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天生桥一级水电站面板局部破损处理措施建议

文档作者：许鑫苏仁庚勾仕禧文档来源：广东粤电集团天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂		点击数：	更新时间： 2025年12月28日
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2018 年第5 期
2018 Number 5
水电与新能源
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 作者简介：许 鑫，男，助理工程师，主要从事水工观测维护方面的工作。
天生桥一级水电站面板局部破损处理措施建议
许 鑫，苏仁庚，勾仕禧
（广东粤电集团天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州兴义 562400）
摘要：天生桥一级水电站面板堆石坝已运行17 年，大坝运行情况良好，安全可靠。但也存在混凝土面板局部挤压破损
问题，虽经多次修复处理，但效果不佳。针对大坝面板局部挤压破坏的原因进行深入分析，通过基于多体接触的软接缝
模型试验所得的结果表明，对部分垂直缝进行切缝处理，将部分硬拼垂直缝改造为能适应一定变形的半硬性缝，可有效
缓解切缝范围面板的水平向高压应力及高压应变受力状态，同时能减小后续坝体变形引起的面板压应变增加值，降低面
板垂直缝再次发生挤压破损的几率，且不对下部面板应力应变、接缝等产生大的不利影响。
关键词：天生桥一级水电站；面板堆石坝；面板挤压破损
中图分类号：TV698.2 文献标志码：B 文章编号：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
天生桥一级水电站大坝为钢筋混凝土面板堆石
坝。大坝长1 104 m，坝顶宽12 m，坝顶高程791.0 m，
最大坝高178 m。大坝填筑总方量约1 800 万m3 ，大
坝上游坝坡1∶1.4，下游平均坝坡1∶1.4。大坝堆石坝
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（粘土料ⅠA 和任意料ⅠB
区）下游截水墙（ⅡB 过度料和粘土料Ⅳ区），任意料
ⅠB 区等八个填筑体。大坝主要结构见图1 所示。坝
体采用压坡式分区填筑的方式分8 期完成，坝体填筑
分期图见图2 所示。混凝土面板共有69 块，每块宽
16 m，压性垂直缝采用平接硬缝，缝底部设有止水铜
片，混凝土标号为C25。面板分三期浇筑，第一期由底
部至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 m 高程至
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，趾板全长1 262.43 m，分
A.B.C 三种形式，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。
天生桥一级水电站面板堆石坝目前已运行近17
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， 大坝整体是安全可靠的。但在
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水电与新能源2018 年第5 期
2003 ～2005、2008、2009、2011、2012 年发生了混凝土面
板的局部挤压破损，主要集中在面板中部偏左岸侧的
L3／L4 及L8／L9 面板处。发生面板挤压破损后，对面
板进行过多次修复处理，但由于多种原因导致处理效
果不佳。本文对近年来大坝面板局部挤压破坏的原因
进行总结，对今后面板接缝处理部位的选择、挤压破损
处理措施的选择提出建议［1 －3］ 。
1 面板局部挤压破坏原因总结
天生桥一级大坝混凝土面板挤压破损的主要原因
如下。
1）面板下游堆石坝体在面板浇筑之后进一步沉
降变形，因河床部位和左岸偏河床部位坝体沉降增量
大于两岸，在堆石体变形调整过程中，沉降较小的两岸
坡堆石坝体向沉降较大的中部坝段位移，而面板在自
重及水压力作用下贴于坝体垫层料上，在垫层料随坝
体堆石向河床位移过程中，两岸坡面板也有向河床位
移的趋势，而面板混凝土的压缩模量远大于堆石，故变
形较坝体堆石小，两者变形不相协调，从而在面板底部
与垫层料接触界面上产生相应的摩擦力，该力使河床
部位面板混凝土内产生相应的压应力。这是河床面板
水平向产生压应力的直接原因。
2）因河床坝体沉降及向下游位移较两岸坡大，面
板整体呈凸向下游的锅底状，由于面板在坝轴线方向
为分块结构，在库水压力等荷载的作用之下，面板随坝
体位移过程中会发生转动，河谷左侧面板的法向向右
转，河谷右侧面板的法向向左转，由于各面板转动方向
和大小的不同，会使得面板在纵缝处不再处于全断面
均匀接触的状态。在河谷中央部位，发生转动后的面
板仅在纵缝的表面处发生接触；而在两岸坡部位，面板
转动后其纵缝的表面部位会处于张开的状态。面板转
动后，受压区接缝处面板表面受力状态严重恶化，在纵
缝两侧表面产生挤压应力集中区，面板纵缝处的上述
接触转动挤压效应应是面板发生挤压破坏的主要
原因。
3）混凝土具有热胀冷缩的性质，夏季低水位高温
季节致使面板表面温度升高增加的温度应力是面板挤
压破坏的诱因。观测资料显示，水上部位面板内部温
度年内日平均变幅值约25℃，在夏季阳光照射下，混
凝土表面温度将比日平均温度高得多，据实测资料估
计年内面板极值温差将达到50℃左右，该温度变化在
周边约束较强的河床段面板混凝土内引起的温度应力
也是极大的。天生桥面板混凝土线膨胀系数约为
7 ×10 －6℃，15℃的温差引起的温度应力为4.5 MPa。
根据2004 年7 月在河床部位面板表面增设的温
度计及垂直缝面上的压应力计测量结果，水位以下时
面板缝面应力与温度变化的相关性不大，水位以上面
板应力与温度变化关系紧密，面板温度在29℃左右时
（相当于仪器埋设时温度），垂直缝面呈现微小的拉应
力，而面板温度在35 ～50℃时，缝面压应力增幅达到
4 ～6.5 MPa；2006 年实测面板最高温度为62℃时，缝
面压应力增幅达12.6 MPa。
4）面板混凝土的应力状态与挤压破坏有一定关
系。混凝土在不同应力状态下抗压性能有所不同：三
向受压时，一向的抗压强度随另二向压应力增加而增
加；双向受压一向受拉时，一向抗压强度随另一向压力
的增加而增加，随受拉向拉应力增加而降低；一拉一压
时，抗压强度随另一向拉应力增加而降低。根据实测
及计算分析表明，天生桥一期面板以为三向受压状态，
其抗压性能较好，虽然实测顺坡向钢筋压应力、混凝土
压应变均较大，目前未发现挤压破坏情况；二期面板在
低水位时受力情况从低高程的三向受压状态向高高程
二向受力状态过渡，二期面板中上部抗压性能逐渐减
弱；三期面板低水位时由低高程双向受压向高高程一
向受拉一向受压的应力状态过渡，水平向为压应力，顺
坡向底高程为压应力，高高程为拉应力，抗压能力较
低。河床中部二期面板顶部及三期面板水平向压应力
较大，而顺坡向压应力较小，甚至出现拉应力，低水位
时因表面水压力较小或无水压力，受力状态对抵抗水
平向压应力不利，故面板破损多发生在730 m 高程
以上。
2 接缝处理部位选择
根据大坝L4 视准线纵向位移观测成果，左岸坝体
堆石向河床位移的最大值在0 ＋978 m 桩号，右岸坝体
堆石向河床位移的最大值在0 ＋534 m 桩号，说明面板
主要受压区域在0 ＋500 m ～0 ＋980 m 桩号之间。
据778 m 高程面板内水平向混凝土应变计测值情
况，面板水平向以受压为主，从根据钢筋应力计测值
看，0 ＋501 m ～1 ＋029 m 桩号靠坝顶部位的面板均受
压，从水平向混凝土应变计测值和钢筋应力计测值量
值大小看，而0 ＋600 m ～800 m 桩号的二、三期面板压
应力较大，为主要的承压区。而从2017 年水平向混凝
土应变测值和钢筋应力测值分布与2003 年对比图看，
压应力和压应变峰值及量值较大的区域均有所减小。
2003、2004 年发生面板垂直缝混凝土挤压破损
后，2004 年对垂直缝L3／L4、L1／L2、L5／L6 接缝746 m
高程以上进行了半硬性缝改造处理，2005 年又对
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许 鑫，等：天生桥一级水电站面板局部破损处理措施建议2018 年5 月
R1／R2（0 ＋622 m）、L8／L9（0 ＋766 m）垂直缝731 m
高程以上垂直缝切缝改造处理后再次出现混凝土破损
情况如下。
1）2008 年再次发现大坝L8／L9 面板分缝混凝土
L8 侧745.2 ～736.10 m 高程破损（最大深度30 cm，一
般破损深度在4 ～6 cm）；L3／L4 面板分缝混凝土L3
侧727.9 ～745.27 m 高程破损（最大深度21 cm，一般
为10 cm），L4 侧面板在733.88 ～745.27 m 高程破损
（最大深度为29 cm）。
2）2009 年在L2／L3 面板垂直缝的L3 面板侧
721.88 ～726.38 m 出现靠近垂直缝边缘混凝土裂缝
或小块混凝土起翘（最大深度为3.5 cm）；L3／L4 面板
垂直缝在L4 面板侧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） 出现破损；L3 侧面板
747.0 ～749.26 m（深度22 cm）、758.00 ～760.60 m
（最大深度42 cm，可见止水铜片）出现破损。
3） 2011 年L3／L4 面板垂直缝在L4 侧面板
735.3 ～738.97 m（深度0.25 m）、741 ～748.35 m（深
度为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）破损；L3 侧面板748.3 ～753.3 m （深度
15 cm）破损。
4）2012 年在L3／L4 接缝L3 面板侧716.16 ～
706.56 m 高程、L4 面板侧707.76 ～706.76 m 高程局
部破损，破损部位有渗漏现象；L8／L9 接缝处在L8 面
板侧731.26 ～726.26 m 高程局部破损，破损部位有渗
漏现象； L7／L8 大坝面板伸缩缝在L7 面板侧
723.54 ～724.04 m 轻微破损。
2005 年后续发生的挤压破损主要采取清除破损
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 盖片的处理方式。从后续破坏发展情况
看，破损部位高程有向下延伸的趋势，2012 年面板破
损L3／L4 分缝面板最低至706.56 m 高程，L8／L9 面板
破损范围超过切缝末端731 m 向下延至726 m。
结合面板实测应力应变分析成果以及后续发生的
垂直缝挤压破坏情况看，面板垂直缝处理范围以包括
0 ＋600 m ～0 ＋800 m 桩号、700 m 高程以上垂直缝
为宜。
3 后期挤压破损处理措施选择
清华大学岩土工程研究所基于非线性接触理论，
开发了基于多体接触的软接缝模型。根据其模型试验
所得的结果，半硬性结构缝可明显减小因坝体堆石纵
向变形造成的面板水平向挤压应力。对上软下硬的组
合压性垂直缝结构而言，由于上部软缝材料可吸收相
应的挤压位移，从而使面板的挤压应力显著降低，但
是，在超过了软缝材料可吸收的挤压变形极限后，面板
后续的挤压应力仍可增长；同时，采用上软下硬缝结构
形式对两岸张拉缝张开量影响也较小，而对面板周边
缝的变形基本没有影响。
从面板钢筋计和混凝土应变计监测数据看，河床
面板中上部在2003 年或2004 年面板挤压破损及后续
的切缝处理后，面板混凝土内高压应变能量有所释放，
实测水平向钢筋压应力和混凝土应变值减小，后期增
量较小，而几次面板垂直缝破损及垂直缝改造对低高
程面板位移、应力应变、接缝开度等影响不明显。
综上所述，对部分垂直缝进行切缝处理，并将部分
硬拼垂直缝改造为能适应一定变形的半硬性缝，可有
效缓解切缝范围面板的水平向高压应力及高压应变受
力状态，同时能减小后续坝体变形引起的面板压应变
增加值，降低面板垂直缝再次发生挤压破损的几率，且
切缝处理不至于对下部面板应力应变、接缝等产生大
的不利影响。故下一步将部分硬拼垂直缝改造为能适
应一定变形的半硬性缝仍然是防止面板挤压破损的有
效处理措施。同时，由于前期多次发生破损的L3／L4、
L8／L9 接缝有向低高程的下延趋势，该部位接缝则宜
恢复为硬拼缝。
天生桥一级水库死水位731 m，而近几年的运行
最低水位在为735 ～740 m 之间，如通过水库运行调
度，库水位可以降至死水位附近，则最低的700 m 高程
需要水下处理，最大水深可能达40 m，有一定的施工
难度，为此水上和水下可采取不同的处理措施，水下部
分以防渗处理为原则，水上部分以垂直缝改造释放面
板压应力、改善接缝面受压条件、减小挤压破坏向低高
程发展可能，水上水下分界高程暂定731 m。具体接
缝处理方式见表1。
新增处理措施①。主要针对多次破损的L3／L4、
L8／L9 两条接缝水上（731 m 以上）垂直缝进行，由于
接缝附近混凝土多次破损，存在局部渗漏现象，说明止
水周边混凝土已存在损坏，且破损有向低高程发展的
趋势，故此部位接缝建议按硬拼垂直缝恢复。具体为：
垂直缝两侧1 m 范围面板混凝土全部凿除（凿除后若
发现垫层料有脱空现象，则用同级配石料填充），恢复
止水、增设抗挤压钢筋，重新浇筑C25 混凝土，原接缝
部位按无宽结构缝处理，垂直缝顶设置SR 填料，然后
对面板表面进行清理、清洁、干燥处理后，再在表面涂
刷带有胎基布的厚度不小于4 mm 的聚脲防渗涂层。
63 万方数据
水电与新能源2018 年第5 期
该处理措施示意图见图1。
表1 0 ＋600 m ～0 ＋800 m 垂直缝破损及处理措施表
编号桩号破损情况已有处理措施新增措施
R2／R1 0 ＋622 731 m 高程以上进行了半硬性缝改造处理，缝顶 铺贴SR 盖片
R1／L1 0 ＋638 ② L1／L2 0 ＋654 746 m 高程以上进行了半硬性缝改造处理，缝顶 铺贴SR 盖片
L2／L3 0 ＋670 2009 年 L3 面板侧 721.88 ～726.38 m 轻微 破损③
L3／L4 0 ＋686 2003、2004、2008、2009、2011、2012 年多次破 损，最底高程706 m，存在渗水现象
746 m 高程以上进行了半硬性缝改造处理；清除
破损混凝土，水上浇筑C25 混凝土，水下浇筑环
氧混凝土；缝顶铺贴SR 盖片
①③
L4／L5 0 ＋702 ② L5／L6 0 ＋718 746 m 高程以上进行了半硬性缝改造处理，缝顶 铺贴SR 盖片
L7／L8 0 ＋750 2012 年 L7 面板侧 723.54 ～724.04 m 轻微 破损②③
L8／L9 0 ＋766 2004、2008、2011、2012 年多次破损，最底高 程726 m，存在局部渗水现象
731 m 高程以上进行了半硬性缝改造处理；清除
破损混凝土，水上浇筑C25 混凝土，水下浇筑环
氧混凝土；缝顶铺贴SR 盖片
①③
L9／L10 0 ＋782 ② 图1 新增处理措施①示意图
新增处理措施②。针对压应力较大的区域且前期
未进行过处理的R1／L1、L4／L5、L7／L8、L9／L10 共4 条
垂直缝水上（731 m 以上）按半硬性缝改造处理，以释
放该区域混凝土承受的高压应力，缓解因面板转动造
成的接缝浅表层应力集中问题。具体为：选择缝表面
性态较差（存在轻微破损或沿缝向裂缝）的面板，沿接
缝切缝宽5 ～8 cm 的“U”型槽，为避免损伤下部止水，
切缝深度按面板设计厚度减10 cm 进行控制，切缝槽
内清理干净后嵌填12 mm 橡胶板，用M30 的预缩砂浆
灌满切缝，并在垂直缝顶设置SR 填料，然后对面板表
64 万方数据
许 鑫，等：天生桥一级水电站面板局部破损处理措施建议2018 年5 月
面进行清理、清洁、干燥处理后，再在表面涂刷带有胎基布的厚度不小于4 mm 的聚脲防渗涂层。详见图2。
图2 新增处理措施②示意图
新增处理措施③。针对存在挤压破损的垂直缝水
下（731 m 以下）进行处理。具体为：水下清除破损混
凝土后浇筑聚合物水下混凝土，表面铺设土工膜，土工
膜在破损混凝土边缘向两侧各外延1 m，并采用不锈
钢膨胀螺栓和压条固定，见图3。
图3 新增处理措施③示意图
4 破损修补材料
修补所用材料要求如下。
1）砂浆和混凝土等修补材料强度指标不低于原
底层C25 混凝土，修补前宜涂刷界面剂，保证与底层
混凝土粘结强度大于2.5 MPa。
2）聚脲材料可选用单组分涂刷聚脲，聚脲涂刷范
围为破损边缘向外侧50 cm。涂刷聚脲材料前，预先
涂刷界面剂材料。聚脲、胎基布及界面剂材料性能指
标需满足相关技术规程要求（可参照《水电水利工程
聚脲涂层施工技术规程》（报批稿）执行）。聚脲涂层
要求拉伸强度大于15 MPa，断裂伸长率大于200％，与
混凝土（砂浆）的粘结强度大于2.5 MPa。
3） 土工膜。厚度不小于2.0 mm，拉伸强度≥
14 MPa，断裂伸长率（纵／横）≥400％。
4）嵌缝橡胶板的厚度为12 mm，要求橡胶板材料
的邵尔硬度大于65°，拉伸强度不低于10 MPa，压缩永
久变形率小于25％。
5 结 语
天生桥一级面板堆石坝的坝体堆石及面板的变形
和应力经历了较长时间的发展和调整，根据坝体变形、
面板应力变形、接缝位移、坝基渗压及大坝渗流量等的
安全监测资料分析看，坝体总体发展趋势均有所减慢，
内部变形已趋于稳定，坝顶变形虽未收敛，但增速逐渐
趋缓；周边缝及垂直缝位移除个别点外，测值平稳无异
常，虽然大坝面板接缝多次出现过局部破损，但坝基内
渗压测值无异常反应，表明大坝帷幕、周边缝附近面板
及接缝止水等防渗系统良好。面板挤压破损处理可依
据坝体变形未来的发展趋势择机进行，建议借鉴其他
工程经验，按坝顶变形最大测点的年变形量小于
10 mm 且面板的破损宽度和长度的最大值不再显著增
加作为面板破损处理时机选择的依据。
参考文献：
［1］邢林生， 朱锦杰， 赵晓宇.天生桥一级大坝面板挤压破损
分析［J］.水力发电学报， 2008， 27（5）： 59 －63
［2］周墨臻， 张丙印， 张宗亮， 等.超高面板堆石坝面板挤压
破坏机理及数值模拟方法研究［J］.岩土工程学报， 2015，
37（8）： 1426 －1432
［3］郝巨涛， 杜振坤.高混凝土面板堆石坝面板接缝挤压破坏
预防措施研究［J］.水力发电， 2008， 34（6）： 41 －44

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