超高混凝土面板堆石坝建设中的关键技术问题.pdf

1超高混凝土面板堆石坝建设中的关键技术问题 徐泽平 （中国水利水电科学研究院岩土所） ［摘要］ 随着现代混凝土面板堆石坝技术的不断进步，以及社会、经济发展对水利水电开发需求的增长，混凝土面板堆石坝的坝高也在不断突破以往的记录从目前的发展水平看，100m 和 200m 级坝高的混凝土面板堆石坝筑坝技术日渐成熟，而 300m 级的超高混凝土面板堆石坝则仍难以把握其技术上的可行性和适应性针对 300m 级超高混凝土面板堆石坝建设中面临的技术挑战，本文系统分析了 300m 级超高混凝土面板堆石坝的关键技术问题，为进一步的深入研究提供了参考依据 1．引言 混凝土面板堆石坝是以堆石体为支承结构、并在其上游表面设置混凝土面板作为防渗结构的一种堆石坝坝型迄今为止，混凝土面板堆石坝的建设和发展经历了一个多世纪的发展历程经过多年的发展和技术改进，混凝土面板堆石坝的设计和施工方法日趋成熟，在世界范围内的应用也日益广泛从目前已建成的大部分混凝土面板堆石坝的运行状况看，大多数工程的运行性状良好，面板堆石坝已经成为一种极富竞争力的土石坝坝型 随着混凝土面板堆石坝技术的不断进步与发展，以及社会经济对水利水电需求的不断增长，混凝土面板堆石坝的建设高度也不断攀升。

对于混凝土面板堆石坝坝高的分类，国内外坝工界并无统一的约定，但就混凝土面板堆石坝技术发展的阶段而言，姑且可将坝高小于 150m 的混凝土面板堆石坝称为常规混凝土面板堆石坝，坝高150m ∼220m的混凝土面板堆石坝称为高混凝土面板堆石坝，而将坝高大于 250m 的混凝土面板堆石坝称为超高混凝土面板堆石坝本文将主要针对超高混凝土面板堆石坝所需研究和解决的关键技术问题进行分析与探讨 2．国际高混凝土面板堆石坝的发展 二十世纪 60 年代后，混凝土面板堆石坝完成了从抛填堆石向碾压堆石的过渡1971 年澳大利亚建成了坝高 l10m 的 Cethena 混凝土面板堆石坝，由此奠定了现代混凝土面板堆石坝的技术基础此后，1980年建成了巴西的 Foz do Areia坝， 坝高 160m； 1985 年建成了哥伦比亚的 Salvajina 坝， 坝高 148m； 巴西的 Segredo 2坝，坝高145m； Xingo 坝，坝高140m；而1993年墨西哥建成的 Aguamilpa 坝，坝高187m，则是当时世界最高的面板堆石坝 进入21世纪以来，国际上相继建设了一批坝高200m级的高混凝土面板堆石坝工程（图1） ，其中包括巴西的 Campos Novos 混凝土面板堆石坝，坝高202m；巴西的 Barra Grande 混凝土面板堆石坝，坝高 185m；冰岛的 Kárahnjúkar 混凝土面板堆石坝，坝高198m；马来西亚的 Bakun 混凝土面板堆石坝，坝高205m。

从工程的设计和施工技术看，当前的高混凝土面板堆石坝应用了一些新的技术手段，并取得一些值得借鉴的经验但从已经建成工程的初步运行情况看，这些200m 级的高坝也出现了一些问题，这些运行中的问题，反映了高混凝土面板堆石坝的新特征，也引起了国际坝工界的普遍重视[1][2] 0501001502002501965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015YearHeight(m)Alto AnchicayaFoz do AreiaSalvajinaSanta JuanaCethanaAguamilpaShuibuyaMessochoraPuclaroPorch IIILa YescaMohaleMazarEl CajónKárahjúkarBakunBarra GrandeCampos NovosItá MachadinhoItapebiAntamina图 1 国际高混凝土面板堆石坝的发展趋势 3．中国高混凝土面板堆石坝的发展 中国以现代技术修建混凝土面板堆石坝始于1985年 第一座开工建设的是湖北西北口水库大坝，坝高为95m，第一座建成的是辽宁关门山水库大坝，高度为58.5m。

中国的现代混凝土面板堆石坝建 设与国外相比，起步虽晚，但起点高、发展快根据中国大坝委员会的统计，截止到 2005 年底，中国已建成或在建的混凝土面板堆石坝有150多座，其中，坝高大于100m的混凝土面板坝有37座 32000 年建成的天生桥一级水电站大坝，坝高为 178m，在当时同类坝型中列居亚洲第一，世界第二，其库容、坝体体积、面板面积、电站装机容量等指标均居世界同类工程之首近些年来，中国又相继建成了坝高 179.5m 的贵州洪家渡混凝土面板堆石坝和坝高 185m 的贵州三板溪混凝土面板堆石坝等一批高混凝土面板堆石坝工程，而即将建成的湖北清江水布垭混凝土面板堆石坝，则是目前世界上最高的混凝土面板堆石坝，坝高达到了 233m就目前的发展而言，中国的面板堆石坝建设无论是规模、数量和技术发展的程度都走在了世界的前列 0501001502002503003501985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020年坝高(m)西北口 芹山天生桥洪家渡关门山水布垭古水三板溪马吉江坪河滩坑茨哈峡如美图 2 中国高混凝土面板堆石坝的发展趋势 4． 300m 级超高混凝土面板堆石坝的技术难点与研究方向 随着我国西部水电开发进程的加快，未 来将在金沙江、澜沧江、怒江、雅砻江、大渡河和黄河上游以及西藏的雅鲁藏 布江等地区修建一批高坝工程。

这些地区由于地形、地质条件复杂，交通运输困难，缺乏防 渗土料等因素，混凝土面板堆石坝坝型将可能是最为经济的选择，如古水、 马吉、松塔和茨哈峡等工程这些工程的坝高一般都在 250m∼300m左右，如选择混凝土面板堆石坝方案，则需要在 300m级高面板堆石坝的工程特性、 关键技术问题和运行特点方面 进行深入、细致的研究 随着混凝土面板堆石坝坝高的增加，坝体 的应力和变形以及大坝的运行性态将不可避免地产生一些迥异于百米级坝高的新特性库克曾经指出： “混凝土面 4板堆石坝是未来特高坝的一种适宜的坝型，对于采用常规堆石材料的 300m 高的面板堆石坝， 其运行特性可以根据对已有的混凝土面板堆石坝观测数据的适当外推而进行预测”[3]就坝高的发展趋势而言，由于混凝土面板堆石坝自身的安全特性和适应性， 上述论断的前半部分无疑是正确的 但是， 对于200m级甚至300m级坝高的面板堆石坝， 其运行特性是不可能简单地通过对已建工程观测数据的适当外推而进行判断近些年来，随着国内外一批 200m 级高混凝土面板堆石坝的相继建成， 国内外坝工界对于高混凝土面板堆石坝应力变形特性的认识也不断深入，在这些工程实践中，既有成功的经验，也发现了一些问题。

这些经验和教训也提示我们，对于未来的超高混凝土面板堆石坝，已有的设计准则和一些常规的做法有必要进行适当的调整，以适应超高坝的情况具体而言，对于 300m 级的超高混凝土面板堆石坝，应特别研究以下几方面的关键技术问题 4.1超高混凝土面板堆石坝的边坡稳定研究 早期混凝土面板堆石坝的上、下游边坡坡比一般为 1:1.4，目前，国内的大部分面板堆石坝工程也都采用了 1:1.4 的坡比（砂砾石面板坝除外） 而国外的工程一般倾向采用较陡的边坡，如近期巴西修建的几座高面板堆石坝，其上下游坡比均采用了1:1.3的坡比[4]从坝体的运行情况看，坝体稳定并没有出现特别的问题从国内外 200m 级高混凝土面板堆石坝的建设经验看，当采用硬岩堆石筑坝时，高面板堆石坝采用1:1.3的边坡是可行的 从定性的分析看， 常规堆石体一般均具有较高的强度， 可以维持较陡的边坡，坝体的边坡稳定问题将可能不是 300m 级超高混凝土面板堆石坝坝型是否成立的制约性因素但是，随着坝高的增加，堆石体的应力水平将随之增大，堆石的强度指标也会随应力水平的增大而变化因此，对于超高混凝土面板堆石坝，仍需针对具体工程的堆石材料情况，研究堆石强度特性在高应力水平下的变化规律，同时，研究采用合理的指标对坝体边坡进行稳定分析的方法，为超高混凝土面板堆石坝坝体边坡坡比的选择提供理论依据。

此外，还应研究坝坡非线性指标稳定分析的方法和评价准则，研究提出 300m 级高混凝土面板堆石坝的坝坡稳定控制标准 4.2超高混凝土面板堆石坝的渗透稳定研究 对于采用堆石材料修建的混凝土面板堆石坝，由于经过碾压的堆石粗颗粒所 5形成的骨架能够较好地保持其渗透稳定性，因此，总体而言，堆石的渗透稳定问题也不会成为建设 300m 级超高混凝土面板堆石坝的制约因素但是，由于坝高的增加，相应的上游水头也会随之增大，在高水头压力的作用下，坝体上游垫层区和过渡区的渗透稳定将是设计与施工中较为关注的关键技术问题之一 目前的面板堆石坝实践中，垫层区的设计常采用半透水级配设计，垫层区的宽度一般为3∼4m对于未来的超高面板堆石坝，需要细致研究在300m的高水头压力情况下，现有垫层区和过渡区反滤设计准则的适应性，通过试验与计算分析研究，确定垫层区与过渡区的颗粒极配 （最大粒经、 小于5mm和小于0.075mm颗粒含量） 准则，以及垫层与过渡区的反滤保护关系同时，还应研究在高水头情况下垫层料对粉砂土等淤堵材料的反滤作用在此基础上，研究提出 300m 级高混凝土面板堆石坝抗渗稳定控制标准 4.3超高混凝土面板堆石坝堆石体变形控制方法与相关工程措施的研究 在混凝土面板堆石坝的设计中，坝体的变形控制是一项最重要的考虑因素，面板的应力、接缝的位移等，无一不与此密切相关。

对于 300m 级的超高混凝土面板堆石坝，坝体堆石的变形控制将是决定其在技术上是否可行的关键因素随着混凝土面板堆石坝坝高从200m向300m的跨越， 坝体堆石的变形将不可避免地出现较大的增长 传统混凝土面板堆石坝坝体堆石的变形控制一般考虑将堆石体的总沉降量控制在坝高的 1％之内，但是，对于 300m 级的超高面板堆石坝，这样的变形量控制指标可能将难以达到，而且，目前对于 300m 坝高情况下坝体堆石变形与面板应力的量值关系也不甚明了因此，对于超高混凝土面板堆石坝，首先应研究堆石体位移的量值特点、分布规律，面板的应力分布特征、面板应力和面板接缝位移的量级然后，再在此基础上，针对 300m 级面板堆石坝应力变形的特点，分析影响堆石体和面板应力、变形量值与分布的可能因素，探讨改进超高混凝土面板堆石坝堆石填筑参数（采用敏感性分析）和断面分区的思路和可行方法，同时，重点研究控制坝体变形、降低面板应力、减小接缝位移的相关工程措施和思路定性而言，对于高混凝土面板堆石坝，堆石体应达到尽可能高的变形模量，以保证其在自重和水荷载作用下具有尽可能小的变形堆石的变形模量主要取决于堆石母岩的性质、堆石的级配和施工压实的情况。

另一方面，混凝土面板坝堆石体的变形主要包括瞬时变形和蠕变变形而无 6论是瞬时变形，还是蠕变变形，都与坝体堆石的应力状态和应力水平密切相关，也就是与坝体的高度有着直接的关系因此，未来的高混凝土面板堆石坝的设计应以与变形控制为核心，从堆石材料的选择、坝体断面的分区、施工填筑分期、压实标准控制、预沉降措施等方面研究控制坝体变形、确保大坝安全的设计方案和施工措施 4.4混凝土面板堆石坝接缝系统设计与面板应力改善的工程措施 对于混凝土面板堆石坝，混凝土面板是挡水防渗的主要防线，面板接缝的止水系统也是大坝防渗屏障的重要组成部分 保证接缝系统的安全可靠和混凝土面板应力的合理分布，是高混凝土面板堆石坝设计中的重要课题目前的材料和止水结构水平已经能够满足200m坝高的接缝变形和200m的高压水头 在今后的高面板堆石坝技术发展中，还应研究高效、可靠的新型止水结构方案，根据高混凝土面板堆石坝的变形特点和高水头作用的荷载条件，开发新型止水材料同时，要探讨通过合理的分缝措施，研究改善混凝土面板的应力分布，减少面板结构性裂缝的工程措施 4.5堆石材料工程特性。