基于監測數據的水布埡面板堆石壩變形控制技術分析

楊啟貴 徐琨 貢建兵

摘要：水布埡工程是中國面板壩建設技術領先于世界的標志性工程，運行至今已產生了顯著的經濟效益。介紹了水布埡大壩變形控制技術創新，主要包括壩料分區設計、大壩填筑程序、基礎處理、壩體填筑質量實時監控等。分析水庫蓄水后13a的實測資料表明，大壩變形性態良好，變形控制技術科學有效。這些技術成就對后續高面板壩建設具有良好的示范與借鑒作用。

關鍵詞：高面板壩;壩體變形控制技術;實測數據;水布埡工程

中圖法分類號：TV148 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.001

文章編號：1006-0081（2020）01-0001-06

1 概述

世界第一高混凝土面板堆石壩——水布埡大壩位于湖北巴東。該壩曾榮獲眾多殊榮，時任國際大壩委員會主席博格先生稱贊“水布埡工程是中國混凝土面板壩建設領先于世界的標志性工程”;2008年，“水布埡大壩筑壩技術”獲得湖北省科學技術進步獎特等獎;2009年，國際大壩委員會授予水布埡大壩“混凝土面板堆石壩里程碑工程”榮譽稱號;2009年，“湖北清江水布埡水電站工程”獲第九屆中國土工工程詹天佑獎;2010年，“水布埡超高面板堆石壩筑壩關鍵技術及應用”榮獲國家科學技術進步獎二等獎;2014年，“水布埡水電站工程”獲國際工程咨詢協會工程項目優秀獎。水布埡最大壩高橫斷面示意和面板上游立視見圖1。

水布埡大壩最大壩高233m，壩頂高程409.0m，水庫正常蓄水位400.0m，其壩型論證始于1993年初。1994年底，水布埡工程通過預可行性研究審查，壩型確定為高土石壩方案;1999年4月，可行性研究報告審查時確定建設混凝土面板堆石壩（以下簡稱“面板壩”）：2001年1月，工程開工建設：2003年1月，大壩開始填筑;2006年10月，大壩壩體填筑至高程405.00m，工程通過蓄水驗收，水庫開始蓄水;2007年7月，首臺機組發電：2008年7月，完成 大壩壩頂409.0m以下填筑和壩頂公路施工，大壩全面完工;2008年9月，4臺機組全部投產;2008年11月2日，水庫達到最高水位399.51m，大壩經受水庫正常蓄水運行考驗;2018年12月26日，水布埡水電站通過竣工驗收。

水布埡大壩開始論證壩型時，中國尚無面板壩設計、施工規范可循，國內外也沒有壩高超過200m面板壩的建設經驗。當時世界最高的面板壩是墨西哥阿瓜密爾帕，壩高187m，1994年建成;國內最高的面板壩是天生橋一級水電站大壩，壩高178m，1993年開工建設。水布埡面板壩能否從當時的最大壩高一次性上升近50m，面臨著大壩填筑材料性能認知、壩體變形控制、高性能面板混凝土配制、大變形止水結構研發等一系列筑壩技術難題。

本文依據水布埡面板壩長歷時監測資料，從壩料分區設計、大壩填筑程序、基礎處理、壩體填筑質量實時監控等方面，分析總結水布埡面板壩變形控制技術。

2 壩料分區設計

壩體填筑料的巖性、可壓實性及壩體填筑料的分區是面板壩壩體變形控制的基礎。壩體過量變形可能導致面板裂縫和結構縫止水破壞，引起防滲系統破壞，危及大壩正常運行與安全。

堆石壩由粗礫料填筑而成，在自重和水壓力作用下，不可避免地發生變形;若進一步增加壩高而不采用新的技術措施，其變形量會達到使面板結構不能適應的程度川。阿瓜密爾帕面板壩上游主堆石區采用砂礫石料，下游次堆石區采用建筑物的開挖料，兩者的變形模量相差數倍，由此造成了壩體上下游變形不協調，面板出現很多裂縫，在距壩頂50m附近出現一條長16m、寬15mm的水平拉伸裂縫。天生橋一級面板壩運行過程中出現了面板嚴重裂縫及擠壓破壞等現象[2]。

水布埡大壩填筑方量1570萬m³，除利用建筑物開挖料外，還需要從料場開采大量灰巖料。如何充分利用建筑物開挖料降低工程造價，又能使大壩變形在防滲系統安全運行范圍內，需結合壩體各部位受力條件、填筑料來源進行壩體分區和填筑施工參數的設計。

2.1 壩料分區設計原則及措施

水布埡大壩設計時，系統總結了已有面板壩建設的經驗教訓，依據“九五”國家科技攻關成果，提出了“在控制各分區之間不均勻沉降變形的前提下，建筑物開挖料利用最大化”的壩體分區設計原則[3-5]。主要措施包括：

（1）主次堆石區的分界面宜從壩軸線處向下游傾斜，以減少次堆石區的變形對上游防滲體的影響;

（2）大壩上部應保證足夠的斷面和剛度，使其在承受水荷載時上游壩坡形態不出現面板不能適應的拐點;

（3）壩體與兩岸岸坡接觸部位，應整修坡形，設置變形協調區，以保證在狹窄河谷中壩體沿壩軸向的變形協調;

（4）主次堆石區填筑材料的變形特性不宜相差太大，碾壓施工參數應基本相同，使用大功率的振動碾使碾壓后的堆石孔隙率控制在20%左右。

2.2 主次堆石區分界面

水布埡面板壩設計之初，業界傳統觀點認為，位于壩體上游側的主堆石區是水荷載的主要支撐體，位于壩體下游側的次堆石區運行性態對面板安全影響輕微，為減少主堆石料填筑方量，主堆石區與次堆石區分界面多傾向上游。SL228-1998《混凝土面板堆石壩設計規范》也未對主次堆石區分界面做出明確規定。

這種分界設計是否適用于高面板堆石壩需要論證。為此，水布埡大壩設計時進行了堆石壩體分區專題研究，模擬分析表明：主次堆石區分界面位置的不同對壩體沉降、接縫變形產生的影響不能忽視。其中，影響最大的是壩體沉降，當主次堆石區分界面由傾向壩軸線下游1：0.2改為傾向壩軸線上游1：0.2時（見圖2），壩體在水庫蓄水期的最大沉降增加約18%[6]。其他高面板壩也得出了類似結論，即對于高面板壩，主次堆石區的分界面宜向下游側傾斜。筆者在負責修編SL228-2013《混凝土面板堆石壩設計規范》時吸收了這一成果，規范中規定“壩高150m以上的高壩，主堆石區與次堆石區的分界面宜傾向下游”。

2.3 次堆石區填筑質量

水布埡大壩建設之前，一般認為次堆石區不直接承受水壓力的作用，其變形對面板的影響較小，可以降低次堆石區料源質量和施工控制參數要求。隨著面板壩壩高的增加，特別是阿瓜密爾帕與天生橋一級的實踐證明，這種觀點對高面板壩不完全適用，尤其對超高面板壩已不適用，主要原因在于次游堆石區的變形將影響主次堆石區的變形協調，尤其是導致主堆石區水平位移的增加，進而影響面板和止水的安全。

為降低次堆石區變形的影響，水布埡壩體各區填筑料的壓實控制指標達到了當時已建工程中的一流水平，如表1所示。主堆石料壓實孔隙率要求小于20%，次堆石料壓實孔隙率接近20%。碾壓層厚與碾壓參數主、次堆石區要求相同，碾壓機具選擇25t自行振動碾。

蓄水穩定期，水布埡大壩最大壩高斷面在2011年1月至2015年12月間的實測沉降增量分布如圖3所示，各測點沉降增量主要發生在壩體中上部;沉降增量最大值在次堆石區上部。由此可知，次堆石區的后期變形相對較大，設計時應采取措施減少后期沉降;水布埡大壩設計時提高次堆石區填筑施工參數是必要的。水布埡大壩主次堆石區碾壓參數的設計經驗對此后建設的面板壩起到了借鑒作用。

3 大壩填筑程序

由于高面板壩填筑方量大、工期長，為滿足施工期臨時度汛的要求，兼顧施工的均衡性，一般將壩體填筑分成不同區域、時段進行分期。但是，粗粒料為非彈性材料，不同的填筑施工程序對壩體、進而對面板的應力變形會產生不同的影響。科學的施工程序對減少面板的危害成效顯著。水布埡大壩填筑施工遵循的基本原則[3-5]主要包括：

（1）壩體填筑面盡可能均勻上升，使堆石體變形連續;因度汛需要形成的壩體臨時斷面，控制上、下游高差在45m范圍內;

（2）合理規劃壩體填筑與面板澆筑時機，面板澆筑時，面板頂部與臨時壩頂之間的高差控制在15m以上，并保證“臨時壩體”相對分期澆筑的面板有必要的預沉降期，以減小或避免面板后的脫空;

（3）有條件時，壩體下游區的填筑可先于上游區（“反抬法”），以減小下游壩體變形對上游壩面的影響。

水布埡大壩填筑過程中，采用了“反抬法”填筑。面板實際分3期澆筑，面板澆筑時臨時壩體超高10～20m，對應部位壩體填筑料有3～6個月的預沉降期。這些措施有效降低了壩體沉降對面板的不利影響，實測施工期面板與擠壓邊墻的脫空在0.1-14.2mm，最大脫空35.2mm，面板脫空相對此前的類似工程有顯著改善;對存在的面板脫空，施工期通過面板頂部對脫空面進行了灌漿處理。水庫蓄水后，面板和擠壓邊墻貼合緊密，最大脫空僅1.0mm['1。

經過實踐檢驗證實，水布埡面板壩的填筑施工程序是科學合理的，也為SL228-1998《混凝土面板堆石壩設計規范》修訂積累了經驗。2013版規范規定，臨時斷面填筑高差不宜大于40m、填筑超高宜為5～20m，并對預沉降期也做出了規定。

4 基礎處理

面板壩對地基的要求總體較低，但若不重視，仍會直接或間接導致防滲體失效。岸坡形態能否滿足堆石體在沉降變形時不脫開、河床是否存在影響壩體穩定或變形能力強的沉積物等是面板壩基礎處理需要考慮的間題。水布埡大壩兩岸岸坡陡峻，河床存在覆蓋層，壩基存在規模較大的巖溶洞穴，以及多層剪切帶和多條斷層，基礎處理的重點是趾板基礎處理、岸坡地形處理和河床覆蓋層處理。

4.1 趾板基礎處理

趾板基礎處理的重點主要是斷層破碎帶、裂隙密集帶、層間剪切帶、溶蝕風化帶、強卸荷帶及巖溶洞穴等地質缺陷。主要措施如下[4]：

（1）對傾角較陡的斷層破碎帶及軟弱巖層開挖回填處理：開挖深度大于1.5倍斷層及夾泥層寬度，且不小于1m，開挖寬度大于斷層寬度，回填混凝土的表面鋪設限裂鋼筋;

（2）對傾角較小或基本呈水平狀的斷層及剪切帶開挖回填處理：開挖后保證上部覆蓋巖體厚度不小于 1.0～1.5m，若為軟弱型斷層或剪切帶，則繼續掏挖，掏挖深度大于I倍寬度，且不小于50cm，開挖完成后回填混凝土，深度較大時表面鋪設限裂鋼筋;

（3）對趾板及防滲板范圍內的溶洞，采用人工進行追蹤開挖、徹底清除洞內填充物，并回填混凝土和灌漿處理。

趾板建基面驗收時，以地質宏觀判斷為主，再輔以聲波及地震波等檢測方法，進行建基巖體質量評價。通過地質缺陷處理，并經過全面固結灌漿后，趾板建基巖體質量滿足要求。兩岸及河床趾板檢測結果如表2所示。

4.2 岸坡地形處理

根據壩體應力變形特點，區分壩體的不同分區，分別采用坡面整修、不利地形改造、設置混凝土回填補坡區、設置特殊碾壓區等，盡可能減少壩體因地形差異產生的不均勻沉降。

4.3 河床覆蓋層處理

傳統的做法是清除。水布婭壩址處河床覆蓋層一般厚度12.0～14.42m，最大厚度20m。覆蓋層部分位置分布有含砂礫粉土、黏土透鏡體，在壩子溝溝口還分布有洪積扇。通過綜合分析覆蓋層性狀及壩體結構對基礎的要求，實施了覆蓋層部分挖除、部分保留的方案[4，8]：

（1）趾板區覆蓋層全部挖除;

（2）為防止后期發生較大沉陷和影響壩體穩定，挖除主堆石區范圍洪積扇、含砂礫粉土、黏土透鏡體;

（3）下游RCC圍堰為壩體的一部分，其基礎及下游壩坡鄰近范圍挖除覆蓋層至基巖;

（4）確定的覆蓋層保留區，采取強夯加固處理提高密實性。

覆蓋層保留區面積約1.4萬2m，體積約13萬m³³。強夯處理施工前，進行了現場強夯試驗。實際施工時的關鍵技術要求包括[4，8]：

（1）強夯處理后，砂卵石層的干密度不小于2.15g/cm³，強夯最后兩擊相對沉降量不大于5cm，強夯后底面最終沉降量不小于表3中的控制標準。

（2）夯擊能不小于300tm，夯點間距為3.5～4m，平均擊數為9擊。分3序間隔施工：I序夯點用1.5m直徑左右的沖擊錘施工，擊數10擊;2序夯點用直徑2m左右平錘施工，擊數8擊;3序滿夯。

強夯實施后，覆蓋層平均夯沉量為40～60cm，顯著提高了其密實度。

大壩填筑前，為長期監測覆蓋層的沉降量，在最大壩高斷面的壩基覆蓋層頂部埋設了5個沉降位移計，如圖4所示。由圖4中各測點沉降變化過程可知，覆蓋層沉降主要發生于2005年之前，之后沉降逐漸趨于穩定，2007年后基本無變化;最大沉降位于5號測點，截至2015年12月31日沉降量為100.27mm。監測資料表明，水布埡壩基覆蓋層的處理效果顯著。

水布埡壩基采用強夯處理覆蓋層，不僅減少了壩體填筑量，節省了投資，更為重要的是為面板壩施工工期最緊張的截流后第一個枯水期贏得了寶貴的時間，保障了工程度汛安全，為高面板壩的同類壩基處理開辟了一條新途徑。

5 壩體填筑質量實時監控

水布埡大壩填筑碾壓質量采用干密度和碾壓遍數“雙控制”。傳統的壩體填筑質量監測控制方法是采用人工試坑注水法檢測填筑料干密度，碾壓遍數由作業人員現場點數，存在勞動強度大、檢測速度慢、測點不連續、監測效率低、易人為出錯、耗資巨大且具有破壞性等不足。

在傳統方法的基礎上，水布埡大壩的填筑施工質量控制，增加了實時過程控制措施。主要包括：

（1）在壩體填筑的前期，引進并改進了附加質量檢測法用于檢測干密度[9]。由于附加質量法檢測速度快、不影響倉面的碾壓施工且為無損傷式探測方法，該方法做到了全部單元工程的全部檢測。

2002年11月至2003年1月，附加質量檢測法首先在水布埡堆石料場進行了試驗，2003年3月正式投人實際生產中[10]。SL 49-2015《混凝土面板堆石壩施工規范》將附加質量法列為壩料填筑質量檢測方法之一，目前該方法已被廣泛應用于堆石壩的壩體填筑質量檢測中。

（2）在壩體填筑中后期，創新性地研制了GPS高精度實時過程監測系統[11，12]。該系統實現了對振動碾的碾壓遍數、行走軌跡及行走速度實時監控，在大幅度降低現場施工和監理人員勞動強度、提高施工效率的同時，有效監控和保障了大壩填筑質量。

GPS高精度實時過程監測系統于2002年開始研制及調試，2004年開始試用，2005年后成為水布婭大壩填筑質量過程控制的主要手段。目前基于GPS，以跟蹤碾壓參數的壩體填筑質量控制技術已得到了廣泛應用[13-16]，并將成為人工智能施工技術的一部分。

6 大壩運行狀態

6.1 壩體最大沉降

截至2019年6月30日，水布埡大壩的最大沉降測點位于大壩次堆石區上部。該部位安全監測儀器于2006年5月19日起測，沉降過程如圖5所示，大壩最大沉降2643.5mm，為壩高的1.13%，壩體變形已逐漸穩定，證實變形控制技術成效顯著。

6.2 滲漏量

水布埡大壩在下游壩腳布置了矩形量水堰測量滲漏量。量水堰監測的流量包括壩基滲水、面板滲水及面板下游壩體區域雨水。

2010年10月，水布埡大壩運行管理單位對量水堰進行了改造和全面厘定，并開始采用自動化系統觀測。表4所示為2010年10月以后大壩實測滲漏量分年特征值的統計成果[7]。表中數據已剔除了較大降雨時段的觀測數據。實測滲漏量在13.03～81.17L/s之間，2011年11月14日庫水位396.7m時滲漏量最大。由表4可知，滲漏量主要與庫水位相關。文獻[1]]詳盡對比了國內外面板堆石壩的實測滲漏量，將國內外34個面板壩工程按滲漏量分成滲漏量偏大、滲漏量較小、滲漏量小3個類別，水布埡大壩屬滲漏量小的類別，表明水布埡大壩防滲質量良好，防滲體系可靠，也證實了大壩變形控制成效良好。

7 結語

自2006年10月水布埡大壩開始擋水以來，13a的運行數據表明，大壩變形性態良好，證實了一系列筑壩技術難題解決方案的正確性。同時，水布埡大壩的建設經驗對此后建設的高面板壩起到了良好的指導作用，為世界面板壩的發展作出了貢獻。

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（編輯：唐湘茜）

收稿日期：2019-10-30

基金項目：2018年度湖北省聯合培養博士后青年創新人才項目（第一批）

作者簡介：楊啟貴，男，全國工程勘察設計大師，教授級高級工程師，主要從事水工結構與巖土工程設計與科研工作。E-mail：yangqigui@cjwsjy.com.cn