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天生橋一級水電站面板局部破損處理措施建議

文檔作者：許鑫蘇仁庚勾仕禧文檔來源：廣東粵電集團天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年12月28日
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2018 年第5 期
2018 Number 5
水電與新能源
HYDROPOWER AND NEW ENERGY
第32 卷
Vol.32
DOI： 10.13622／j.cnki.cn42 －1800／tv.1671 －3354.2018.05.015
收稿日期：2018 －03 －28 作者簡介：許 鑫，男，助理工程師，主要從事水工觀測維護方面的工作。
天生橋一級水電站面板局部破損處理措施建議
許 鑫，蘇仁庚，勾仕禧
（廣東粵電集團天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠，貴州興義 562400）
摘要：天生橋一級水電站面板堆石壩已運行17 年，大壩運行情況良好，安全可靠。但也存在混凝土面板局部擠壓破損
問題，雖經(jīng)多次修復處理，但效果不佳。針對大壩面板局部擠壓破壞的原因進行深入分析，通過基于多體接觸的軟接縫
模型試驗所得的結果表明，對部分垂直縫進行切縫處理，將部分硬拼垂直縫改造為能適應一定變形的半硬性縫，可有效
緩解切縫范圍面板的水平向高壓應力及高壓應變受力狀態(tài)，同時能減小后續(xù)壩體變形引起的面板壓應變增加值，降低面
板垂直縫再次發(fā)生擠壓破損的幾率，且不對下部面板應力應變、接縫等產(chǎn)生大的不利影響。
關鍵詞：天生橋一級水電站；面板堆石壩；面板擠壓破損
中圖分類號：TV698.2 文獻標志碼：B 文章編號：1671 －3354（2018）05 －0061 －05
Treatment of Local Breakages of the Concrete Face in Rockfill Dam
of Tianshengqiao －I Hydropower Station
XU Xin， SU Rengeng， GOU Shixi
（Tianshengqiao －I Hydropower Development Co.， Ltd.， Guangdong Yudean Group， Xingyi 562400， China）
Abstract： The concrete face rockfill dam of Tianshengqiao －I Hydropower Station has been operated for nearly 17 years
and generally of a safe and reliable condition.While， local extrusion breakages of the concrete face are also observed.
Although it has been repaired many times， the effect is not satisfactory.A soft joint model experiment based on the
multi－body contact is carried out.It is found that the horizontal high compression stress and strain near the vertical joints
could be alleviated by measures such as the joint cutting or replacement of the rigid joints by the semi－rigid joints that
could adapt to certain deformation.Also， the increase of the compression strain of the concrete face due to the subsequent
dam body deformation could be reduced and the breakage occurrence probability of the vertical joints is reduced，
while no significant adverse effect is generated to the stress and strain of the lower face and joints. Key words： Tianshengqiao －I Hydropower Station； concrete face rockfill dam； extrusion breakage of the concrete face
天生橋一級水電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石
壩。大壩長1 104 m，壩頂寬12 m，壩頂高程791.0 m，
最大壩高178 m。大壩填筑總方量約1 800 萬m3 ，大
壩上游壩坡1∶1.4，下游平均壩坡1∶1.4。大壩堆石壩
填筑體從上游到下游依次分ⅡA 料墊層區(qū)、ⅢA 料過
渡區(qū)、ⅢB 料主堆石區(qū)、ⅢC 料堆石區(qū)，ⅢD 料堆石區(qū)，
上游輔助防滲的面板鋪蓋（粘土料ⅠA 和任意料ⅠB
區(qū)）下游截水墻（ⅡB 過度料和粘土料Ⅳ區(qū)），任意料
ⅠB 區(qū)等八個填筑體。大壩主要結構見圖1 所示。壩
體采用壓坡式分區(qū)填筑的方式分8 期完成，壩體填筑
分期圖見圖2 所示。混凝土面板共有69 塊，每塊寬
16 m，壓性垂直縫采用平接硬縫，縫底部設有止水銅
片，混凝土標號為C25。面板分三期澆筑，第一期由底
部至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 m 高程至
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，趾板全長1 262.43 m，分
A.B.C 三種形式，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。
天生橋一級水電站面板堆石壩目前已運行近17
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， 大壩整體是安全可靠的。但在
61 萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源2018 年第5 期
2003 ～2005、2008、2009、2011、2012 年發(fā)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 及L8／L9 面板處。發(fā)生面板擠壓破損后，對面
板進行過多次修復處理，但由于多種原因導致處理效
果不佳。本文對近年來大壩面板局部擠壓破壞的原因
進行總結，對今后面板接縫處理部位的選擇、擠壓破損
處理措施的選擇提出建議［1 －3］ 。
1 面板局部擠壓破壞原因總結
天生橋一級大壩混凝土面板擠壓破損的主要原因
如下。
1）面板下游堆石壩體在面板澆筑之后進一步沉
降變形，因河床部位和左岸偏河床部位壩體沉降增量
大于兩岸，在堆石體變形調整過程中，沉降較小的兩岸
坡堆石壩體向沉降較大的中部壩段位移，而面板在自
重及水壓力作用下貼于壩體墊層料上，在墊層料隨壩
體堆石向河床位移過程中，兩岸坡面板也有向河床位
移的趨勢，而面板混凝土的壓縮模量遠大于堆石，故變
形較壩體堆石小，兩者變形不相協(xié)調，從而在面板底部
與墊層料接觸界面上產(chǎn)生相應的摩擦力，該力使河床
部位面板混凝土內產(chǎn)生相應的壓應力。這是河床面板
水平向產(chǎn)生壓應力的直接原因。
2）因河床壩體沉降及向下游位移較兩岸坡大，面
板整體呈凸向下游的鍋底狀，由于面板在壩軸線方向
為分塊結構，在庫水壓力等荷載的作用之下，面板隨壩
體位移過程中會發(fā)生轉動，河谷左側面板的法向向右
轉，河谷右側面板的法向向左轉，由于各面板轉動方向
和大小的不同，會使得面板在縱縫處不再處于全斷面
均勻接觸的狀態(tài)。在河谷中央部位，發(fā)生轉動后的面
板僅在縱縫的表面處發(fā)生接觸；而在兩岸坡部位，面板
轉動后其縱縫的表面部位會處于張開的狀態(tài)。面板轉
動后，受壓區(qū)接縫處面板表面受力狀態(tài)嚴重惡化，在縱
縫兩側表面產(chǎn)生擠壓應力集中區(qū)，面板縱縫處的上述
接觸轉動擠壓效應應是面板發(fā)生擠壓破壞的主要
原因。
3）混凝土具有熱脹冷縮的性質，夏季低水位高溫
季節(jié)致使面板表面溫度升高增加的溫度應力是面板擠
壓破壞的誘因。觀測資料顯示，水上部位面板內部溫
度年內日平均變幅值約25℃，在夏季陽光照射下，混
凝土表面溫度將比日平均溫度高得多，據(jù)實測資料估
計年內面板極值溫差將達到50℃左右，該溫度變化在
周邊約束較強的河床段面板混凝土內引起的溫度應力
也是極大的。天生橋面板混凝土線膨脹系數(shù)約為
7 ×10 －6℃，15℃的溫差引起的溫度應力為4.5 MPa。
根據(jù)2004 年7 月在河床部位面板表面增設的溫
度計及垂直縫面上的壓應力計測量結果，水位以下時
面板縫面應力與溫度變化的相關性不大，水位以上面
板應力與溫度變化關系緊密，面板溫度在29℃左右時
（相當于儀器埋設時溫度），垂直縫面呈現(xiàn)微小的拉應
力，而面板溫度在35 ～50℃時，縫面壓應力增幅達到
4 ～6.5 MPa；2006 年實測面板最高溫度為62℃時，縫
面壓應力增幅達12.6 MPa。
4）面板混凝土的應力狀態(tài)與擠壓破壞有一定關
系。混凝土在不同應力狀態(tài)下抗壓性能有所不同：三
向受壓時，一向的抗壓強度隨另二向壓應力增加而增
加；雙向受壓一向受拉時，一向抗壓強度隨另一向壓力
的增加而增加，隨受拉向拉應力增加而降低；一拉一壓
時，抗壓強度隨另一向拉應力增加而降低。根據(jù)實測
及計算分析表明，天生橋一期面板以為三向受壓狀態(tài)，
其抗壓性能較好，雖然實測順坡向鋼筋壓應力、混凝土
壓應變均較大，目前未發(fā)現(xiàn)擠壓破壞情況；二期面板在
低水位時受力情況從低高程的三向受壓狀態(tài)向高高程
二向受力狀態(tài)過渡，二期面板中上部抗壓性能逐漸減
弱；三期面板低水位時由低高程雙向受壓向高高程一
向受拉一向受壓的應力狀態(tài)過渡，水平向為壓應力，順
坡向底高程為壓應力，高高程為拉應力，抗壓能力較
低。河床中部二期面板頂部及三期面板水平向壓應力
較大，而順坡向壓應力較小，甚至出現(xiàn)拉應力，低水位
時因表面水壓力較小或無水壓力，受力狀態(tài)對抵抗水
平向壓應力不利，故面板破損多發(fā)生在730 m 高程
以上。
2 接縫處理部位選擇
根據(jù)大壩L4 視準線縱向位移觀測成果，左岸壩體
堆石向河床位移的最大值在0 ＋978 m 樁號，右岸壩體
堆石向河床位移的最大值在0 ＋534 m 樁號，說明面板
主要受壓區(qū)域在0 ＋500 m ～0 ＋980 m 樁號之間。
據(jù)778 m 高程面板內水平向混凝土應變計測值情
況，面板水平向以受壓為主，從根據(jù)鋼筋應力計測值
看，0 ＋501 m ～1 ＋029 m 樁號靠壩頂部位的面板均受
壓，從水平向混凝土應變計測值和鋼筋應力計測值量
值大小看，而0 ＋600 m ～800 m 樁號的二、三期面板壓
應力較大，為主要的承壓區(qū)。而從2017 年水平向混凝
土應變測值和鋼筋應力測值分布與2003 年對比圖看，
壓應力和壓應變峰值及量值較大的區(qū)域均有所減小。
2003、2004 年發(fā)生面板垂直縫混凝土擠壓破損
后，2004 年對垂直縫L3／L4、L1／L2、L5／L6 接縫746 m
高程以上進行了半硬性縫改造處理，2005 年又對
62 萬方數(shù)據(jù)
許 鑫，等：天生橋一級水電站面板局部破損處理措施建議2018 年5 月
R1／R2（0 ＋622 m）、L8／L9（0 ＋766 m）垂直縫731 m
高程以上垂直縫切縫改造處理后再次出現(xiàn)混凝土破損
情況如下。
1）2008 年再次發(fā)現(xiàn)大壩L8／L9 面板分縫混凝土
L8 側745.2 ～736.10 m 高程破損（最大深度30 cm，一
般破損深度在4 ～6 cm）；L3／L4 面板分縫混凝土L3
側727.9 ～745.27 m 高程破損（最大深度21 cm，一般
為10 cm），L4 側面板在733.88 ～745.27 m 高程破損
（最大深度為29 cm）。
2）2009 年在L2／L3 面板垂直縫的L3 面板側
721.88 ～726.38 m 出現(xiàn)靠近垂直縫邊緣混凝土裂縫
或小塊混凝土起翹（最大深度為3.5 cm）；L3／L4 面板
垂直縫在L4 面板側720.72 ～723.42 m（最大深度
13 cm）、740.8 ～741.8 m（最大深度33 cm）、782.60 ～
785.10 m（最大深度19 cm） 出現(xiàn)破損；L3 側面板
747.0 ～749.26 m（深度22 cm）、758.00 ～760.60 m
（最大深度42 cm，可見止水銅片）出現(xiàn)破損。
3） 2011 年L3／L4 面板垂直縫在L4 側面板
735.3 ～738.97 m（深度0.25 m）、741 ～748.35 m（深
度為0.25 m）、753 ～754 m（深度0.15 m）、764.55 ～
765.50 m （深0.12 m）、765.50 ～772.05 m （ 深
0.20 m）破損；L3 側面板748.3 ～753.3 m （深度
15 cm）破損。
4）2012 年在L3／L4 接縫L3 面板側716.16 ～
706.56 m 高程、L4 面板側707.76 ～706.76 m 高程局
部破損，破損部位有滲漏現(xiàn)象；L8／L9 接縫處在L8 面
板側731.26 ～726.26 m 高程局部破損，破損部位有滲
漏現(xiàn)象； L7／L8 大壩面板伸縮縫在L7 面板側
723.54 ～724.04 m 輕微破損。
2005 年后續(xù)發(fā)生的擠壓破損主要采取清除破損
混凝土，水上澆筑C25 混凝土、水下澆筑環(huán)氧混凝土，
然后鋪貼SR 蓋片的處理方式。從后續(xù)破壞發(fā)展情況
看，破損部位高程有向下延伸的趨勢，2012 年面板破
損L3／L4 分縫面板最低至706.56 m 高程，L8／L9 面板
破損范圍超過切縫末端731 m 向下延至726 m。
結合面板實測應力應變分析成果以及后續(xù)發(fā)生的
垂直縫擠壓破壞情況看，面板垂直縫處理范圍以包括
0 ＋600 m ～0 ＋800 m 樁號、700 m 高程以上垂直縫
為宜。
3 后期擠壓破損處理措施選擇
清華大學巖土工程研究所基于非線性接觸理論，
開發(fā)了基于多體接觸的軟接縫模型。根據(jù)其模型試驗
所得的結果，半硬性結構縫可明顯減小因壩體堆石縱
向變形造成的面板水平向擠壓應力。對上軟下硬的組
合壓性垂直縫結構而言，由于上部軟縫材料可吸收相
應的擠壓位移，從而使面板的擠壓應力顯著降低，但
是，在超過了軟縫材料可吸收的擠壓變形極限后，面板
后續(xù)的擠壓應力仍可增長；同時，采用上軟下硬縫結構
形式對兩岸張拉縫張開量影響也較小，而對面板周邊
縫的變形基本沒有影響。
從面板鋼筋計和混凝土應變計監(jiān)測數(shù)據(jù)看，河床
面板中上部在2003 年或2004 年面板擠壓破損及后續(xù)
的切縫處理后，面板混凝土內高壓應變能量有所釋放，
實測水平向鋼筋壓應力和混凝土應變值減小，后期增
量較小，而幾次面板垂直縫破損及垂直縫改造對低高
程面板位移、應力應變、接縫開度等影響不明顯。
綜上所述，對部分垂直縫進行切縫處理，并將部分
硬拼垂直縫改造為能適應一定變形的半硬性縫，可有
效緩解切縫范圍面板的水平向高壓應力及高壓應變受
力狀態(tài)，同時能減小后續(xù)壩體變形引起的面板壓應變
增加值，降低面板垂直縫再次發(fā)生擠壓破損的幾率，且
切縫處理不至于對下部面板應力應變、接縫等產(chǎn)生大
的不利影響。故下一步將部分硬拼垂直縫改造為能適
應一定變形的半硬性縫仍然是防止面板擠壓破損的有
效處理措施。同時，由于前期多次發(fā)生破損的L3／L4、
L8／L9 接縫有向低高程的下延趨勢，該部位接縫則宜
恢復為硬拼縫。
天生橋一級水庫死水位731 m，而近幾年的運行
最低水位在為735 ～740 m 之間，如通過水庫運行調
度，庫水位可以降至死水位附近，則最低的700 m 高程
需要水下處理，最大水深可能達40 m，有一定的施工
難度，為此水上和水下可采取不同的處理措施，水下部
分以防滲處理為原則，水上部分以垂直縫改造釋放面
板壓應力、改善接縫面受壓條件、減小擠壓破壞向低高
程發(fā)展可能，水上水下分界高程暫定731 m。具體接
縫處理方式見表1。
新增處理措施①。主要針對多次破損的L3／L4、
L8／L9 兩條接縫水上（731 m 以上）垂直縫進行，由于
接縫附近混凝土多次破損，存在局部滲漏現(xiàn)象，說明止
水周邊混凝土已存在損壞，且破損有向低高程發(fā)展的
趨勢，故此部位接縫建議按硬拼垂直縫恢復。具體為：
垂直縫兩側1 m 范圍面板混凝土全部鑿除（鑿除后若
發(fā)現(xiàn)墊層料有脫空現(xiàn)象，則用同級配石料填充），恢復
止水、增設抗擠壓鋼筋，重新澆筑C25 混凝土，原接縫
部位按無寬結構縫處理，垂直縫頂設置SR 填料，然后
對面板表面進行清理、清潔、干燥處理后，再在表面涂
刷帶有胎基布的厚度不小于4 mm 的聚脲防滲涂層。
63 萬方數(shù)據(jù)
水電與新能源2018 年第5 期
該處理措施示意圖見圖1。
表1 0 ＋600 m ～0 ＋800 m 垂直縫破損及處理措施表
編號樁號破損情況已有處理措施新增措施
R2／R1 0 ＋622 731 m 高程以上進行了半硬性縫改造處理，縫頂 鋪貼SR 蓋片
R1／L1 0 ＋638 ② L1／L2 0 ＋654 746 m 高程以上進行了半硬性縫改造處理，縫頂 鋪貼SR 蓋片
L2／L3 0 ＋670 2009 年 L3 面板側 721.88 ～726.38 m 輕微 破損③
L3／L4 0 ＋686 2003、2004、2008、2009、2011、2012 年多次破 損，最底高程706 m，存在滲水現(xiàn)象
746 m 高程以上進行了半硬性縫改造處理；清除
破損混凝土，水上澆筑C25 混凝土，水下澆筑環(huán)
氧混凝土；縫頂鋪貼SR 蓋片
①③
L4／L5 0 ＋702 ② L5／L6 0 ＋718 746 m 高程以上進行了半硬性縫改造處理，縫頂 鋪貼SR 蓋片
L7／L8 0 ＋750 2012 年 L7 面板側 723.54 ～724.04 m 輕微 破損②③
L8／L9 0 ＋766 2004、2008、2011、2012 年多次破損，最底高 程726 m，存在局部滲水現(xiàn)象
731 m 高程以上進行了半硬性縫改造處理；清除
破損混凝土，水上澆筑C25 混凝土，水下澆筑環(huán)
氧混凝土；縫頂鋪貼SR 蓋片
①③
L9／L10 0 ＋782 ② 圖1 新增處理措施①示意圖
新增處理措施②。針對壓應力較大的區(qū)域且前期
未進行過處理的R1／L1、L4／L5、L7／L8、L9／L10 共4 條
垂直縫水上（731 m 以上）按半硬性縫改造處理，以釋
放該區(qū)域混凝土承受的高壓應力，緩解因面板轉動造
成的接縫淺表層應力集中問題。具體為：選擇縫表面
性態(tài)較差（存在輕微破損或沿縫向裂縫）的面板，沿接
縫切縫寬5 ～8 cm 的“U”型槽，為避免損傷下部止水，
切縫深度按面板設計厚度減10 cm 進行控制，切縫槽
內清理干凈后嵌填12 mm 橡膠板，用M30 的預縮砂漿
灌滿切縫，并在垂直縫頂設置SR 填料，然后對面板表
64 萬方數(shù)據(jù)
許 鑫，等：天生橋一級水電站面板局部破損處理措施建議2018 年5 月
面進行清理、清潔、干燥處理后，再在表面涂刷帶有胎基布的厚度不小于4 mm 的聚脲防滲涂層。詳見圖2。
圖2 新增處理措施②示意圖
新增處理措施③。針對存在擠壓破損的垂直縫水
下（731 m 以下）進行處理。具體為：水下清除破損混
凝土后澆筑聚合物水下混凝土，表面鋪設土工膜，土工
膜在破損混凝土邊緣向兩側各外延1 m，并采用不銹
鋼膨脹螺栓和壓條固定，見圖3。
圖3 新增處理措施③示意圖
4 破損修補材料
修補所用材料要求如下。
1）砂漿和混凝土等修補材料強度指標不低于原
底層C25 混凝土，修補前宜涂刷界面劑，保證與底層
混凝土粘結強度大于2.5 MPa。
2）聚脲材料可選用單組分涂刷聚脲，聚脲涂刷范
圍為破損邊緣向外側50 cm。涂刷聚脲材料前，預先
涂刷界面劑材料。聚脲、胎基布及界面劑材料性能指
標需滿足相關技術規(guī)程要求（可參照《水電水利工程
聚脲涂層施工技術規(guī)程》（報批稿）執(zhí)行）。聚脲涂層
要求拉伸強度大于15 MPa，斷裂伸長率大于200％，與
混凝土（砂漿）的粘結強度大于2.5 MPa。
3） 土工膜。厚度不小于2.0 mm，拉伸強度≥
14 MPa，斷裂伸長率（縱／橫）≥400％。
4）嵌縫橡膠板的厚度為12 mm，要求橡膠板材料
的邵爾硬度大于65°，拉伸強度不低于10 MPa，壓縮永
久變形率小于25％。
5 結 語
天生橋一級面板堆石壩的壩體堆石及面板的變形
和應力經(jīng)歷了較長時間的發(fā)展和調整，根據(jù)壩體變形、
面板應力變形、接縫位移、壩基滲壓及大壩滲流量等的
安全監(jiān)測資料分析看，壩體總體發(fā)展趨勢均有所減慢，
內部變形已趨于穩(wěn)定，壩頂變形雖未收斂，但增速逐漸
趨緩；周邊縫及垂直縫位移除個別點外，測值平穩(wěn)無異
常，雖然大壩面板接縫多次出現(xiàn)過局部破損，但壩基內
滲壓測值無異常反應，表明大壩帷幕、周邊縫附近面板
及接縫止水等防滲系統(tǒng)良好。面板擠壓破損處理可依
據(jù)壩體變形未來的發(fā)展趨勢擇機進行，建議借鑒其他
工程經(jīng)驗，按壩頂變形最大測點的年變形量小于
10 mm 且面板的破損寬度和長度的最大值不再顯著增
加作為面板破損處理時機選擇的依據(jù)。
參考文獻：
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分析［J］.水力發(fā)電學報， 2008， 27（5）： 59 －63
［2］周墨臻， 張丙印， 張宗亮， 等.超高面板堆石壩面板擠壓
破壞機理及數(shù)值模擬方法研究［J］.巖土工程學報， 2015，
37（8）： 1426 －1432
［3］郝巨濤， 杜振坤.高混凝土面板堆石壩面板接縫擠壓破壞
預防措施研究［J］.水力發(fā)電， 2008， 34（6）： 41 －44

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