中国堆石坝的新发展

杨泽艳，王富强，吴毅瑾，孙永娟

（1. 水电水利规划设计总院，北京市西城区 100120；2. 中国水电工程顾问集团有限公司，北京市西城区 100120）

1 堆石坝类型及特点

堆石坝是土石坝家族中土坝和堆石坝两大主力坝型之一，其特征是筑坝材料的中硬岩及以上石料的占比超过土石料总量的50%。相较而言，土坝取材更为容易，技术更为成熟，其数量占中国土石坝的90%以上；堆石坝对筑坝材料要求更高，技术难度更大，其数量在中国不到土石坝总量的10%。

堆石坝因其石料占比大，使得压实后的堆石料抗剪强度接近甚至超过40°，压缩模量接近甚至超过200MPa，为土石坝这一坝型坝高超过100m，突破200m，达到300m奠定了坚实的理论和技术基础。由于堆石料渗透系数远大于10-4cm/s，堆石坝设有专门的防渗结构。经过长期的工程实践和技术积累，堆石坝防渗体主要集中于土心墙、钢筋混凝土面板、沥青混凝土、土工膜等四大类。以防渗体技术成熟度为标志，土心墙堆石坝最高达到300m级，钢筋混凝土面板堆石坝最高达到230m级，沥青混凝土心墙堆石坝最高达170m级，土工膜面板堆石坝最高达100m级。如果说土坝在数量上占绝对优势，则堆石坝在高度上点绝对优势。

堆石坝体现了当地材料坝类型的有所优势，对坝区地质条件的适应性较强，对坝基地质条件要求相对较低，筑坝料可就地取材，外来材料运输量较小。但坝身不能过水，枢纽泄水建筑物需布置在岸边，坝体填筑方量较大，料场占地较多，征地范围较大。

随着坝体高度的上升，堆石坝承受水头增加，相应坝体渗透水头、结构受力将大幅增长，相应坝体抗滑稳定、渗透稳定和变形稳定控制要求大幅提高，设计和施工技术难度也将大幅增加。大坝高度变化最能反映堆石坝技术进步水平，本文以坝高发展变化为主线论述中国堆石坝的新发展。

2 发展历程

20世纪初到50年代初是中国水工技术发展的艰难起步阶段[1]，中国土石坝以土坝为主。这一时期，中国大陆最高的土坝可能要算鸳鸯坝（高30.3m，1947年建成），中国台湾最高的土石坝要算乌山头坝（高50.5m，1930年），这一时期几乎没有堆石坝，最大坝高50m级。

20世纪50年代初到70年代末是中国水工技术的曲折发展阶段，这一阶段，中国大陆建成最高的土心墙堆石坝是碧口坝（高101.8m，1976年），最高的木斜墙堆石坝是红枫坝（高52.5m，1960年），最高的钢筋斜墙堆石坝是百花坝（高48.7m，1966年），最高的沥青混凝土斜墙堆石坝是石砭峪坝（高82.5m，1980年），最高的沥青混凝土心墙堆石坝是党河一期坝（高59m，1974年），深厚覆盖层上最高的堆石坝是毛家村土心墙堆石坝（高82.5m，1970年）。这一时期堆石坝以抛填、干砌、定向爆破及静态碾压施工工艺为主，坝高刚超过100m。这一时期也是台港堆石坝发展的黄金时期，先后建成了石门土心墙堆坝（高133m，1964年）、曾文土心墙堆石坝（高133m，1973年）。香港的高岛东坝和西坝（高分别为107m和102.5m，1979年）沥青混凝土心墙堆石坝，应用了振动碾压技术，坝高突破130m。土心墙堆石坝处于领先地位。

20世纪80年代初到20世纪末是中国水工技术的借鉴发展阶段，这一时期，建成最高的土心墙堆石坝是小浪底坝（高160m，2000年），也是同时期深厚覆盖层上最高的堆石坝工程，最高的面板堆石坝是天生桥一级坝（高178m，2000年），最高的沥青心墙堆石坝是党河（二期）坝（加高到74m，1994年），沥青混凝土面板堆石坝是天荒坪蓄能上库坝（高72m，1997年），石砭峪坝用膜面板进行防渗处理（大坝加高至85m，2000年），最高的膜心墙堆石坝是竹寿坝（高60.22m，1995年）。改革开放之后，振动碾压技术引入中国，并得到广泛应用，中国堆石坝得到大力发展，这一时期面板堆石坝发展最快，沥青防渗体堆石坝、土工膜防渗体堆石坝得到一定发展，最大坝高尚未超过200m。面板堆石坝处于领先地位。

21世纪开始是中国水工技术的突破发展阶段，这一时期中国堆石坝筑坝技术取得突破性重大发展，建成最高的土心墙堆石坝是糯扎渡坝（高261.5m，2013年），深厚覆盖层上最高的堆石坝是长河坝（高240m，2017年），最高的混凝土面板堆石坝是水布垭坝（高233m，2008年），最高的沥青混凝土心墙堆石坝是去学坝（高173.2m，2018年），最高的沥青混凝土面板堆石坝是西龙池蓄能下库坝（高97.4m，2010年），最高的膜面板堆石坝是老挝南欧江六级坝（高85m，2015年），最高的膜心墙堆石坝是华山沟坝（高69.5m，2015年）。开工建设了两河口土心墙堆石坝（高295m，2014年开工）和双江口土心墙堆石坝（高312m，2015年开工）。这一时期，振动碾压技术创新发展，最大碾子重量达到32t级，最大坝高超过260m，混凝土面板坝、沥青防渗、膜防渗堆石坝的高度创世界纪录。紫坪铺面板堆石坝经受了特大地震的考验。土心墙堆石坝处于领先地位（见图1）。

图1 中国堆石坝发展过程示意图Figure 1 Development process of rockfill dam in China

3 建设新成就

3.1 土心墙堆石坝

土心墙堆石坝坝体断面较大，枢纽布置调整余地较小，坝体工程量较大，填筑工期较长，土料施工受降雨、冬季影响较大，防渗土料场多占用耕地区域，建设征地工作量大，用过的料场需要复耕，环保水保影响面大，有的地方甚至很难找到合适的防渗土料。但其对地基适应性好，材料来源广泛，堆石料填筑密实度要求相对较低，国外20世纪80年代就有300m高土心墙堆石坝的建设实践。进入21世纪，中国高土心墙堆石坝建设快速发展，先后建成了小浪底、瀑布沟、糯扎渡、长河坝等高土心墙堆石坝工程（见表1），最大坝高突破260m。

小浪底坝采用斜心墙布置，糯扎渡、长河坝、瀑布沟等坝均为正心墙布置。糯扎渡、长河坝、瀑布沟坝均采用砾石土料填筑心墙，瀑布沟坝采用筛分后的砾石土料，糯扎渡坝采用平铺立采工艺进行土料掺砾，长河坝大坝根据土料场的分布情况，除砾石土料直接上坝外，还采用了筛分、掺砾等土料加工工艺。这些超高坝的壳料均为堆石坝。小浪底、瀑布沟、长河坝等坝均位于深厚覆盖层上。

糯扎渡工程是中国和亚洲第一高坝，世界第三高坝，代表当今中国堆石坝最高水平，工程建设针对勘探手段、筑坝材料、坝体计算、抗震措施、施工技术、质量保证做了大量研究和工程应用，获多项国家科技进步奖。小浪底、瀑布沟、糯扎渡等坝荣获国际堆石坝里程碑工程奖。长河坝工程超越瀑布沟工程创造了深厚覆盖层上建设超高坝的世界纪录，将堆石坝地基适应能力强及坝体的柔性特性发挥到极致。碧口、水牛家等土心墙堆石坝多次经受地震考验，工程安全性能良好。

表1 中国已建坝高前列土心墙堆石坝Table 1 The built earth core rockfill dams in forefront， China

3.2 混凝土面板堆石坝

混凝土面板堆石坝趾板对地质条件要求相对较高，趾板边坡相对较高，混凝土面板防渗结构防裂抗裂要求高，沿趾板布置防渗帷幕线使得防渗工程量相对较大，坝壳料填筑密实度要求相对较高。但其坝体断面相对较小，枢纽及坝体布置调整余地较大，可利用坝体断面临时挡水，施工不受雨季、冬季影响，占用耕地较少，水土流失影响小，工期相对较短，投资相对较低。

自1985年我国引入现代混凝土面板堆石坝筑坝技术以来，在吸收国际面板堆石坝经验的基础上，中国混凝土面板堆石坝建设技术得到不断发展，是堆石坝中发展最快、建设工程最多的坝型，截至2017年底，中国面板堆石坝约450座。近年来，天生桥一级、洪家渡、三板溪、水布垭、猴子岩等一批坝高180m级以上的高面板堆石坝相继建成投运（见表2），代表中国面板堆石坝建设技术处于世界领先水平。

表2 中国已建坝高前列混凝土面板堆石坝Table 2 The built concrete face rockfill dams in forefront， China

这些工程均采用堆石料填筑，上游坝1:1.4，下游坝坡1:1.4～1.6，充分体现坝体断面较小、堆石填筑可全天候施工的特点。2005年以后建设的高面板堆石坝在保证坝坡抗滑稳定和坝料渗透稳定的同时，更加注重坝体变形控制、面板混凝土防裂抗裂等问题，坝体渗漏量小，运行性态良好。

水布垭坝高233m，为世界上最高的混凝土面板堆石坝。猴子岩为世界第二高面板堆石坝，但河谷更为狭窄，下游堆石体位于覆盖层上，坝体变形控制非常成功。中国深厚覆盖层上面板堆石坝建设也不断刷新世界纪录，九甸峡坝为目前国内外深厚覆盖层上已建最高的面板堆石坝。水布垭、洪家渡、九甸峡等坝荣获国际堆石里程碑奖。紫坪铺坝是世界上第一座经受Ⅸ～Ⅹ度极高地震烈度检验的高混凝土面板堆石坝，震后修复良好，证明了堆石坝良好的抗震性，为此荣获国际堆石坝特别工程奖。

3.3 沥青混凝土防渗堆石坝

沥青混凝土防渗堆石坝最大坝高低于土心墙堆石坝和面板堆石坝，对地基适应性仅次于土心墙堆石坝，坝体断面大于面板堆石坝，布置调整余地相对较小，有的地方难找到合适的碱性骨料，沥青混凝土心墙施工受雨季、冬季影响，有效工作时段相对较短，沥青混凝土加工对环境影响较大。但其对地基适应性比面板堆石坝好，坝体断面小于土心墙堆石坝，布置调整余地更大，坝壳料填筑密实度要求较混凝土面板堆石坝低，占用耕地较少，水土流失影响小，坝体工程量比土心墙堆石坝小，工期更短，投资更少。

沥青混凝土防渗堆石坝发展在中国堆石坝位列第三位，发展速度相对较慢，大坝数量也较为有限。1979年中国香港的高岛东西坝高度即突破100m，中国大陆混凝土心墙堆石坝高度突破100m还是进入21世纪以后，目前最大坝高达170m级（见表3）。

表3 中国已建坝高前列沥青混凝土防渗堆石坝Table 3 The built asphalt impervious rockfill dams in forefront， China

心墙防渗型式的高度要大于面板防渗型式。上下游坝坡较土心墙堆石坝陡，但较混凝土面板堆石坝缓。筑坝材料有堆石坝料，也有砂砾石料。坝体也可建在深厚覆盖上。去学坝是目前世界上最高的沥青混凝土心墙堆石坝[2]，代表中国沥青混凝土防渗体堆石坝最高水平。

3.4 膜防渗堆石坝

膜防渗堆石坝的特点和适应性与沥青混凝土防渗体堆石坝有相似之处，膜技术受化工材料技术发展的影响较大，在坝高发展上受膜强度、耐久性的制约较大。随着材料技术的快速发展，化学土工膜的耐久性及抗老化问题已不再是制约其使用的关键因素，其发展潜力巨大。

膜防渗堆石坝起步相对较晚。阿尔巴尼亚1996年建成的Bovilla定向爆破堆石坝膜防渗面板高56m。葡萄牙1981年采用膜面板对高110m的Paradela混凝土斜墙坝进行修复处理，西班牙1984年采用膜面板对高97m的Poza De Los Romos沥青混凝土面板坝进行修复，此坝后来加高到134m。

中国2001年用膜面板对高85m的石砭峪沥青混凝土面板堆石坝进行修复，2009年建成的仁宗海膜面板堆石坝高56m，2016年由中国人投资、设计和建设的膜面板堆石坝达到85m高度。1995年建成的竹寿膜心墙堆石坝高度超过60m，2011年建成的华山沟膜心墙堆石坝高度69.5m。在中国膜防渗体堆石坝是堆石坝中发展速度较慢、建设高度尚未突破100m的坝型（见表4），较国外技术水平尚有一定差距。

膜防渗堆石坝可采用堆石坝填筑，也可采用砂砾石填筑。已建膜面板堆石坝的高度要高于膜心墙堆石坝，中国已建两座较高的膜心墙堆石坝均是与土料共同防渗，或作为主要防渗体，或作为辅助防渗体。膜防渗堆石坝也体现了堆石坝对地基适应性强的特点，多座建在深厚覆盖层上。

老挝南瓯江六级坝经大量论证和比较分析[3]，选用了最新型CNT3750-3.5mmPVC +700g土工膜作为防渗体，且为全祼露相符合土工膜，满足中国技术标准和国际大坝委员会推荐的技术标准，代表当前膜防渗材料在堆石坝应用的最高水平。

4 科技发展

堆石坝筑坝技术的发展离不开科技进步。“六五”“七五”“八五”“九五”国家科技攻关期间先后有“高土石坝筑坝关键技术”“深厚覆盖层基础上的建坝技术”“钢筋混凝土面板堆石坝技术”“土质防渗体高土石坝技术”“高土石坝原型观测和土工离心模型试验技术”“70～100m级深混凝土防渗墙成套技术”“200m级高混凝土面板堆石坝技术”等项目，依托天生桥一级、鲁布革、小浪底、瀑布沟、西北口、水布垭等工程开展科技攻关[4]，同时还有国家自然科学基金、省部委、高等院校、企业集团组织开展的大量科技研究。

通过大量研究和工程应用，中国堆石坝筑坝技术取得了创新发展，先后有“混凝土面板堆石坝施工技术研究”“高混凝土面板砂砾石坝关键技术研究”“峡谷地区200m级高面板堆石坝筑坝技术研究及其洪家渡坝工程应用”“水布垭超高面板堆石坝工程筑坝关键技术及应用”“高土石坝抗震设计理论研究与工程应用”“高混凝土面板堆石坝安全关键技术研究及工程应用”“超高心墙堆石坝关键技术及应用”等项目荣获国家科技进步奖。

表4 中国已建坝高前列膜防渗堆石坝Table 4 The built geomembrane impervious rockfill dams in forefront， China

中国的堆石坝相关设计与施工规范也进行了多轮制修订。这些科技成果和规范的制修订为我国堆石坝向更好、更高、更大发展提供了坚实的理论和技术基础。

5 发展展望

随着中国“西电东送”工程建设深化，在金沙江、雅砻江等西部河流上还有多座在建的大型水电站工程采用堆石坝作为挡水建筑物，在沿海发达地区建设的抽水蓄能电站库盆大坝也大量采用堆石坝作为挡水建筑物（见表5）。未来中国堆石坝建设潜力巨大，且向更大高度迈进。

2015年开工建设的两河口土心墙堆石坝高295m，为世界第三高土石坝，2016年开工建设的双江口土心墙堆石坝高312m，建成后将成为世界第一高坝。正在设计中的如美土心墙堆石坝高315m。中国土心墙堆石坝最高达300m级，这些工程均位于高海拔寒冷地区，大坝建设面临合理用料、变形控制、土料制备、冬季施工、防震抗震等诸多技术难题，工程的建设将创造新的世界纪录。

表5 中国在建前列堆石坝工程Table 5 The under construction rockfill damsin forefront， China

2018年开工建设的大石峡面板堆石坝高256m，2019年开工建设的拉哇面板堆石坝高245m，也位于高海拔寒冷地区，覆盖层地基处理、复杂气候条件面板混凝土裂抗裂技术难度大。工程建设将推高国际面板坝建设技术水平。阿尔塔什面板堆石坝最大高度164.8m[5]，趾板建在最大厚度94m深厚覆盖上，建成后将是世界上趾板建在深厚覆盖层上最高的面板堆石坝工程。

2018年开工的句容蓄能上水库沥青混凝土面板堆石坝高182m，2017年开工的沂蒙蓄能上水库沥青混凝土面板堆石坝高117.4m，两个工程均位于沿海地区，用于抽水蓄能电站库坝工程，虽然其承受水头较河流上沥青防渗堆石坝小，但大坝变形控制难度仍度较大，沥青混凝土配合比、施工工艺要求高，将刷新沥青防渗堆石坝的高度记录。苏洼龙坝是首座建在大江大河上的高度100m以上沥青防渗心墙堆石坝，将进一步拓宽沥青混凝土心墙坝的应用范围。

笔者手上目前还没有更高膜防渗堆石坝建设的资料，相信随着膜材料技术、膜防渗筑坝技术的发展，会有更多更高膜防渗堆石坝加入建设行业。

6 结束语

（1）为作土石坝主力坝型的碾压式堆石体具有抗剪强度高、压缩模量大、透水性强的特点，在采取可靠防渗型结构后，保留了对地基适应性强的优势，发挥了高度发展潜力大的优势，为土石坝高度超过100m，突破200m，达到300m奠定了坚实的理论和技术基础。

（2）中国堆石坝从零起步，经过曲折发展，中国堆石坝高度突破100m。借鉴发展阶段，特别是振动碾压技术的引进，使得土心墙堆石坝、面板堆石坝、沥青防渗堆石坝、膜防渗堆石坝等四种坝型脱颖而出，最大坝高达200m级。通过借鉴发展，中国堆石坝筑坝技术取得突破性重大发展，基本形成260级高土心墙堆石坝、230m级高面板堆石坝、160m级高沥青防渗堆石坝、100m级高膜防渗堆石坝的格局。堆石筑坝技术达到世界先进或领先水平。

（3）中国围绕堆石坝筑坝技术开展了大量科技研究，特别是改革开放以来，土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝等项科技成果荣获国家级、省部级进步奖，国际堆石坝里程碑和特别工程奖，堆石筑坝技术规范进行了多轮修制订，促进和保障了堆石筑坝技术的健康稳定发展。

（4）随着中国西部水资源的进一步开发，东部抽水蓄能电站建设的需要，中国土心墙堆石坝将向300m级高土心堆石坝、250m级高面板堆石坝、200m级沥青防渗堆石坝，100m级高膜防渗堆石迈进，并将全面达到世界领先水平。