和水下临时处理两种方案实施。

2.3 2005年面板破损情况

2005 年6—8 月，对部分大坝面板分缝进行了切缝处理，处理范围为：R1/R2（桩号0+622 m）、L8/L9（桩号0+766 m），787.3～731.0 m高程。

2005 年7 月8 日，发现L8/L9 面板水下高程742～745 m 的L8 面板靠近垂直缝部位发生局部破损。经清理检查，破损范围为741.50～745.96 m 高程，最大破损宽度1.5 m（741.56 m 高程），最大破损深度26 cm（744.96 m 高程），个别部位有钢筋出露（744.86～745.76 m高程）。在清理L8面板破损混凝土过程中，发现744.00～745.96 m 高程部位面板混凝土强度偏低，用锤子敲击，混凝土即碎裂成颗粒、骨料。该局部破损处理方案与2004 年L3/L4 面板垂直缝水下处理方案一样，于2005年7—8月完成。

2.4 2008年面板破损情况

2008年6月发现大坝L8/L9、L3/L4面板分缝混凝土发生破损。大坝L8/L9面板分缝混凝土破损发生在L8面板侧，L9面板侧混凝土无破损，原切缝埋设的橡胶板无挤压变形情况。混凝土破损范围为745.20～736.10 m高程，破损斜长14.75 m，最大破损宽度2.42 m，分缝处最大破损深度为30 cm，一般破损深度约4～6 cm。

大坝L3/L4面板分缝混凝土破损范围为727.9～731.9 m高程和733.88～745.27 m高程。其中727.9～731.9 m 高程平均破损宽度1 m，破损发生在L3 面板侧，破损斜长6.38 m，混凝土破损深度一般为10 cm 左右，最大破损深度为21 cm，未发现钢筋出露情况；733.88～745.27 m高程最大破损宽度1.5 m，破损发生在L4面板侧，破损斜长19 m，最大破损深度为29 cm。2008年7—8月对破损部位进行了处理。

2.5 2009年面板破损情况

2009年5月进行了大坝水下面板检查，发现L2/L3、L3/L4水下面板存在局部破损。（1）L2/L3面板破损情况：721.88～723.68 m 高程，在L2/L3 面板垂直缝的L3面板侧，靠近垂直缝边缘混凝土出现裂缝；724.48 m 高程处，L3 面板侧出现一块混凝土破损，长30 cm、宽15 cm，混凝土边缘起翘2 cm；726.38～725.88 m 高程，L3 面板侧发现一块混凝土破损，长60 cm、宽40 cm，混凝土边缘起翘2 cm。经清理，最大破损深度为3.5 cm，因考虑混凝土破损较浅，故未进行修复处理。（2）L3/L4 面板破损情况：混凝土破损发生在L4 面板侧，相应高程为720.72～723.42 m，破损斜长4.8 m，最大破损深度13 cm，最大宽度1.6 m，混凝土破损面不新鲜。修复处理方案与2008年水下修补相同，工程处理于2009年6月16日开始，7月8日结束。

6 月24 日检查发现，大坝L3/L4 水面以上面板发生局部破损。（1）L4 面板侧破损发生在740.8～741.8 m 和782.60～785.10 m 高程，破损斜长分别为1.78 m和4.2 m，其中740.8～741.8 m高程最大破损深度33 cm、宽度1.85 m，782.60～785.10 m高程破损宽度1.2 m、深度19 cm。（2）L3 面板破损发生在747.00～749.26 m 和758.00～760.60 m 高程，破损斜长分别为3.85 m和4.5 m，混凝土破损面新鲜，橡胶板和钢筋未变形。其中747.00～749.26 m 高程破损宽度1.54 m、深度22 cm，758.00 ～760.60 m 高程破损宽度1.8 m，最大深度42 cm（759～760.60 m 高程见止水铜片）。处理方案为：清除破损混凝土，水上浇筑C25 混凝土，水下浇筑环氧混凝土，然后铺贴SR盖片，工程处理于6月24日开始，7月8日结束。

2.6 2011年面板破损情况

2011年6～7月，检查发现面板存在以下问题：

（1）L4 右侧面板局部破损。6 月21 日，检查发现在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 高程混凝土出现局部破损，破损面陈旧。其中735.30～735.94 m高程破损宽度1.1 m，深度0.25 m；736.94～738.97 m高程破损宽度1.1 m，深度0.25 m；741.00～748.35 m 高程破损沿垂直缝方向长度12.5 m，平均宽度2.3 m，平均深度0.25 m；753.3～754.0 m高程破损宽度1 m，深度0.15 m。10月19日，将L3/L4面板接缝处盖片揭开，再次进行详细检查，发现仍存在局部破损。其中743.08～743.88 m高程破损面积3.2 m2，平均深度0.25 m；747.00～748.30 m 高程破损面积1.98 m2，平均深度0.12 m；764.55～765.50 m 高程破损面积1.2 m2，平均深度0.12 m；765.50～772.05 m高程破损面积16 m2，平均深度0.20 m。

（2）L3 侧面板局部破损。6 月21 日，检查发现748.3～753.3 m高程出现混凝土局部破损，破损面陈旧，挤压破损斜长为8.5 m（沿垂直缝方向），最大宽度为2.5 m（水平方向），平均宽度为1.1 m，平均深度为15 cm。

（3）L8面板局部破损。6月23日，检查发现L8面板局部破损，高程为735.50～736.95 m。

（4）L3/L4 面板接缝抬高情况。7 月2 日，检查发现L3面板顶部与防浪墙接触缝内原先填筑的沥青已脱落，形成一条5 cm 宽、3.4 m 长的缝隙，出现一定的脱空。通过对L3/L4 面板接缝鼓包进行检查，发现750～787 m 高程L3/L4 面板接缝处L3 侧面板相对L4 面板上抬3～5 cm；746～750 m 高程L3 面板与L4面板相对错动不明显，但L3/L4接缝破损较严重。736.5～746.0 m 高程L4 侧面板相对于L3 面板有向上移动的情况，向上移动约2 cm。

对面板破损部位进行简单修补处理，处理方案为：对破损混凝土面进行人工凿毛，凿毛深度不小于10 cm，然后在底部涂刷环氧树脂并浇C25 混凝土。6月25日～10月30日，对破损混凝土进行了修复处理，处理范围为L3/L4、L8/L9 面板局部破损部位。

针对检查发现的第三期面板L3/L4接缝处混凝土局部破损、局部错动现象，采取L3/L4接缝橡胶板恢复措施及L2/L3 面板切缝改造处理，处理范围为740～787 m高程，工程于2011年7月26日开工，8月31日完工。

2.7 2012年面板破损情况

2012年6月，检查发现破损情况如下：

（1）L3/L4 接缝处面板混凝土破损主要发生在L3 面板侧，破损面比较陈旧。L3 面板侧混凝土破损范围为716.16～706.56 m 高程，破损宽度为90～200 cm。潜水员对不同高程部位混凝土破损边缘进行喷墨检查，发现局部吸墨现象明显；L4面板侧707.76～706.76 m高程局部破损最大宽度为60 cm。

（2）L8/L9接缝处面板混凝土破损发生在L8面板侧，破损位于731.26～726.26 m 高程，宽度为65～300 cm。潜水员对接缝处不同高程破损部位混凝土进行喷墨检查，发现局部吸墨现象明显，混凝土破损面比较新鲜。

（3）L7/L8面板伸缩缝L7面板侧发现一处局部破损，破损部位高程723.54～724.04 m，最大宽度为30 cm，经潜水员水下喷墨，未发现吸墨现象。

（4）R9/R10 面板接缝698.5 m 高程处发现一个较小渗漏点。潜水员水下喷墨检查，发现此部位有微量的吸墨现象。

按2009 年处理方案进行处理，即清除破损混凝土，浇筑C30水下环氧混凝土，然后铺贴SR盖片。

2.8 近5年面板破损情况

大坝运行初期，面板挤压破损发生后，对面板进行过多次修复处理，但从后续发展情况来看，由于多种原因导致处理效果不佳，混凝土面板依然发生新的挤压破损并存在向低高程发展的趋势。对大坝渗漏量进行分析，发现渗漏量在某些年份受降雨影响有加大趋势，但总体在20～160 L/s 间波动，与坝前库水位和降雨量相关性较好，渗流量与国内外同类坝相比属正常范围，面板挤压破损前后渗流量未见明显增大。

2013年，对天生桥一级面板堆石坝面板挤压破损机理及工程措施进行深入研究，认为天生桥一级面板堆石坝运行期的坝体堆石及面板变形经历了较长时间的发展，总体发展趋势均有所减慢，但部分部位变形尚未完全稳定或收敛，因此建议在保证坝体渗透量不明显增加、渗透稳定性不变差的情况下，暂缓对坝体的进一步修复和扰动，面板挤压破损修复可依据坝体变形的未来发展趋势择机进行。

观测发现，近5 年随着坝体变形的缓慢发展，面板的挤压破损并未出现明显恶化，坝体渗漏量仍在正常范围内波动，大坝依然处于安全状态。对于面板挤压破损修复处理方案及时机的选择，需根据坝体变形和面板挤压破损的情况进行深入研究分析后确定。

3 面板挤压破损的主要原因

根据一般认识，坝体的变形发展是面板挤压破损发生的主要原因，因此，对坝体和面板的变形及应力（包括坝顶位移、下游坝面变形、坝体内部变形、水平向和顺坡向钢筋应力、水平向和顺坡向混凝土应变、面板周边缝位移、垂直缝开合度等）进行了详细分析，主要结论如下：

（1）坝顶变形仍在持续发展中，坝顶近年来的变形发展速率已有所减慢，但尚未趋稳。

（2）坝体下游各视准线横向位移在波动中趋于收敛，沉降在持续发展中，年变化量虽同样逐渐减小，但累积量尚未出现完全收敛的趋势，表明坝体后续沉降变形可能还将保持较长时间低速发展。

（3）坝体内部沉降目前发展较为缓慢，位移时程曲线趋于收敛，水位升降的影响越来越不明显。

（4）水平向和顺坡向钢筋应力典型测点测值的变化趋势与测点所在位置、高程等密切相关，随库水位波动而波动。总体规律呈现为：河床中间部位水平向钢筋应力在横河向受到较强的挤压作用，向两岸方向挤压作用减轻；顺坡向钢筋应力为坝顶处受拉，中高程部位以下受到挤压；水平向混凝土应变规律与水平向钢筋应力分布规律相似，顺坡向混凝土应变规律则与顺坡向钢筋应力分布规律类似。

（5）近年来周边缝多支三向测缝计测值波动较大，宜对仪器和测值进行检查核实，同时对周边缝进行系统检查，以确定周边缝结构是否出现异常。

总体来说，天生桥一级面板堆石坝运行期的坝体堆石及面板变形经历了较长时间的发展，总体发展趋势均有所减慢，但部分部位变形尚未完全稳定或收敛。

结合上述监测资料分析，并经理论分析论证，得到面板挤压破损发生机理为：堆石向河床中央部位位移，带动面板位移，河床部位面板发生挤压，面板变形整体呈凸向下游的锅底状，导致面板块与块之间在分缝处呈顶部接触、底部张开，形成应力集中，导致挤压剪切破坏。因此，坝体变形的长期发展且未达到稳定状态，是面板发生挤压破损的主要原因。