面板坝的挤压破坏和渗漏处理

关志诚

（水利部水利水电现划设计总院 北京 100120）

1 引言

随着高面板坝建设数量快速增加，大坝防渗结构挤压破坏导致渗漏时有发生，引起工程界高度重视。我国的高面板坝一经发现面板破损破坏就及时进行处理，把可能发生的渗流增加和渗漏危害降低到最低程度，如天生桥一级、紫坪铺、三板溪等。目前，对于大坝渗流监测量级与大坝安全关系尚未见评价标准，基本上仍按经验和类比作出判断。

2 国内面板坝挤压破坏和渗漏处理工程实例

国内近期投入运行的高面板坝发生挤压破坏的工程有天生桥一级、紫坪铺、三板溪等，前两个工程并没有导致大坝渗漏量的明显增加。我国高面板坝坝体渗漏量情况：天生桥一级，80～140L/s；洪家渡，7～135L/s；吉林台一级，286L/s；水布垭，23.43～40L/s；董箐，41.8L/s。

（1）三板溪面板坝高185.5m，坝顶长423.75m，坝高宽比为1:2.28，面板底部厚度0.913m，三期面板是按二期面板顶部厚度等厚浇筑。水库下闸蓄水初期水位上升速率较快，至2006年6月，5个月内上升约100.0m(水位高程429.0m)，坝体内部累计最大沉降量为148cm，周边缝最大剪切变形为

45mm，面板混凝土内测得压应力约为15MP，顺坡向钢筋最大压应力约160MP。在随后的1年里库水位基本保持在430.0m，大坝变形平缓，面板混凝土和钢筋应力变化较小，大坝工作状态基本正常。在2007年7月下旬24小时内库水位由465.8m升至470.26m时，大坝渗漏量由113.6L/s增至255.4L/s,月底库水位达到472.1m时，大坝渗漏量为253L/s；幕后坝基渗透压力最大增幅在20～40m,大坝变形明显变大，最大沉降速率为1.93cm/m。在库水位回落过程中渗漏量仍继续增大，回降至467.0m时渗漏量为303.0L/s。处理情况：对左MB3～右MB9共12块一、二期连续破损面板进行凿除，并对其周边修整，在不破坏原有结构情况下重新整形绑扎钢筋，采用强度等级C35、黏结剂附着力1～2级、水下黏结强度大于2.5MP的PBM混凝土进行水下填补修复，表面布置一层双向直径4mm间距100mm钢筋网。2008年6月部分面板修复后大坝渗漏量明显减少。

（2）天生桥一级面板坝于2003年8月汛期采用临时修复措施，水上部分进行表面清理，对高出面板表面的钢筋敲平或切除更新，用903聚合物水泥砂浆打底，浇筑C25混凝土，并预留宽度50mm和深度100mm的槽，涂SR底胶后填入SR止水材料，并制成鼓包，用SR防渗盖片覆盖，两侧用铝片压紧并用环氧材料封边；水下部分将破损混凝土清除并对周边进行修整后，浇筑PBM聚合物混凝土，并按水上构造形式处理,未影响正常蓄水运行。2004年5月22日面板在2003年发生破损后修复区再次发生局部挤压破坏。破损部位仍在L3/L4面板接缝两侧，但向水下延伸至710m高程，其中718.58～710.00m高程为轻微破损。水上部分787.30～786.12m高程修补混凝土局部凸起，786.12～781.41m高程修补混凝土表面基本完好，781.41m高程以下修补混凝土破损抬起，局部有老混凝土破损，748～754m高程破损范围较大，最宽达5.35m。破损情况仍以L4面板较为严重，平均宽度约1.0m，最宽1.6m，破损深度平均260～350mm。面板水平钢筋向上弯曲出露，局部有止水铜片出露。接近水面高程747.76～757.74m处破损较严重，平均宽度2.2m，最大宽度2.6m。水下部分L4面板破损宽度平均1.9m，最大宽度2.2m，平均深度90mm，最大深度250mm；L3面板破损平均宽度0.6m，最大宽度2.2m，最大深度250mm。破损严重部位局部有渗漏现象。水上部分（746m高程以上）按永久性修复L3/L4接缝，并对L1/L2及L5/L6板间进行切缝处理至746m高程。一般缝宽50mm，深度达到铜止水片顶部，缝中间填入20mm厚的橡胶板，再用砂浆填满，表面做SR鼓包封闭。水下部分处理范围为L3/L4面板接缝高程710.0～743.5m。处理方法为清除破损与松动混凝土，整平突出的水平钢筋，立模浇筑水下环氧混凝土，待凝后用SR防渗盖片覆盖并用扁钢固定。水下处理部分未作切缝。由于处理范围尚未覆盖桩号0＋600～0＋800的高压应变区，且水下部分也未处理。为安全起见，2005年大汛前采取预防性处理措施包括：在已经改造的3条缝的两侧各选一条缝进行切缝处理，范围宜向水下延伸至730m高程附近，填入20mm厚橡胶板，以吸收水平向压应变；在面板上增设喷淋设施，在高温期喷水降温，以减小温度应力；在处理区增设温度计、测缝计、应变计等观测设施。

（3）紫坪铺面板坝地震后，震损面板5#～6#板间纵缝出露在水上，情况比较清楚；23#～24#面板纵缝从防浪墙底延伸到水下790.0m高程，需采用水下施工技术修复。修复方案参考天生桥一级面板修复经验，去除损坏的面板混凝土，用同等级的混凝土修复。同时在面板结构缝中设置刚度相对较低的耐老化橡胶片，厚度较原设计增加近1倍（约25mm），以吸收板间传导的应变能，更好地适应坝体后期变形。处理过程：打开表面止水设施，凿除纵缝两侧各40cm范围内的混凝土，修复损坏的止水铜片，补浇C25混凝土。板间纵缝用12～24mm的三元乙丙复合橡胶板嵌填，表面止水按原样恢复。对23#～24#板间缝水下部分，由潜水员使用水下风镐、液压镐和液压锯凿除破损混凝土，切除受损变形的钢筋，按设计要求重新绑扎钢筋。对于810.0～769.0m高程间超出伸缩缝原加强钢筋范围的破损部位，补设φ20钢筋网片，沿面板的修复坡面安装模板，浇筑水下PBM树脂类聚合物混凝土，以HK-PBM-3型树脂为黏合剂，将砂石骨料和水泥固结而成，可以在水下快速固化。固化时间可在十几分钟到几小时内调节，能在几十米深的水中浇筑，不需振捣，可以自动流平、自然密实，24h的抗压强度可以达到30MPa，试验确定凝结时间为3h左右。自2008年6月5日至9月14日，完成23#～24#垂直伸缩缝的修复工作，纵缝垂高94m，斜长约132m，修复水下裂缝长度48m。

（4）国内典型的大坝渗漏处理是株树桥面板坝，工程于1992年年中二期混凝土面板浇筑完毕。1993年6月达到满库水位(高程165.0m)的渗漏量仅为40L/s，1994年满库时的渗漏量增加到970L/s。渗漏不断增大，直至1999年满库时的渗漏量达到2500L/s，同年坝体的最大沉降达到1.44m。对渗漏机理的分析揭示了严重渗漏发展进程如下：1）垂直缝和周边缝止水遭到破坏。2）通过接缝的渗漏导致垫层区产生冲蚀，垫层料流失到下面的堆石体中。3）混凝土面板与垫层区脱空致使面板破裂。4）通过面板增大的渗漏又导致面板进一步破裂、垫层料流失和渗漏进一步增大。株树桥面板坝渗漏量日益增大的主要原因包括：1）大坝坝体和坝肩岩体完全不同的变形特性导致堆石体上的面板与坝肩上的贴坡面板之间的垂直缝和周边缝产生较大的张开位移、沉降和剪切位移。2）垫层区和过渡区所采用的坝料颗粒级配不合适，使垫层区发生管涌，垫层料流失到过渡区和堆石区，导致混凝土面板失去支撑。

3 国外面板坝挤压破坏和渗漏处理工程实例

（1）委内瑞位杜利米奎（Turimiquire）面板坝（H=115m）。工程于1980年竣工，坝体采用优质灰岩堆石填筑，坝下游设置了排水能力强的灰岩堆石排水层。1988～1991年满库蓄水最大渗漏量为300L/s，1994年的10天内渗漏量以每天增加500L/s的速率增加至5400L/s。运行管理单位立即采用导管法在上游面铺洒粉质细砂，并且降低水库水位。1995年夏天用导管法铺洒粉质细砂进行了第二次修补，同时水库从满库水位降低约5m，渗漏量减少至2000L/s。1996年水库水位上升期间渗漏量又增加至3000L/s。随后进行了第三次修补，在满库时渗漏量减少至1600L/s。1999年中期满库蓄水运用时渗漏量增加到6000L/s以上，为此进行了第四次修补，利用导管法铺洒粉质细砂和砾石，将渗漏量减少到4000L/s以下。2000年下半年又进行了第五次修补，采用铺设7850m2的聚氯乙烯土工膜，将渗漏量从6000L/s减小至约600L/s。

渗漏调查分析：利用水下测听器（渗漏检测仪）对渗漏进行了探测，渗漏集中发生于坝肩坡度最陡处的周边缝及其上方，开裂区的图像表明周边缝开始有渗漏，逐渐发展到周边缝上方出现曲线状的大裂缝。破坏机理和渗漏途径是：1）周边缝发生初始渗漏。2）垫层料区发生冲蚀、部分垫层料进入邻近的过渡层区。3）对面板支撑的料区损失导致附近区域面板开裂。4）随着渗漏量增大和更多细粒料迁移、面板开裂加剧。

（2）墨西哥阿瓜密尔帕（Aguamilpa）面板坝（H=187m）。水库于1993年中期开始蓄水时最大渗漏量约为63L/s，而后减小到每秒仅几升。1994年底，渗漏量增加到260L/s，当时库水位高程为219.0m（防浪墙顶部以下16m处）。1995年和1996年夏季水位高程略低于200.0m时渗漏减小到50L/s以下。1997年在高程198.0～202.0m的混凝土面板中发现有一些水平和斜向裂缝，测斜仪资料也表明在几个高程上的数据异常。潜水员对混凝土面板进行检查后发现，在高程180.0m处有1条水平裂缝贯穿10块面板，长度为150m，最大缝宽为15mm。该裂缝局部被粉质泥沙淤堵，某些地方有明显渗漏。1994年渗漏量突然增加，估计是因为水库水位上升接近满库促使裂缝张开所致。每年雨季库水位上升，裂缝张开，1998年和1999年的最大渗漏量分别为214L/s和173L/s，最小渗漏量分别小于50L/s和100L/s。后期检查裂缝总长度约为190m。面板裂缝是由于坝体分区填筑材料不同引起坝体上、下游两区沉降不同所致。

（3）哥伦比亚格里拉斯（Golillas）面板坝（H=125m）的情况较为复杂，该坝不仅通过接缝而且还通过趾板基础产生渗漏。由于部位低渗漏难以彻底解决。其发展过程总结如下：1）水库首次蓄水期间，部分坝段主要接缝部位上游铺盖的黏土迅速被冲蚀的现象十分明显，造成总渗漏量超过500L/s，并且有继续增大的趋势，这种状况迫使水库蓄水至50%水深时予以放空。2）对右坝肩高程2915m部位以及趾板与其基础之间接触部位进行修补处理之后，水库蓄水几乎达到最高水位（高程2995m），仍然发现有严重的渗漏，但在较大程度上得到了控制，渗漏量约为1080L/s。3）水库水位降低至高程2965m，以便对坝肩附近的区域进行加固处理。清理趾板上游松散材料，填充主要接缝，用喷射混凝土加固趾板表面。在水库再次蓄水时测得的总渗漏量仅为650L/s。4）在接下来15年的运行中大坝未发生较严重的变形，渗漏量自然减小。在最高库水位条件下，渗漏量约为270L/s。大约于1999年中期，水库在最高水位（高程2997.5m）下运行10个月之后，渗漏量突然增大了200L/s，达到约470L/s，这可能是由于部分沉积在周边缝中的细料被冲蚀所致。渗漏没有影响大坝的稳定性。

（4）泰国考兰（Khao Laem）面板坝（H=130m）。工程所处坝基条件工程地质条件极为复杂，大坝建在页岩、砂岩以及石灰质和非石灰质粉砂岩互层上，局部夹有石灰岩和喀斯特石灰岩互层，岩层经受过剧烈的断层作用，存在多处洞径达几米的部分淤填的溶洞，在坝基以下200m的深度还发现有溶蚀特征。工程地基处理包括：沿趾板基准线将坝上游1/4坝底宽处坝基覆盖层开挖至基岩。该工程自1984年水库蓄水以来运行良好。施工期间坝轴线处坝体最大沉降变形为0.5～1.4m，经13年运行坝顶沉降达15cm，为坝高的0.16%。在1984～1994年，曾对7次渗漏事件进行了处理，每次渗漏量从约

30L/s增加到约100～200L/s。用砂石土对面板裂缝进行了处理，在一些缝宽达5mm的较宽裂缝中还塞入了线绳。1994年雨季满库时渗漏量从约140L/s增加到980L/s。潜水员和遥控操作水下检查仪（ROV）发现一个凹陷达20cm的面板开裂区，在开裂区上抛填砂砾石，将渗漏量减小到340L/s，未使用含细粒土的砾土。在该开裂区进行钻孔和灌浆，结果使渗漏量下降为25L/s。面板支撑状况的差异性被认为是造成裂缝的最初原因，垫层料区逐渐被冲蚀导致面板坍塌。2000年11月即水库首次蓄水后的第16年，渗漏量突然从稳定的100L/s增加到900L/s，在两周之内渗透量又增加到2200L/s。渗透源位于坝高中部（即坝高为90m处），该部位趾板建在混凝土桩搭接形成的截水墙上，该墙封堵一个贯穿石灰岩地基50m深的大溶洞，因而在下游堆石坝体下保留了约40m厚的黏土质母岩中石灰岩岩块层。遭受破坏的面板宽度为7m，坍塌深度为30cm，坍塌集中在1条有水平钢筋连接的垂直缝，近似圆形的破坏区边缘面板发生了剪切位移和错台位移。对破损区域边缘的大缝隙用填料修补，先填充砾石，接着用水硬性水泥砂浆和砂填充，将渗漏量减小至50L/s。缝隙填实后在12.5m×12.5m区域内面板下垫层料进行灌浆（孔间距2.5m）。造成破坏的两个可能的原因是：1）通过止水的逐渐渗漏导致细粒料被带走，面板失去支撑，直接发生坍塌。2）在下游黏土基质母岩中石灰岩块石层中有一个灰岩洞，造成堆石体松动并塌陷导致面板损坏。2000年汛期前完成的一期渗漏处理包括：1）采用砂浆对混凝土面板与垫层区之间的脱空部位进行回填灌浆。2）浇筑一块新的混凝土面板，厚度为200mm（在破坏严重的部位为400mm厚）。2001年完成的二期处理包括：采用由水泥、粉煤灰和膨润土组成的混合料继续对垫层区的脱空部位进行回填灌浆，在坝面上敷设不透水土工膜、黏土和任意料。

（5）巴西（Campos Novos）面板坝（H=202m）。坝顶长590m，正常蓄水位660m，上游坝坡1:1.3。2001年8月开始施工，2005年10月10日开始蓄水，一周后蓄水位达到653m。其间当蓄水位升至642m高程时，中部17/18面板压性缝出现挤压破坏。破坏部位在水位以上数米，渗漏量从30L/s增至450L/s。渗漏量和挤压裂缝稳定5日后，破坏快速向上发展至防浪墙底部，向下至水下535m高程，渗漏量随之增至800 L/s。中部面板脱空间隙最大可达4cm。此后，库水位保持在640～645m高程。在60d内，渗漏量发展到1300 L/s。随后发现1）22/23号垂直缝接缝计记录变化；2）25/26号垂直缝在坝顶部发生局部挤压破坏。由此表明挤压破坏还在发展。2006年6月由于一条导流洞出现意外，水库被快速放空。在656m高程处的二、三期面板之间，暴露出长达300m的横向水平裂缝。裂缝处混凝土严重挤压剥落，钢筋变形，据此认定系由坡向高挤压应力造成。由于水平挤压破坏，面板坡向位移达到20cm，大于水平向位移。

（6）巴西（Barra Grande）面板坝（H=185m），坝顶长665m。正常蓄水位647m，上游坝坡1:1.3。大坝2001年7月开始施工，2005年7月5日开始蓄水。7月末到8月初正值雨季,库水位平均每3d上升约20m。9月5日库水位为617.5m。2005年9月19日库水位达到630.3m时，水库渗漏量达到220L/s。3d后库水位达到634m，渗漏量增至428L/s，中部19/20面板垂直缝发生挤压破坏。检查发现，破坏延伸至水下约100m。同时22号面板所在的坝顶防浪墙也发生挤压破坏，面板破坏部位发现面板脱空，脱空间隙最大达12cm。2005年11月，渗漏量达到1284L/s。早期的水下检查未发现面板有水平向挤压破坏。Campos Novos坝发现水平向挤压破坏后，对该坝又进行了仔细检查，证实在中部坝高位置存在水平向挤压破坏。

（7）非洲莱索托（Mohale）面板坝（H=145m），坝顶长540m，上游坝坡1:1.4，防浪墙顶部高程2085.5m。大坝2002年11月初开始蓄水，到2003年4月快速上升至2020m，以后库水位上升减慢。2004年4月库水位2043m，渗漏量为10 L/s。2006年2月库水位2063m，因暴雨水位猛涨至2075m。2月14日大坝监测到一次微震，17#/18#面板接缝顶部发生挤压破坏，18#面板中心线上2064m高程的水平向应变由590×10-6减小为335×10-6，渗漏量由13日的69L/s增至16日的248L/s。挤压破坏从面板顶部快速向下发展，接缝两侧面板相互贯穿达8～10cm。一个月后，3月15日至17日，18#面板1976m高程处的坡向应变由665×10-6减小为263×10-6；同时21#面板2020m高程处的坡向应变由642×10-6减小为 250×10-6，1976m高程处的坡向应变由 311×10-6减小为125×10-6，渗漏量由343L/s突增至600L/s。水下检查发现，17#/18#面板的垂直缝破坏，在1980m高程处向右侧水平向发展,直至23#面板1976m高程的位置。值得注意的是，通过2006年2月13日～4月10日面板压应变观测结果的变化情况，可以看出垂直缝挤压破坏和水平向挤压破坏之间的相互影响历程。当2月14日17#、18#面板垂直缝挤压破坏时，破坏部位发生水平向应变释放，此后18#面板下部坡向应变小幅度逐渐增加，直至3月16日下部发生坡向应变释放，出现水平向挤压破坏。

4 典型的面板挤压破坏原因初步分析

从前述工程实例中看出，国内外高面板坝发生静力纵向挤压破坏位置和现象基本不具共性。发生时段多为坝体表现最大变形期、累积变形期或强震影响。大坝变形是产生面板纵向挤压破坏的主要原因。

紫坪铺面板坝板间结构缝发生挤压和错台破坏的主要原因是坝体地震永久变形导致坝体体积缩减，而面板混凝土为连续薄板结构，缝间变形量是有限的，在短时变形协调过程中，坝体作用在面板上的摩擦力与地震动应力组合形成挤压破坏力，面板与垫层料的变形差异性产生脱空现象。5#～6#面板间结构缝由于位于较为陡峭的左坝肩附近，动力反应较为强烈，23#～24#面板结构缝位于大坝最大断面附近，该处地震永久变形最大，坝体与防渗结构不协调变形最为明显，以挤压破坏的方式集中释放了水平动应变能。

天生桥一级面板坝所测顺坝轴线方向的位移为左右岸向河床方向变位，垫层料变形大于和先于面板变形，致使中间部位的面板受到挤压。而在两次挤压破坏时缝两侧的测点都出现突变。大坝运行初期，坝体变形是由左、右坝段向河床方向移动，河床部位填筑体受到两岸的挤压，坝址处于较开阔的“V”型河谷中，坝顶长度达1104m，变形量累计到河床部位是相当可观的。在破损部位两侧的L3测线上的两个测点（0＋678与0＋72桩号），位移量分别为向左28.24mm和向右31.7mm，相当于在48m长度内要缩短59.9mm。破损部位的L3/L4接缝处的桩号为0＋686，正好位于变形方向转变之处，也是受挤压最严重的部位。2003年和2004年发生两次面板接缝处混凝土挤压破损后，混凝土内部水平向压应变测值大幅度降低，L3测线的两个测点间距离进一步压缩，2003年破损后缩短了约27.4mm，2004年第二次破损后又缩短了约2.5mm，都表明积累的应变能的释放。面板的挤压破坏源于混凝土中过大的压应变。

天生桥一级混凝土面板内部观测资料绘制的混凝土应变等值线图可见，水平向压应变较大的区域约为桩号0＋620～0＋800，高程700～760m之间，最大水平向压应变为948μ。而顺坡向应变的分布在高程760m以上为拉应变区，最大拉应变达到500μ以上，顺坡向压应变的最大值为1061μ，位于二期面板的下部，这与破损部位的桩号和高程是基本一致的。

三板溪顺坡（一期）水平向(二期)最大压应变分别为800（10-6）和154（10-6）；Mohale面板坝测得水平向最大压应变为650*10-6（约0.69坝高处）；这类破坏的特点是，挤压破坏应变均小于混凝土的峰值压应变，而后者一般为2000×10-6左右。国外专家认为其面板接缝内的平均压应力远小于混凝土的抗压强度，不足以引发挤压破坏，挤压破坏应是由接缝顶部的压力集中造成的。

板间承压面积的减小导致易于发生挤压破坏。前期设计的面板顶部厚度多为300mm，向下随深度增加的系数为0.0035，即每向下10.0m增加35mm，对水平向挤压而言，最薄弱的是三期面板顶部。由于面板垂直缝底部铜止水片的突体高度为60mm，同时顶部设有V形槽，深度为50mm，使压性垂直缝间的承压面积减少了1/3以上，易于产生应力集中现象，加剧了挤压破损的可能性。

5 借鉴和预防措施

防止高面板堆石坝混凝土面板结构性破坏的措施主要包括两个方面：一是控制坝体堆石的变形；二是提高面板适应变形、抵抗压应力的能力。坝体总体变形的控制，主要通过合理分区、选择堆石材料、改善堆石压实和填筑体预沉降等方面进行。为提高面板适应变形和抵抗压应力的能力，目前采取的措施主要包含以下几方面：1）改进面板压性纵缝设计，在河床断面板纵缝之间，填入一定厚度的可变形材料，以吸收沿坝轴向方向的变形，释放河床段面板积聚的应变能，加宽压区纵缝宽度约20～50mm。2）适当增加河床段面板顶部面板的厚度，增加面板抗压有效面积。3）优化止水构造等，降低压性纵缝铜止水鼻子的高度，铜止水底部的砂浆垫层嵌入挤压边墙内，减少压性纵缝顶部的V形槽的深度，即间接增加面板承压的的接触面积。4）在受压区面板侧边布置抗挤压钢筋。5）降低挤压边墙对混凝土面板的约束。建设200m级以上高坝，技术上首先应避免在较低部位发生挤压破坏，其次是防止中坝段集中变形区发生严重挤压破坏。

关于大坝渗漏突变的处理：一般要及时采取有针对性的修复措施，如我国紫坪铺、天生桥一级面板坝。对于高面板坝较低部位或基础部位渗漏通道处理是难度较大和复杂的，要求水库具备相应的放空条件，对此，新修订的混凝土面板坝设计规范提出放空措施要求的相关规定。

6 结语

从目前国内外高面板堆石坝工程运用情况看，河床段面板挤压破坏现象是高坝建设中应当引起工程技术人员高度重视的问题。从上述工程实例中无论是地震力一次性震陷变形，还是初期蓄水后的自然沉降变形或较长期运用后坝体与面板变形受力工作条件的改变，均归纳为坝体变形是挤压破坏的最根本原因。因此高面板堆石坝的坝体变形控制至关重要，是决定面板堆石坝能否向更高级别发展的重要因素。

面板挤压破坏具有可修复性，既使坝体渗漏量有较大幅度增加，只要处理及时，总体上不会影响大坝安全。文中列举的工程实例可作为工程技术人员参考借鉴，以便后续工程设计与施工采取有针对性措施。

1 工程安全监测技术2007 北京:中国水利水电出版社，2007.

2 混凝土面板堆石坝设计与施工概念. 北京:中国水利水电出版社，2010.

3 土石坝技术2010年论文集. 中国电力出版社，2010.