淺議面板堆石壩設計科研與施工技術的進步

黃繼平（湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢430071）

淺議面板堆石壩設計科研與施工技術的進步

黃繼平（湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢430071）

在中國面板堆石壩發展30年之際，本文編輯了擇錄了中國面板壩發展水平結合工程實列，歸納了高面板壩，軟巖做壩方面的經驗，提出了其安全性與控制標準、滲流量控制，壩基防滲墻設計指標；面板防裂先決條件是改善混凝土內在品質而非外加纖維；抗震標準與措施；施工與科研技術進步推動了中國面板堆壩的進步與發展。

混凝土面板堆石壩壩型；安全性控制標準建立；滲流控制；抗震標準；施工的進步與發展

1 高面板堆石壩建設發展水平

中國從1985年開始用現代技術修建混凝土面板堆石壩，目前已是31年歷程。通過引進、實踐、研究、開發，其安全性、經濟性和適應性良好的優越性已在壩工界取得共識，在壩型比較中處于較有利的地位，但也出現了一些不適應面板堆石壩而適應心墻壩的深坡積層強風化地層盲目采用面板壩的不良現象。

中國國土面積廣袤，地形地質條件復雜，高差起伏劇烈，南北跨越緯度范圍大，氣象條件相差極大，所以涵蓋了所有面板堆石壩類型。

截至2014年據不完全統計，國內外擬建、在建和已建的混凝土面板堆石壩約620座，我國約305座，占50%，其中100級以上高壩約90座，我國已成為名副其實的混凝土面板壩大國。我國混凝土面板堆石壩工程已經歷近30年的建設歷程，尤其在近10年，計和建成了20多座150m級及以上的高壩，其建設范圍涉及多種地形地質和氣侯條件，無論是筑壩數量、大壩高度和規模，還是技術創新能力都處于世界領先水平。

工程運行檢驗表明，中國已建的150～200m級面板堆石壩運行良好，堆石壩體沉降值為壩高的0.6～1.2%，一般為壩高的1%，沙礫壩為主的填筑壩體為最大壩高的0.5～0.8%；由于壩料混合、填筑次序、壓實密度等原因，天生橋的沉降率達到壩高的2%，根據水布埡2014年底統計資料，最大沉降量262cm，占壩高的1.1%，和洪家渡水電站壩體沉降2013年135.6cm，占壩高的0.755%的監測資料分析。

2 高凝土面板堆石壩安全性設計與控制標準

2.1 填筑標準

現行設計規范規定堆石料以碾壓參數和孔隙率兩種參數作為施工填筑質量控制標準，統計了灘坑、平寨、珊溪等7座150m級高面板壩主堆石區填筑孔隙率，上游區20%，下游堆石區約等于20～22%，過渡區17～19%，墊層區17～18%。砂礫石料以相對密度作為施工填筑標準。采用不小于25t自行式振動碾，沙礫石料壓實標準為Dr=0.85～0.9，如近期近期建設的卡拉貝利，壩高91m，阿爾塔什，壩高164.8m，沙礫石填筑標準大于或等于0.85。

水利行業對硬巖堆石料及砂礫石料的規定：當現高小于150m，砂礫石料相對密度Dr=0.75～0.85，控制墊層料孔隙率n=15～20%；過渡料n=18～22%，上游堆石料n=20～24%，下游堆石料n=21～26%；當200m＞壩高≥150m，砂礫石料相對密度Dr=0.85～0.90，墊層料孔隙率n=15～18%；過渡料n=18～20%，上游堆石料n=15～20%，下游堆石料n=19～22%。水利行業在150m級別以上高壩填筑標準整體上高于電力行業標準。水利行業面板堆壩設計規范中，規定軟巖堆石料的設計指標和填筑標準應按工程類比確定，對于100級面板堆壩軟質巖上游堆石區控制在n=18～22%，下游堆石區n=18～23%。實際建設中根據料場巖石物理特性結合生產的碾壓試驗要不斷動態調整施工參數。

2.2 面板結構

根據目前已建工程資料，防止壩體變形引起的面板結構性裂縫、擠壓破壞，斷裂、塌陷最為關鍵；增強面板自身防裂能力的合理混凝土級配同樣重要。小溪口面板堆石壩采用大冶組薄層灰巖堆石填筑，沉降量小，面板混凝土水泥進行改良，根據水泥物理化學特性，增加早期強度物質含量，降低晚期強度的三氧化硅含量，通過溫控計算，使其7d水化熱溫升產生的拉應力小于面板的抗裂能力1.5倍，且在冬季滑膜施工。1999年完工到目前面板及趾板沒有一條裂縫發生。

實踐證明：改變混凝土內在品質比參纖維更為優化混凝土的品質，參纖維只能將面板的較大裂縫縮減為多條較細裂縫，混凝土內在自身品質沒有得到根本改善。實際上是一條輔助措施。

預防混凝土面板產生溫度與乾縮性裂縫已經形成系統技術措施。優化混凝土配比；注重減小墊層對面板的約束，強調混凝土的養護；將垂直縫間增加柔性填料，增加可變形的能力，減低面板的擠壓應力；增加頂部面板厚度，將30cm增厚到40cm，這些措施提高了面板與基礎變形的協調能力，防止及減少了面板裂縫發生。

2.3 壩體分區與壩料選用

壩料分區的原則是充分利用當地材料，樞紐開挖料，做到壩體穩定，滲流穩定和變形在安全范圍內，并與面板變形協調，達到安全經濟的目的。實踐證明，下游堆石體變形會影響到面板堆石壩性狀，由于變形與壩高關系密切，超高面板堆石壩要求嚴格控制變形量與不均勻變形；好壩料富裕時，應該盡量擴大上游堆石區范圍，堆石分界線應以一定坡度傾向下游，不少于1：0.2；下游堆石區范圍越小，面板橈度越小，減低下游堆石頂部高度有利減小面板橈度。但最重要的橈度控制莫過于墊層料與過度料的孔隙率控制，上游堆石質量對橈度影響也大于下游堆石區。

下游堆石也應壓實到較高密度，減小上下游模量差值；將沙礫石料置于上游和中心部位的高應力區，利用其高模量減少變形。

3 滲流與滲漏控制評價

隨著中國150m級面板壩數量增加，近年來大壩防滲體破壞滲漏處理情況時有發生，有必要對其深入研究對大壩滲流及過程狀態安全進行評價。混凝土面板壩滲流穩定的基本要求是所有滲流出逸比降均應在材料的允許比降之內。控制措施包括：合理材料分區互為反濾關系設計，防滲體發生裂縫和自愈功能的考慮，排水和壩下游防止顆粒移動措施等。現行規范沒有關于滲流量的具體要求，根據工程規模，以滲流量不明顯影響工程安全與效益考量。所以管道性滲漏是必須處理的。

面板堆石壩滲流量大小一直是工程界關注的工程安全問題。目前用滲漏量級別評價沒有相關標準，但滲流量過大和滲流水質異常和突變可以反映面板壩防滲體系工作狀態，對此國內外分歧較大。中國各水行政主管部門對此判別較為嚴格。

4 深覆蓋層面板堆石壩

4.1 防滲墻指標

防滲墻一般采用垂直等厚形式，并與兩岸巖體嵌固封閉連接帷幕，嵌入巖體不少于墻厚的0.8倍。墻體指標根據工程等級，水深、經必要分析比較而定。對較均質低彈摸、層間模量不大的地基，可選擇低強度混凝土設計指標C10～C15；當地基地層復雜、物料分布不均、水力梯度較大（中、高壩）應當選擇C20～C30。一般采用全斷面配筋。尤其是兩岸鏈接部位，應力較大，雙層鋼筋時必須的。但墻體一般沒有設置止水設施，僅靠墻間連接。

4.2 墻體結構與地基變形關系

防滲墻允許的水力梯度（70～90）確定墻體厚度，實際設計中一般根據工程類比，高壩防滲墻厚度多在80～1.2m，最大墻深可達150m，在建吐魯番大河沿水庫基礎防滲墻最大深度175m，設計墻厚1.0m；在建的阿爾塔什面板壩覆蓋層深93m，壩基采用一道厚1.2m全封閉垂直混凝土防滲墻。

河南黃河河口村面板堆石壩，深覆蓋層厚達30余m，其中泥化夾層6層，最厚一層達12m，其他在0.5～1.0m之間，在防滲墻前后采用高噴灌漿給予地基加強處理。類似深覆蓋層面板堆壩地基給予處理的有老渡口、楊東河面板堆石壩。由此可見，重視壩基覆蓋層的變形、并加以處理是非常必要的，影響壩體安全和防滲墻變形牽連趾板連接板的變形協調。

5 抗震標準與措施

地震區混凝土面板堆石壩的安全超高應當包括地震涌浪高度。地震烈度設計為Ⅷ、Ⅸ度時，安全超高應計入壩體和地基在地震作用下的附加沉降。土石壩壩頂抗震超高按1.0%確定，并根據最大震陷率和變形的不均勻程度等評價大壩及防滲體抗震安全性。當分析結果計算最大震陷超過壩高的0.6～0.8%時，面板堆石壩可產生明顯震害，并可能導致嚴重后果，應慎重論證壩體抗震設計和抗震措施，并重點關注面板接縫止水的抗震安全性問題；包括面板脫空、錯位變形、橈度、集中擠壓破壞以及周邊縫和垂直縫的止水安全性。

6 軟巖做壩

混凝土面板堆石壩已成為水利水電工程的主要壩型之一。國內外已有不少工程采用了軟巖料修筑面板堆石壩并已取得成功。由于樞紐建筑物開挖料巖石強度低、風化強烈、含泥量高，不符合堆石料設計指標，因而不得不大量廢棄而另辟料場，由此造成工程造價的提高，并帶來水土流失等生態平衡問題。所以合理利用開挖料做到挖填平衡極其重要。

采用軟巖料作為填筑壩料，要控制其細化、板結較為困難。因為軟巖的強度一般在15～30MPa之間，在外荷載作用下極易破碎、細化，軟巖細化后，石料的塊徑變小，細顆粒含量增多，加之施工中灑水碾壓的作用，軟巖填筑料表面容易形成板結層，從現場試驗成果及施工情況分析，板結層厚度大部分在5～10cm，少數部位因軟巖料中泥巖含量偏大，則其板結層的厚度可達20cm左右。魚跳工程軟巖料利用區均采用軟硬的混合料填筑，其混合料中軟巖約為30～40%；軟硬巖的摻混使用不僅有利于控制和解決軟巖的細化、板結問題，而且還能提高堆石體的排水性能。壩體二期填筑施工中，針對軟巖的細化、板結問題進行了一系列的軟巖料應用技術研究和現場生產性試驗的工作，包括軟巖細化、板結的現場試驗等。

7 施工質量控制和技術進步提高了面板堆石壩安全性

混凝土面板堆石壩的發展離不開施工技術的進步，新的施工工藝和施工環節質量控制也推動高壩建設的發展。根據以往同類工程事故發生原因和處理情況，面板堆石壩填筑與防滲體混凝土質量控制是至關重要的，填筑質量關系到大壩變形控制，面板混凝土設計標準和施工質量關系到結構的耐久性。

自中國水電15局在公伯峽面板堆石采用擠壓邊墻技術及其它施工單位的翻模砂漿固坡新技術，延續使用噴混凝土、碾壓砂漿、噴乳化瀝青輔助固坡；早期對上游坡坡面采用分級削坡、斜坡碾壓是控制面板法向變形有效措施，只因施工交叉處理復雜、物料清理、專用設備等原因施工單位而不再采用。隨著機械化施工水平提高和經驗積累、近期建設的混凝土面板擠壓邊墻坡面不平整度控制、擠壓體形穩定性、墻體物料特性指標控制均表現良好。

注重施工工藝細節是施工質量達標的關鍵。比如混凝土面板澆筑質量控制，澆筑前應對板下面進行3m×3m的網格平整度測量，其偏差不得超過面板設計線5cm，超欠填位采取同擠壓邊墻強度砂漿回填達設計線。面板混凝土采用全倉面攤平后振搗方式，插入振搗落點不大于40cm，深度應達到新澆筑層底部以下5cm；特別注意接縫止水出的振搗，使止水周圍密實；嚴禁將振搗器插入模板下振搗，提升模板時不得振搗混凝土。滑膜的提升速度應于澆筑強度和脫模時間相適應，平均滑膜速度可控制在1.0m/h左右，澆筑時段最大提升速度不得超過2.5m/h。面板混凝土澆筑初凝抹面后，應覆蓋與面板同寬的塑料薄膜保濕保溫，初凝后換蓋草袋，要求流水養護至水庫蓄水。

8 結論

（1）從國內外高壩防滲面板運行經驗看，面板滲漏、擠壓破壞具有可修復性，總體上不會影響大壩安全運行。只要及時處理，并針對性采取可靠措施，修復達標后的大壩可以長期穩定運行。

（2）目前，實際工程設計中的壩體壓實指標、面板混凝土性能指標、邊坡安全系數等取規范的上限值。為滿足工程抗震要求，壩頂寬度、下游平均壩坡、壩體較高部位的抗震安全防護措施有所加強和提高。

（3）高壩設計與建設，首先是避免在較低部位的發生擠壓破壞而導致的有害滲漏，其次是防止中部的集中變形發生嚴重的擠壓破壞而導致難以恢復其防滲功能；目前有針對性進行了填料控制變形的方法、施工環節質量控制、改善面板與周邊縫結構措施等。

（4）深厚覆蓋層變形涉及大壩防滲系統安全，也涉及到防滲墻變形對趾板影響。目前顯示監測數值偏大，對地基地層條件較差的工程應當引起重視

（5）混凝土面板防裂采用防裂劑、聚丙烯、鋼纖維等，混凝土成本增加，裂縫減少。但減少裂縫的關鍵技術是取決于混凝土自身的防裂性能、施工過程的控制及養護。對重要的大壩和耐久性要求較高的面板混凝土，在水位變動區表面或面板裂縫較多且不易處理時，目前采取涂刷聚脲、聚氨脂混合料、混凝土保護基面材料等，效果良好。

TV641.43

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2095-2066（2016）22-0116-02

2016-7-12

黃繼平（1967-），男，高級工程師，本科，主要從事水利水電工程工作。