水布埡混凝土面板堆石壩主要技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用

熊澤斌 曹艷輝

摘要：水布埡面板堆石壩最大壩高233.0m，為當(dāng)前世界已建最高面板堆石壩。為確保大壩長期穩(wěn)定運(yùn)行，通過包括國家“九五”國家科技攻關(guān)等一系列的研究與實(shí)踐，在筑壩材料性能及試驗(yàn)方法、壩體變形控制、防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和材料、施工與質(zhì)量控制、原型觀測等方面取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，并成功應(yīng)用。水布埡工程形成的系統(tǒng)性超高面板壩筑壩技術(shù)，改變了面板壩僅靠經(jīng)驗(yàn)和類比設(shè)計(jì)的模式。逾13。的運(yùn)行監(jiān)測表明，大壩最大沉降僅2.65m，最大滲漏量僅66L/s，大壩結(jié)構(gòu)安全，運(yùn)行狀態(tài)良好。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩，變形控制，防滲結(jié)構(gòu)，接縫止水，安全監(jiān)測，水布埡水電站

中圖法分類號(hào)：TV641.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.enki.slsdkb.2020.02.008

1 概述

水布埡面板堆石壩為目前世界上已建成的最高面板壩，最大壩高233.0m。在工程立項(xiàng)時(shí)，當(dāng)時(shí)已建最高面板壩為墨西哥阿瓜米爾帕（Aquamilpa）壩（187m），在沒有200m級(jí)面板壩設(shè)計(jì)、施工規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)的條件下，要設(shè)計(jì)、建造一座233m高的世界最高面板壩，極具挑戰(zhàn)性。需要解決超高面板壩設(shè)計(jì)理念、高應(yīng)力條件下大壩填料力學(xué)特性、高面板壩變形控制技術(shù)、高性能面板混凝土、適應(yīng)大變形的止水結(jié)構(gòu)及高面板壩的新型監(jiān)測手段等一系列重大技術(shù)難題。為此，經(jīng)過國家“九五”科技攻關(guān)、工程前期設(shè)計(jì)科研和建設(shè)過程中的專項(xiàng)研究，取得了一批創(chuàng)新性成果并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，在面板壩筑壩材料性能及試驗(yàn)方法、壩體變形控制、防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和材料、施工與質(zhì)量控制、大壩性狀監(jiān)控及安全評(píng)價(jià)等方面均有重大創(chuàng)新和突破，形成了一整套超高面板壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)。通過水布埡工程的實(shí)踐，超高面板壩建設(shè)已形成了成熟的理論及成套的技術(shù)，并成功應(yīng)用。水庫蓄水運(yùn)行13a來，大壩的監(jiān)測結(jié)果表明大壩的應(yīng)力、變形、滲漏量等各項(xiàng)性態(tài)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)，大壩的工作狀態(tài)安全，且運(yùn)行良好。水布埡混凝土面板堆石壩成為中國面板壩建設(shè)領(lǐng)先于世界的標(biāo)志性工程。

2 工程概況

水布埡水電站位于湖北省清江中游河段恩施州巴東縣境內(nèi)，是國家“十五”期間的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是清江干流梯級(jí)開發(fā)的龍頭電站，水庫正常蓄水位400.0m，死水位350.0m，水庫總庫容45.80億m³，為多年調(diào)節(jié)水庫，具有發(fā)電和防洪并兼顧其他綜合利用等綜合效益，是華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰調(diào)頻電站。水布埡壩址上距恩施市117km，下距清江第二梯級(jí)隔河巖水電站92km。樞紐主要由面板壩、右岸引水式地下廠房、左岸開敞式溢洪道和右岸放空洞組成。樞紐布置見圖1。

水布埡鋼筋混凝土面板堆石壩位于清江中游一段“S”形河道的腰部，大壩兩側(cè)岸坡總體上呈不對(duì)稱的“V”字形，左岸岸坡平均坡角52°，右岸岸坡平均坡角35°，是目前世界上已建成的最高面板壩，最大壩高233.0m，最大壩前作用水頭約200m，大壩抗震按Ⅶ度設(shè)防。大壩壩頂高程409.0m，壩頂寬度12m，壩軸線長675m。大壩上游壩坡1：1.4;下游設(shè)有“之”字型馬道，馬道寬4.5m，局部壩坡1：1.25，綜合壩坡1：1.4。大壩堆石體填筑工程量1464萬m³，上游鋪蓋62萬m³，總體積1526萬m³，混凝土面板面積13.7萬m²，各類接縫總長12500m。大壩填筑于2006年10月上旬完成，水庫于2006年10月中旬開始蓄水。

左岸開敞式溢洪道最大下泄流量為18280m³/s，相應(yīng)單寬流量204m³/（s·m）。右岸引水式地下電站總裝機(jī)容量1840MW（4x460MW），年平均發(fā)電量39.84億kW·h。右岸放空洞最大擋水水頭154m，最大操作水頭110m，最大下泄流量1600m³/s。

3主要技術(shù)創(chuàng)新

水布埡面板壩被列入我國“九五”科技攻關(guān)的依托對(duì)象，在水布埡面板壩論證和建設(shè)過程中，建設(shè)各方對(duì)筑壩材料的性能及試驗(yàn)方法、壩體變形控制、大壩防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和材料、施工與質(zhì)量控制、大壩原型觀測等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究論證，并成功應(yīng)用于水布埡超高面板壩，形成了較為系統(tǒng)的高面板壩設(shè)計(jì)體系，有力推動(dòng)了我國和世界面板壩建設(shè)的發(fā)展。

3.1 壩料性能及試驗(yàn)方法

（1）筑壩材料的工程特性研究。高應(yīng)力下筑壩材料的選擇及其工程特性研究是面板壩設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)堆石料母巖的物理力學(xué)特性、爆破級(jí)配特性和堆石料的現(xiàn)場壓實(shí)特性進(jìn)行了研究，并對(duì)堆石料工程特性的試驗(yàn)方法進(jìn)行了探索;在此基礎(chǔ)上，對(duì)堆石料的工程特性系統(tǒng)性地進(jìn)行了多年的試驗(yàn)研究，確定了堆石料的壓縮特性、強(qiáng)度與變形特性、濕化特性以及堆石料與面板的接觸特性等，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

（2）對(duì)面板壩流變特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。對(duì)堆石料的流變特性采用大型高壓應(yīng)力控制式三軸儀進(jìn)行了系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，首次提出了以下堆石料的流變規(guī)律：堆石料的流變量只與最終應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，與應(yīng)力歷史、本級(jí)的應(yīng)力增量大小無關(guān);在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，“流變量”的時(shí)間曲線呈很好的線性關(guān)系。不同堆石材料在不同應(yīng)力狀態(tài)下的流變呈現(xiàn)相同規(guī)律，從而提出了堆石料的“九參數(shù)流變模型”及模型參數(shù)。

（3）首次在面板壩應(yīng)力變形分析中引入了“面板子模型技術(shù)”。面板壩壩體的三維尺度遠(yuǎn)大于面板厚度，針對(duì)這一特殊結(jié)構(gòu)形式，在面板壩的數(shù)值分析中首次引入“子模型法”，可合理模擬面板垂直縫、周邊縫等接縫處的應(yīng)力變形不連續(xù)性，并采用大部分范圍內(nèi)面板的法向應(yīng)力約等于對(duì)應(yīng)水頭作用下的水壓力作為判別面板壩數(shù)值分析成果是否合理的最低標(biāo)準(zhǔn)。“子模型法”在面板壩應(yīng)力變形分析中的應(yīng)用，使面板壩仿真計(jì)算又上了一個(gè)新臺(tái)階。

3.2 壩體變形控制技術(shù)

（1）首次提出“在控制各分區(qū)之間不均勻沉降變形的前提下可利用料利用最大化”的高面板壩壩體分區(qū)與壩料設(shè)計(jì)原則。具體如下：①壩料選擇與碾壓參數(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)保證在倉面碾壓后各填筑區(qū)之間變形協(xié)調(diào)，平行壩軸線方向堆石體變形連續(xù)（即不出現(xiàn)平行岸坡的裂縫）;②面板澆筑時(shí)，對(duì)應(yīng)部位壩體的大變形已開始收斂，填筑料母巖長期穩(wěn)定性好，壩體流變收斂速度快;③平行水流方向各填筑區(qū)填料應(yīng)滿足滲透穩(wěn)定要求;④面板澆筑后，壩體變形應(yīng)在止水結(jié)構(gòu)所能適應(yīng)的范圍內(nèi);⑤大壩頂部范圍壩體應(yīng)具有足夠的斷面和剛度，以保證蓄水后壩體上游坡面不出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn);⑥建筑物開挖可利用料利用最大化。

（2）首次采用“反抬法”對(duì)壩體預(yù)壓控制變形。合理規(guī)劃壩體的填筑工期與面板澆筑時(shí)機(jī)，壩體填筑沿壩軸線方向均勻上升;創(chuàng)造條件在順?biāo)飨虿捎孟掠螇误w先行上升的“反抬法”施工，使得澆筑面板時(shí)所對(duì)應(yīng)的“臨時(shí)壩體”有一定的預(yù)沉降期，保證壩體的大變形已開始收斂，以減小壩體后期變形對(duì)已澆面板的影響。

（3）首次提出分期面板澆筑前“壩體變形時(shí)空預(yù)沉降控制法”。面板澆筑時(shí)，面板頂部與“臨時(shí)壩體”壩頂之間的高差應(yīng)不小于15m，以減小壩體后期變形對(duì)已澆面板的影響。

面板澆筑時(shí)，如果面板頂部高程對(duì)應(yīng)壩體的大變形過程未完成，面板澆筑后的壩體后期沉降變形可能會(huì)導(dǎo)致面板底部出現(xiàn)脫空，甚至面板出現(xiàn)斷裂。為保證面板澆筑時(shí)對(duì)應(yīng)的壩體大變形過程已完成，并避免出現(xiàn)大起伏波浪型坡面，水布埡面板壩同時(shí)采取了保證足夠的預(yù)沉降時(shí)間和荷載預(yù)壓這兩項(xiàng)有效措施。

（4）首次對(duì)超高面板壩河床砂礫石覆蓋層經(jīng)強(qiáng)夯技術(shù)處理后予以保留。面板壩大壩基礎(chǔ)處理一般清除松散料，以保證趾板及壩料與壩基間結(jié)合良好。水布埡面板壩壩基部位砂礫石覆蓋層厚12.0-20m。為減小施工廠作量、加快施工進(jìn)度并節(jié)省工程投資，在水利水電工程壩基處理施工中首次對(duì)壩體范圍內(nèi)的大部分覆蓋層（約13萬m³）進(jìn)行強(qiáng)夯處理后予以保留。運(yùn)行后的監(jiān)測資料顯示，覆蓋層的最大變形僅9.8cm，說明壩基強(qiáng)夯處理的效果非常顯著，為高面板壩的同類壩基處理開辟了一條新途徑。

3.3 大壩防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和材料

研究適應(yīng)高水頭和大變形的止水結(jié)構(gòu)與材料，是解決超高面板壩筑壩的關(guān)鍵技術(shù)之一。接縫止水主要對(duì)周邊縫接縫位移控制措施和適應(yīng)大變形、高水頭的止水結(jié)構(gòu)與材料這兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

（1）在接縫止水理念方面，首次提出了強(qiáng)化表層止水結(jié)構(gòu)，表、中、底層止水結(jié)構(gòu)各自自成一體，外設(shè)自愈系統(tǒng)，以及以防滲為主、兼有自愈功能的多重止水和限漏的新理念。

（2）研制了適應(yīng)大變形、具備自愈功能的新型止水結(jié)構(gòu)體系。研究提出了一種新型的強(qiáng)化表層止水的周邊縫止水系統(tǒng)（見圖2），并采用三維超載模型試驗(yàn)探討了其在高水頭作用下的止水性能。試驗(yàn)成果表明，在270m水頭作用下，周邊縫出現(xiàn)張開50mm、剪切50mm、沉降100mm的變形時(shí)，穩(wěn)壓11d也未滲漏。該止水系統(tǒng)作為專門為水布埡工程特別研制的新型止水系統(tǒng)，列入了國家“九五”科技攻關(guān)，并經(jīng)福建芹山面板壩（最大壩高122m）試檢驗(yàn)后，成功運(yùn)用于水布埡工程。

（3）周邊縫頂部止水采用波形止水結(jié)構(gòu)，確保在高水頭、大變形作用下周邊縫止水結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能。

（4）首次在面板上設(shè)置永久水平縫，顯著提高面板適應(yīng)變形能力。在高程332.0m處的面板設(shè)置了一條永久水平縫，采用與面板垂直縫相同的結(jié)構(gòu)型式，即設(shè)置頂、底兩道止水，鋼筋過縫，縫內(nèi)嵌填隔縫材料，這一措施有效降低了面板的順坡向應(yīng)力，從而減少了面板裂縫。面板永久水平縫示意見圖3。

（5）創(chuàng)新應(yīng)用“標(biāo)準(zhǔn)板+防滲板”新型趾板結(jié)構(gòu)型式。水布埡壩址河谷狹窄，谷坡高陡，如果采用常規(guī)趾板布置型式將會(huì)產(chǎn)生較大的開挖量并增加施工難度。經(jīng)研究論證，大壩趾板結(jié)構(gòu)首次采用了“標(biāo)準(zhǔn)板+防滲板”的新型結(jié)構(gòu)，將防滲板內(nèi)置于趾板下游壩體以內(nèi)，此項(xiàng)措施節(jié)省趾板上游邊坡開挖工程量約20萬m³，同時(shí)大大加快了施工進(jìn)度。

3.4 大壩施工與質(zhì)量控制技術(shù)

作為世界上最高的混凝土面板堆石壩，水布埡面板壩填筑分區(qū)種類多、工程量大（約1570萬m³）、月填筑強(qiáng)度大（最高約70萬m³/月）、施工相互干擾多，具有工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、大壩施工工藝復(fù)雜、過程控制難度大和創(chuàng)新技術(shù)質(zhì)量控制難度大等特點(diǎn)，為保證了程的質(zhì)量和工期，采用了一整套先進(jìn)的大壩施工及質(zhì)量控制技術(shù)。

（1）研發(fā)并應(yīng)用多維動(dòng)態(tài)高強(qiáng)度土石方調(diào)配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大壩填筑高強(qiáng)度連續(xù)均衡上升。以建筑物開挖可利用料的利用最大化、中轉(zhuǎn)最小化為核心原則進(jìn)行土石方平衡，以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為原則進(jìn)行場內(nèi)道路規(guī)劃和料物調(diào)配，以對(duì)環(huán)境影響最小為原則進(jìn)行料場優(yōu)化，通過動(dòng)態(tài)優(yōu)化壩體填筑料的料源、料型、道路和填筑區(qū)多維度復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了建筑物開挖可利用料的充分利用。

大壩施工過程中，經(jīng)優(yōu)化論證，在溢洪道引水渠設(shè)計(jì)底板高程以下繼續(xù)擴(kuò)挖40m取灰?guī)r料作為上壩料，這一項(xiàng)措施共減少從料場取料400萬m³，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益;充分利用地形條件，在兩岸的4個(gè)高程精巧布設(shè)施工道路，并在高程350m開挖一條直通溢洪道的臨時(shí)交通洞，解決了高程350m至高程380m壩體上料的難題，實(shí)現(xiàn)了大壩填筑的高強(qiáng)度連續(xù)均衡上升。

（2）研制發(fā)明了止水銅片整體連續(xù)滾壓成型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了141m長止水帶連續(xù)無焊點(diǎn);采取在工廠整體一次沖壓成型的銅止水接頭，保證了質(zhì)量，提高了運(yùn)行可靠性。超長止水銅片整體連續(xù)滾壓成型機(jī)能夠根據(jù)止水銅片需要的長度，在現(xiàn)場連續(xù)整體加工，減少和避免了中間焊點(diǎn)這一薄弱環(huán)節(jié);采用整體沖壓成型工藝在工廠制作L型、十字型和T型銅止水接頭，有效解決了銅止水接頭整體成型的技術(shù)難點(diǎn)，提高了止水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（3）引入、改進(jìn)并完善擠壓邊墻施工技術(shù)。傳統(tǒng)施工工藝中，墊層料采用斜坡碾壓，實(shí)施擠壓邊墻技術(shù)后，可使墊層料的施工調(diào)整為垂直碾壓，降低施工難度，加快施工進(jìn)度。水布埡工程開展了專門的擠壓邊墻三維仿真研究和室內(nèi)配合比試驗(yàn)，并在應(yīng)用中加以改進(jìn)和完善，創(chuàng)新提出擠壓邊墻結(jié)構(gòu)性狀（滲透、強(qiáng)度）應(yīng)在面板與墊層間起過渡作用，擠壓邊墻材料須具有低強(qiáng)度、低彈模、半透水等特點(diǎn);創(chuàng)造性地提出將邊墻結(jié)構(gòu)與面板垂直縫同縫切斷，這一措施減少了擠壓邊墻對(duì)面板的約束，有效保障了面板長期穩(wěn)定安全運(yùn)行。

（4）首次自主研發(fā)了大壩碾壓GPS高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在大壩填筑施工過程中，監(jiān)控振動(dòng)碾的碾壓遍數(shù)、行走軌跡及行走速度，實(shí)現(xiàn)了壩體填筑碾壓施工的實(shí)時(shí)、連續(xù)和自動(dòng)控制，有效地監(jiān)控和保障了大壩的填筑質(zhì)量，同時(shí)大幅降低了現(xiàn)場工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率。

（5）采用附加質(zhì)量法對(duì)壩體填筑密度進(jìn)行快速檢測。水布埡面板壩填筑質(zhì)量要求高，施工質(zhì)量控制難度大。采用試坑法檢測堆石體質(zhì)量速度慢，對(duì)大壩快速施工有一定影響，為了增加堆石體密度的檢測頻次，同時(shí)又不影響大壩施工，在壩體質(zhì)量檢測方法中引入了附加質(zhì)量法作為質(zhì)量控制的快速檢測方法，配合傳統(tǒng)的試坑法，較好地滿足了大壩施工質(zhì)量檢測的需要，取得了良好的使用效果。

3.5 大壩原型觀測技術(shù)

在面板壩的發(fā)展過程中，安全監(jiān)測越來越受到重視，大壩壩高的增加對(duì)安全監(jiān)測技術(shù)和儀器也提出了更高的要求，一些傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)或儀器已很難適應(yīng)。通過自主研發(fā)，充分利用自動(dòng)化遙測遙控和光纖光柵技術(shù)，水布埡大壩采用了一批安全監(jiān)測新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩全面、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控。

（1）首次采用光纖陀螺儀技術(shù)監(jiān)測面板撓度變形和壩體水平垂直位移。面板撓度隨面板長度的增加而增大，水布埡大壩的面板最長約400m，面板撓度監(jiān)測問題十分突出。因此，為解決水布埡超高面板堆石壩的面板撓度監(jiān)測難題，自主研發(fā)了一套光纖陀螺撓度監(jiān)測系統(tǒng)，并首次沿面板順坡向布設(shè)，對(duì)面板撓度實(shí)施高精度、連續(xù)監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)測斜儀監(jiān)測精度低、測點(diǎn)不連續(xù)的不足。

在高程371m布設(shè)一套壩體水平垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)壩體沉降實(shí)施高精度、連續(xù)監(jiān)測，以及對(duì)水平位移實(shí)施高精度、密分布監(jiān)測，有效克服了傳統(tǒng)水平垂直位移計(jì)監(jiān)測點(diǎn)不連續(xù)的不足。

（2）研制并應(yīng)用了520m級(jí)超長遙測遙控水平垂直位移計(jì)。為了解決水布埡面板堆石壩觀測范圍大、精度要求高的難題，研制并應(yīng)用了520m級(jí)超長遙測遙控水平垂直位移計(jì)，可以觀測520m范圍內(nèi)的壩體變形，水平位移測量分辨率達(dá)到了0.1mm，垂直位移測量分辨率達(dá)到了0.04mm;水平和垂直位移測量的準(zhǔn)確度分別達(dá)到10mm與0.5mm，并已實(shí)現(xiàn)全過程遙控遙測，保證了原型觀測的連續(xù)性與及時(shí)性。

（3）自主研發(fā)光纖光柵測溫系統(tǒng)進(jìn)行周邊縫滲漏監(jiān)測。為全面監(jiān)測超高面板堆石壩周邊縫的滲漏情況，通過研究滲流場與溫度場的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并利用光纖光柵的優(yōu)勢，自主研發(fā)了準(zhǔn)分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)，并首次沿周邊縫布設(shè)，對(duì)周邊縫的滲漏實(shí)現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)測，并對(duì)面板壩周邊縫的滲漏點(diǎn)進(jìn)行定位。

4 結(jié)語

水布埡工程形成的系統(tǒng)性超高面板壩筑壩技術(shù)，改變了混凝土面板堆石壩僅靠經(jīng)驗(yàn)和類比設(shè)計(jì)的模式，為未來更高的超高面板壩發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，項(xiàng)目研究成果正作為中國工程院等單位開展的《300m級(jí)高面板堆石壩適應(yīng)性及對(duì)策研究》課題的重要支撐，其開放式的研究體制和成果共享機(jī)制，也為國內(nèi)外近期建設(shè)的芹山、洪家渡、三板溪和巴昆等一批高面板壩提供了重要技術(shù)支持。逾13a的運(yùn)行監(jiān)測表明，大壩最大沉降僅2.65m，最大滲漏量僅66L/s，大壩結(jié)構(gòu)安全，運(yùn)行狀態(tài)良好。