浅议面板堆石坝设计科研与施工技术的进步

2016-03-19黄继平湖北省水利水电规划勘测设计院湖北武汉430071

低碳世界 2016年22期

黄继平（湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉430071）

浅议面板堆石坝设计科研与施工技术的进步

黄继平（湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉430071）

在中国面板堆石坝发展30年之际，本文编辑了择录了中国面板坝发展水平结合工程实列，归纳了高面板坝，软岩做坝方面的经验，提出了其安全性与控制标准、渗流量控制，坝基防渗墙设计指标；面板防裂先决条件是改善混凝土内在品质而非外加纤维；抗震标准与措施；施工与科研技术进步推动了中国面板堆坝的进步与发展。

混凝土面板堆石坝坝型；安全性控制标准建立；渗流控制；抗震标准；施工的进步与发展

1 高面板堆石坝建设发展水平

中国从1985年开始用现代技术修建混凝土面板堆石坝，目前已是31年历程。通过引进、实践、研究、开发，其安全性、经济性和适应性良好的优越性已在坝工界取得共识，在坝型比较中处于较有利的地位，但也出现了一些不适应面板堆石坝而适应心墙坝的深坡积层强风化地层盲目采用面板坝的不良现象。

中国国土面积广袤，地形地质条件复杂，高差起伏剧烈，南北跨越纬度范围大，气象条件相差极大，所以涵盖了所有面板堆石坝类型。

截至2014年据不完全统计，国内外拟建、在建和已建的混凝土面板堆石坝约620座，我国约305座，占50%，其中100级以上高坝约90座，我国已成为名副其实的混凝土面板坝大国。我国混凝土面板堆石坝工程已经历近30年的建设历程，尤其在近10年，计和建成了20多座150m级及以上的高坝，其建设范围涉及多种地形地质和气侯条件，无论是筑坝数量、大坝高度和规模，还是技术创新能力都处于世界领先水平。

工程运行检验表明，中国已建的150～200m级面板堆石坝运行良好，堆石坝体沉降值为坝高的0.6～1.2%，一般为坝高的1%，沙砾坝为主的填筑坝体为最大坝高的0.5～0.8%；由于坝料混合、填筑次序、压实密度等原因，天生桥的沉降率达到坝高的2%，根据水布垭2014年底统计资料，最大沉降量262cm，占坝高的1.1%，和洪家渡水电站坝体沉降2013年135.6cm，占坝高的0.755%的监测资料分析。

2 高凝土面板堆石坝安全性设计与控制标准

2.1 填筑标准

现行设计规范规定堆石料以碾压参数和孔隙率两种参数作为施工填筑质量控制标准，统计了滩坑、平寨、珊溪等7座150m级高面板坝主堆石区填筑孔隙率，上游区20%，下游堆石区约等于20～22%，过渡区17～19%，垫层区17～18%。砂砾石料以相对密度作为施工填筑标准。采用不小于25t自行式振动碾，沙砾石料压实标准为Dr=0.85～0.9，如近期近期建设的卡拉贝利，坝高91m，阿尔塔什，坝高164.8m，沙砾石填筑标准大于或等于0.85。

水利行业对硬岩堆石料及砂砾石料的规定：当现高小于150m，砂砾石料相对密度Dr=0.75～0.85，控制垫层料孔隙率n=15～20%；过渡料n=18～22%，上游堆石料n=20～24%，下游堆石料n=21～26%；当200m＞坝高≥150m，砂砾石料相对密度Dr=0.85～0.90，垫层料孔隙率n=15～18%；过渡料n=18～20%，上游堆石料n=15～20%，下游堆石料n=19～22%。水利行业在150m级别以上高坝填筑标准整体上高于电力行业标准。水利行业面板堆坝设计规范中，规定软岩堆石料的设计指标和填筑标准应按工程类比确定，对于100级面板堆坝软质岩上游堆石区控制在n=18～22%，下游堆石区n=18～23%。实际建设中根据料场岩石物理特性结合生产的碾压试验要不断动态调整施工参数。

2.2 面板结构

根据目前已建工程资料，防止坝体变形引起的面板结构性裂缝、挤压破坏，断裂、塌陷最为关键；增强面板自身防裂能力的合理混凝土级配同样重要。小溪口面板堆石坝采用大冶组薄层灰岩堆石填筑，沉降量小，面板混凝土水泥进行改良，根据水泥物理化学特性，增加早期强度物质含量，降低晚期强度的三氧化硅含量，通过温控计算，使其7d水化热温升产生的拉应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没有一条裂缝发生。

实践证明：改变混凝土内在品质比参纤维更为优化混凝土的品质，参纤维只能将面板的较大裂缝缩减为多条较细裂缝，混凝土内在自身品质没有得到根本改善。实际上是一条辅助措施。

预防混凝土面板产生温度与乾缩性裂缝已经形成系统技术措施。优化混凝土配比；注重减小垫层对面板的约束，强调混凝土的养护；将垂直缝间增加柔性填料，增加可变形的能力，减低面板的挤压应力；增加顶部面板厚度，将30cm增厚到40cm，这些措施提高了面板与基础变形的协调能力，防止及减少了面板裂缝发生。

2.3 坝体分区与坝料选用

坝料分区的原则是充分利用当地材料，枢纽开挖料，做到坝体稳定，渗流稳定和变形在安全范围内，并与面板变形协调，达到安全经济的目的。实践证明，下游堆石体变形会影响到面板堆石坝性状，由于变形与坝高关系密切，超高面板堆石坝要求严格控制变形量与不均匀变形；好坝料富裕时，应该尽量扩大上游堆石区范围，堆石分界线应以一定坡度倾向下游，不少于1：0.2；下游堆石区范围越小，面板桡度越小，减低下游堆石顶部高度有利减小面板桡度。但最重要的桡度控制莫过于垫层料与过度料的孔隙率控制，上游堆石质量对桡度影响也大于下游堆石区。

下游堆石也应压实到较高密度，减小上下游模量差值；将沙砾石料置于上游和中心部位的高应力区，利用其高模量减少变形。

3 渗流与渗漏控制评价

随着中国150m级面板坝数量增加，近年来大坝防渗体破坏渗漏处理情况时有发生，有必要对其深入研究对大坝渗流及过程状态安全进行评价。混凝土面板坝渗流稳定的基本要求是所有渗流出逸比降均应在材料的允许比降之内。控制措施包括：合理材料分区互为反滤关系设计，防渗体发生裂缝和自愈功能的考虑，排水和坝下游防止颗粒移动措施等。现行规范没有关于渗流量的具体要求，根据工程规模，以渗流量不明显影响工程安全与效益考量。所以管道性渗漏是必须处理的。

面板堆石坝渗流量大小一直是工程界关注的工程安全问题。目前用渗漏量级别评价没有相关标准，但渗流量过大和渗流水质异常和突变可以反映面板坝防渗体系工作状态，对此国内外分歧较大。中国各水行政主管部门对此判别较为严格。

4 深覆盖层面板堆石坝

4.1 防渗墙指标

防渗墙一般采用垂直等厚形式，并与两岸岩体嵌固封闭连接帷幕，嵌入岩体不少于墙厚的0.8倍。墙体指标根据工程等级，水深、经必要分析比较而定。对较均质低弹摸、层间模量不大的地基，可选择低强度混凝土设计指标C10～C15；当地基地层复杂、物料分布不均、水力梯度较大（中、高坝）应当选择C20～C30。一般采用全断面配筋。尤其是两岸链接部位，应力较大，双层钢筋时必须的。但墙体一般没有设置止水设施，仅靠墙间连接。

4.2 墙体结构与地基变形关系

防渗墙允许的水力梯度（70～90）确定墙体厚度，实际设计中一般根据工程类比，高坝防渗墙厚度多在80～1.2m，最大墙深可达150m，在建吐鲁番大河沿水库基础防渗墙最大深度175m，设计墙厚1.0m；在建的阿尔塔什面板坝覆盖层深93m，坝基采用一道厚1.2m全封闭垂直混凝土防渗墙。

河南黄河河口村面板堆石坝，深覆盖层厚达30余m，其中泥化夹层6层，最厚一层达12m，其他在0.5～1.0m之间，在防渗墙前后采用高喷灌浆给予地基加强处理。类似深覆盖层面板堆坝地基给予处理的有老渡口、杨东河面板堆石坝。由此可见，重视坝基覆盖层的变形、并加以处理是非常必要的，影响坝体安全和防渗墙变形牵连趾板连接板的变形协调。

5 抗震标准与措施

地震区混凝土面板堆石坝的安全超高应当包括地震涌浪高度。地震烈度设计为Ⅷ、Ⅸ度时，安全超高应计入坝体和地基在地震作用下的附加沉降。土石坝坝顶抗震超高按1.0%确定，并根据最大震陷率和变形的不均匀程度等评价大坝及防渗体抗震安全性。当分析结果计算最大震陷超过坝高的0.6～0.8%时，面板堆石坝可产生明显震害，并可能导致严重后果，应慎重论证坝体抗震设计和抗震措施，并重点关注面板接缝止水的抗震安全性问题；包括面板脱空、错位变形、桡度、集中挤压破坏以及周边缝和垂直缝的止水安全性。

6 软岩做坝

混凝土面板堆石坝已成为水利水电工程的主要坝型之一。国内外已有不少工程采用了软岩料修筑面板堆石坝并已取得成功。由于枢纽建筑物开挖料岩石强度低、风化强烈、含泥量高，不符合堆石料设计指标，因而不得不大量废弃而另辟料场，由此造成工程造价的提高，并带来水土流失等生态平衡问题。所以合理利用开挖料做到挖填平衡极其重要。

采用软岩料作为填筑坝料，要控制其细化、板结较为困难。因为软岩的强度一般在15～30MPa之间，在外荷载作用下极易破碎、细化，软岩细化后，石料的块径变小，细颗粒含量增多，加之施工中洒水碾压的作用，软岩填筑料表面容易形成板结层，从现场试验成果及施工情况分析，板结层厚度大部分在5～10cm，少数部位因软岩料中泥岩含量偏大，则其板结层的厚度可达20cm左右。鱼跳工程软岩料利用区均采用软硬的混合料填筑，其混合料中软岩约为30～40%；软硬岩的掺混使用不仅有利于控制和解决软岩的细化、板结问题，而且还能提高堆石体的排水性能。坝体二期填筑施工中，针对软岩的细化、板结问题进行了一系列的软岩料应用技术研究和现场生产性试验的工作，包括软岩细化、板结的现场试验等。

7 施工质量控制和技术进步提高了面板堆石坝安全性

混凝土面板堆石坝的发展离不开施工技术的进步，新的施工工艺和施工环节质量控制也推动高坝建设的发展。根据以往同类工程事故发生原因和处理情况，面板堆石坝填筑与防渗体混凝土质量控制是至关重要的，填筑质量关系到大坝变形控制，面板混凝土设计标准和施工质量关系到结构的耐久性。

自中国水电15局在公伯峡面板堆石采用挤压边墙技术及其它施工单位的翻模砂浆固坡新技术，延续使用喷混凝土、碾压砂浆、喷乳化沥青辅助固坡；早期对上游坡坡面采用分级削坡、斜坡碾压是控制面板法向变形有效措施，只因施工交叉处理复杂、物料清理、专用设备等原因施工单位而不再采用。随着机械化施工水平提高和经验积累、近期建设的混凝土面板挤压边墙坡面不平整度控制、挤压体形稳定性、墙体物料特性指标控制均表现良好。

注重施工工艺细节是施工质量达标的关键。比如混凝土面板浇筑质量控制，浇筑前应对板下面进行3m×3m的网格平整度测量，其偏差不得超过面板设计线5cm，超欠填位采取同挤压边墙强度砂浆回填达设计线。面板混凝土采用全仓面摊平后振捣方式，插入振捣落点不大于40cm，深度应达到新浇筑层底部以下5cm；特别注意接缝止水出的振捣，使止水周围密实；严禁将振捣器插入模板下振捣，提升模板时不得振捣混凝土。滑膜的提升速度应于浇筑强度和脱模时间相适应，平均滑膜速度可控制在1.0m/h左右，浇筑时段最大提升速度不得超过2.5m/h。面板混凝土浇筑初凝抹面后，应覆盖与面板同宽的塑料薄膜保湿保温，初凝后换盖草袋，要求流水养护至水库蓄水。