天生橋一級(jí)水電站堆石壩面板破損分析

羅井倫

(天生橋一級(jí)水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州興義 562400)

天生橋一級(jí)水電站堆石壩面板破損分析

羅井倫

(天生橋一級(jí)水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州興義 562400)

針對(duì)天生橋一級(jí)水電站混凝土面板在多次檢查中發(fā)生局部破損的現(xiàn)象，分析面板裂縫發(fā)展情況和面板破損情況，認(rèn)為天生橋一級(jí)水電站堆石壩面板發(fā)生的破損屬局部問題，不影響大壩整體安全。分析面板破損的原因，指出壩體沉降變形及溫度膨脹是導(dǎo)致面板多次發(fā)生破損的重要因素。提出以下針對(duì)面板破損的處理措施:優(yōu)化面板設(shè)計(jì)算法，降低沉降形變影響，降低溫度膨脹影響，以及合理安排施工進(jìn)度。

混凝土面板堆石壩;面板破損;壩體變形;溫度膨脹;天生橋一級(jí)水電站

1 工程概況

天生橋一級(jí)水電站是紅水河梯級(jí)電站的第一級(jí)，位于南盤江干流上。水庫總庫容為102.57億m3，調(diào)節(jié)庫容為57.96億m3，為不完全多年調(diào)節(jié)水庫。電站裝機(jī)容量為1200 MW(4×300 MW)，年發(fā)電量為52.26億kW·h，水庫正常蓄水位為780 m，最高庫水位為789m。壩址以上流域面積達(dá)50139m2，大壩按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，最大壩高為178 m。壩體上游壩坡為1∶1.4，下游壩坡平均為1∶1.4。壩體為混凝土面板堆石壩，堆石壩體分為墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)(含軟巖料區(qū))，壩體填筑總方量約為1800萬m3。

天生橋一級(jí)水電站堆石壩面板寬度為16 m，頂部高程為787.3 m，頂部厚度為0.3 m，底部厚度為0.9 m，設(shè)置垂直縫，間距16 m，共分69塊。面板混凝土標(biāo)號(hào)為C25，抗?jié)B標(biāo)號(hào)為S12，一期、二期面板設(shè)單層雙向配筋，三期面板設(shè)雙層雙向配筋，配筋率為0.3% ～0.4%。面板總面積17.27萬m3，方量共計(jì)8.87萬m3。在高程680.0 m和746.0 m處分別設(shè)水平施工縫。

2 面板運(yùn)行狀況

2.1 裂縫發(fā)展情況

2002年4—8月昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院巖土公司對(duì)大壩面板裂縫進(jìn)行檢查，主要調(diào)查三期面板 (編號(hào)R34～L35，樁號(hào)0+094～1+198，高程787.3～748.6 m，共計(jì)69塊)的裂縫發(fā)展情況。檢查發(fā)現(xiàn)裂縫總計(jì)4357條，寬度大于0.3 mm的裂縫有80條，長(zhǎng)度大于5 m的裂縫共有144條［1］。為確保大壩安全運(yùn)行，2003年3—5月對(duì)大壩面板裂縫進(jìn)行無損修補(bǔ)。

2.2 面板破損情況

天生橋一級(jí)水電站大壩面板自2003年7月發(fā)現(xiàn)破損以來，由于大壩變形量過大，加之溫度的影響，導(dǎo)致面板破損現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生。

2003—2012年共進(jìn)行了7次面板破損情況檢查，發(fā)現(xiàn)破損部位主要在L3、L4面板和L8、L9面板接縫處。歷次面板破損情況如下［1-2］:①2003年7月18日發(fā)現(xiàn)大壩L3、L4面板垂直分縫高程746.0～787.3 m處混凝土有擠壓破損現(xiàn)象，破損部位平均寬度1 m，最大寬度1.58 m，局部面板水平向鋼筋頂彎、外露。對(duì)破損較嚴(yán)重的部位鑿坑檢查，發(fā)現(xiàn)止水銅片局部破損，局部止水片與混凝土分離［2］。②2004年5月29日發(fā)現(xiàn)大壩L3、L4面板分縫高程710.0～787.3 m處發(fā)生擠壓破損，破損部位平均寬度3.1 m，最大寬度6 m，2003年修補(bǔ)的混凝土部分破損，底層鋼筋變形，破裂面光滑。③2005年7月8日發(fā)現(xiàn)L8面板施工縫右邊高程741.5～746.1m處面板破損，破損部位平均寬度0.7 m，最大寬度1.43 m。④2008年6月3日發(fā)現(xiàn)大壩L8、L9面板分縫高程745.2～736.1 m處破損，有鋼筋出露，但無彎曲情況，最大破損寬度為2.42m，最大破損深度為30cm;L3、L4面板分縫高程745.3～731.9 m處破損，最大破損寬度為1.5 m，最大破損深度為29 cm，大部分鋼筋出露、彎曲，破裂面不新鮮。⑤2009年5月29日發(fā)現(xiàn)L3面板側(cè)分縫高程726.3～725.8 m處破損，最大破損寬度為0.4 m;L4面板側(cè)分縫高程722.9～720.8 m處破損，最大破損寬度為1.57 m。⑥2011年6月21日發(fā)現(xiàn)L8、L9面板接縫高程735.5～736.3 m處發(fā)生破損，平均寬度為1.1 m;L3、L4面板分縫高程753.3～735.3 m處破損，平均破損寬度為2.3 m。⑦2012年6月2日水下檢查發(fā)現(xiàn)L3、L4面板接縫處L3面板側(cè)高程706.7～716.1 m部位發(fā)生破損，平均破損寬度為1.7 m，經(jīng)噴墨檢查發(fā)現(xiàn)面板裂縫有吸墨現(xiàn)象。L8、L9接縫處L8面板側(cè)高程731.2～726.2 m部位發(fā)生破損，平均破損寬度為1.5 m，經(jīng)噴墨檢查發(fā)現(xiàn)面板裂縫也有吸墨現(xiàn)象。

綜上所述，面板雖然在2003—2012年發(fā)生過局部破損現(xiàn)象，最大破損深度達(dá)30 cm，但裂縫沒有貫穿面板，大壩集水井、量水堰、水位孔等測(cè)值均正常。2008年大壩安全特種檢查專家組幾次會(huì)議研究認(rèn)為，除破損相關(guān)區(qū)域的面板應(yīng)變得到一定釋放外，大壩整體的變形、滲流規(guī)律沒有變化，壩體填筑料分區(qū)和級(jí)配可以滿足滲流穩(wěn)定要求，面板周邊縫未見異常變形。因此專家組得出如下結(jié)論:天生橋一級(jí)水電站堆石壩面板發(fā)生的破損屬局部問題，不影響大壩整體安全。

3 面板破損原因分析

3.1 溫度因素

面板在汛前高溫季節(jié)處于低水位運(yùn)行狀態(tài)，洪水到來前，三期面板基本處于夏季陽光暴曬中，面板實(shí)測(cè)溫度最高達(dá)50℃，高溫使得面板產(chǎn)生溫度膨脹擠壓［3］，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，在擠壓過程中兩岸未發(fā)生位移，膨脹壓力導(dǎo)致面板中部應(yīng)力集中。面板的溫度膨脹量為式中:L為面板長(zhǎng)度;C1為面板實(shí)測(cè)最高溫度;C2為大壩面板澆筑基礎(chǔ)溫度;A為混凝土膨脹系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，由大壩面板混凝土配合比查表可得膨脹系數(shù)為9.32。面板長(zhǎng)度為1104 m，大壩面板澆筑基礎(chǔ)溫度為20℃，面板實(shí)測(cè)最高溫度為50℃。由式(1)計(jì)算得到面板的膨脹量為308.68mm。

3.2 變形影響

a.沉降。2007年12月25日達(dá)到壩內(nèi)沉降歷史最大值，為 3551.7 mm［5］。

b.水平位移。2007年10月5日達(dá)到壩內(nèi)水平位移最大值，為 1143.28 mm［5］。

c.脫空。2002年4月對(duì)0+446～1+038、高程760.0～787.3 m面板的脫空情況進(jìn)行無損探測(cè)，總探測(cè)面積為27 805 m2，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)R12～L25面板在高程760.0～775.0 m范圍內(nèi)存在較大面積的脫空，但脫空高度較小。2011年7月對(duì)大壩0+638～0+782、高程740.0～787.3 m、面積為11520 m2的面板進(jìn)行無損探測(cè)，檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)5處脫空區(qū)，脫空平均高度1～5 cm，面積4.5～41 m2，脫空區(qū)分布于L3、L4、L6和L9面板內(nèi)，總脫空面積為60 m2。

天生橋一級(jí)水電站大壩面板垂直縫為硬性接縫，發(fā)生擠壓變形時(shí)沒有位移空間釋放應(yīng)力，而兩岸基巖十分堅(jiān)固，當(dāng)發(fā)生膨脹變形時(shí)應(yīng)力只能向面板釋放，巨大的膨脹變形量、大壩沉降變形、水壓力和面板自重等因素導(dǎo)致面板發(fā)生脫空現(xiàn)象。因此溫度膨脹和壩體變形是導(dǎo)致面板發(fā)生破損的重要因素。

4 面板破損處理措施

4.1 優(yōu)化面板設(shè)計(jì)算法

天生橋一級(jí)水電站堆石壩面板有限元分析采用的計(jì)算程序是在一般土石壩商業(yè)計(jì)算程序的基礎(chǔ)上適當(dāng)修改而來，以適應(yīng)面板堆石壩的工作特性，其中，二維計(jì)算采用修改后的美國FEADAM程序，程序中應(yīng)用不協(xié)調(diào)四邊形等參單元;三維計(jì)算采用修改后的加拿大FENA3D程序，在程序中增加了雙曲線的應(yīng)力－應(yīng)變模型，有限元網(wǎng)格采用用六面體八節(jié)點(diǎn)單元［2］。

在本次面板堆石壩的破損分析中，壩體材料采用鄧肯－張非線性彈性雙曲線模型，其相應(yīng)計(jì)算公式為［6-8］

式中:E為彈性模量;K為彈性模量數(shù);σ1和σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力;Pa為大氣壓力;n為彈性模量指數(shù);Rf為破壞比;c和φ為強(qiáng)度指標(biāo);B為體積模量;Kb為體積模量數(shù);m為體積模量指數(shù);Eur為卸荷彈性模量;Kur為卸荷彈性模量數(shù);nur為卸荷彈性模量指數(shù)。

建議設(shè)計(jì)單位根據(jù)面板后期的運(yùn)行情況，驗(yàn)證有限元分析所采用計(jì)算程序的合理性，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。

4.2 降低沉降形變影響

在面板堆石壩計(jì)算中常把面板接縫看成是能轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接，但為了施工方便和節(jié)約工程造價(jià)，施工中面板的接縫通常是垂直對(duì)接的。當(dāng)面板產(chǎn)生沉降、溫度膨脹和脫空時(shí)，面板接縫就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，此時(shí)面板將產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致面板破損釋放應(yīng)力，面板破損如圖1所示。所以在施工中要采用一定的措施降低壩體沉降量，以避免面板因受力產(chǎn)生破損。

4.3 降低溫度膨脹影響

a.增大伸縮縫間隙。在進(jìn)行弧形接縫時(shí)，如施工有難度或受經(jīng)濟(jì)的制約，可以采取常用的接縫施工方法，適當(dāng)增加伸縮縫的間隙，此方法同樣有避免裂縫產(chǎn)生的作用。

b.增加伸縮縫數(shù)量。為避免或減小變形擠壓，增加伸縮縫的數(shù)量，將面板的分塊數(shù)量適當(dāng)增加，同樣可以緩解變形時(shí)面板產(chǎn)生的應(yīng)力，從而避免面板發(fā)生破壞。天生橋一級(jí)水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠曾在2011年嘗試采用面板切割增設(shè)膠條的方法增加伸縮縫數(shù)量和間隙，以避免面板再次發(fā)生破損。

c.采用熱能吸收小的涂料。天生橋一級(jí)水電站混凝土面板總面積為17.27萬m2，方量共計(jì)8.87萬m3，在當(dāng)時(shí)填筑方量和面板擋水面積2項(xiàng)指標(biāo)均居世界之首。大面積的面板在受到溫度影響時(shí)，其膨脹量是不容忽視的，可采用熱能吸收小的涂料涂刷大壩面板或采用面板噴淋系統(tǒng)減小面板溫度膨脹量，從而降低由溫度產(chǎn)生的熱脹冷縮變形對(duì)大壩面板帶來的危害［9-10］。

4.4 合理安排施工進(jìn)度

在天生橋一級(jí)水電站建設(shè)過程中，由于受到各種因素的干擾，施工進(jìn)度比原計(jì)劃慢。為了在汛期前趕上工程原定施工進(jìn)度，加快了建設(shè)步伐，當(dāng)時(shí)的日填筑量曾經(jīng)創(chuàng)下世界第一的記錄。但是，在加快施工進(jìn)度、實(shí)現(xiàn)高填筑量的同時(shí)也存在壓實(shí)和沉降時(shí)間不足的缺陷，從而使后期的沉降量影響面板的安全，這也是面板產(chǎn)生脫空的原因之一。所以，在施工時(shí)應(yīng)合理安排施工進(jìn)度，使堆石體達(dá)到充分密實(shí)，以減小后期沉降變形對(duì)壩體造成的危害。

5 結(jié)語

圖1 面板破損示意圖

天生橋一級(jí)水電站面板堆石壩的最大沉降量為3551.7 mm，最大水平位移量為1 143.28 mm。面板溫度膨脹變形量估算為308.68 mm。在沉降和變形影響下面板脫空，面板破損集中在壩體變形較大的L3、L4接縫斷面和L8、L9接縫斷面上。天生橋一級(jí)水電站堆石壩面板的接縫均是硬性接縫，沉降導(dǎo)致的面板脫空和溫度膨脹產(chǎn)生的面板擠壓，加之面板自重和水壓力的作用，是導(dǎo)致面板破損反復(fù)發(fā)生的主要原因。在運(yùn)行管理中，嘗試啟用面板噴淋系統(tǒng)以及面板切割增設(shè)膠條的方法來緩解面板的破損情況。

［1］戴楊春.天生橋一級(jí)水電站大壩面板L3、L4壩塊混凝土破損修復(fù)處理報(bào)告［R］.興義:杭州國電大壩安全工程有限公司，2003.

［2］馮業(yè)林.天生橋一級(jí)水電站面板局部破損原因分析及處理措施［R］.興義:國家電力公司昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2003.

［3］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1999.

［4］姚武，鄭欣.配合比參數(shù)對(duì)混凝土熱膨脹系數(shù)的影響［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，35(1):11-17.(YAO Wu，ZHENG Xin.Effect of mix proportion on coefficient of thermal expansion of concrete［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，2007，35(1):11-17.(in Chinese))

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［10］李承木.摻MgO混凝土自生體積變形的溫度效應(yīng)［J］.水電站設(shè)計(jì)，1999，15(2):96-100.(LI Chengmu.Temperature effect for autogenous deformation of concrete mixed with MgO［J］.Design of Hydroelectric Power Station，1999，15(2):96-100.(in Chinese))

The breakage analysis of concrete panel in Tianshengqiao-1 Hydropower Station

LUO Jinglun(Hydroelectric Power Plant，Tianshengqiao-1Hydropower Development Company Limited，Xingyi562400，China)

Based on the local damage phenomenon occurred in the concrete panel of the rockfill dam of Tianshengqiao-1 Hydropower Station during multiple checks，concrete panel crack propagation and breakage behaviors are analyzed.The results show that the local damage in the concrete panel will not affect the safety of the whole rockfill dam.The results also show that the settlement deformation and thermal expansion are important factors of the broken panel.Therefore，the following measures for improvement of panel breakage are put forward:improving the computational method for the panel design，reducing the effect of sedimentation，reducing the effect of thermal expansion，and reasonablely arranging the construction schedule.

concrete panel rockfill dam;panel damage;dam deformation;thermal expansion;Tianshengqiao-1 Hydropower Station

TV641.4+3

A

1006-7647(2013)06-0076-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.016

羅井倫(1983—)，男(布依)，貴州興義人，助理工程師，主要從事水工觀測(cè)維護(hù)工作。E-mail:luojinglun256@163.com

book=79,ebook=200

2012-12-13 編輯:駱 超)