面板堆石坝上游铺盖体型优化探讨

詹双桥，杨志明，郑 洪

(湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007)

混凝土面板堆石坝在20世纪80年代引入中国，虽然时间不是很长，但是发展却非常迅速。中国以现代技术建设混凝土面板堆石坝始于1985年，第一座开工建设的是湖北西北口水库大坝(最大坝高95m)，与国外相比，我国虽起步较晚，但起点高、发展快。大量混凝土面板堆石坝在我国相继建成，为类似工程提供了借鉴，同时也积累了宝贵的工程经验，相应的设计理念、施工工艺也日渐成熟。

从国内最早的DL 5016—93《混凝土面板堆石坝设计导则》到最新的SL 228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》均规定，“100m以上的高坝宜在面板上游低部位设置上游铺盖区及盖重区”。上游铺盖覆盖在面板及周边缝表面，起辅助防渗或自愈作用；盖重覆盖在铺盖表面，维持上游铺盖区的稳定，并起保护作用。相关规范条文同时规定，上游铺盖区顶部高程应综合考虑坝高及满足放空检修条件确定，上游铺盖以上的面板、趾板、接缝止水等应具备降低水位检修的条件，故其顶高程应与泄水设施降低水位的能力相适应，一般达到1/3坝高附近。另外，库水位降低检修面板时，上游盖重可以起到一定的压重作用，防止反向水压力损坏面板。

国内外已建成的百米级高面板堆石坝基本上均设置了上游铺盖和盖重，蓄水运用后，部分大坝渗漏量逐渐增大或突然增大，经过面板破损修复或止水修复后渗漏量减小到正常范围，但也有少量大坝主要渗漏通道在上游铺盖下部，且极不易查明。早期建设的白云、株树桥面板坝，面板上游也设置了铺盖及盖重，但在蓄水运行3—5年后相继出现渗漏量明显增大并持续发展的现象，铺盖尽管起到了一定抑制渗流的作用，但无法完全堵塞渗漏通道，多家科研检测单位反复探测均难以查清渗漏通道的位置与规模，运行10年左右均不得恢复围堰与导流洞，放空水库，清除盖重与铺盖，进行破损面板修复，施工难度非常大。

国内目前在建或拟建的混凝土面板堆石坝工程一般设有水库放空设施，库水位降低后，大部分趾板、面板及接缝止水可以外露；且随着国内潜水技术的进步，水下机器人检测、施工技术日渐成熟，目前可以实现水下60m的检测与修复施工，并正向100m以下探索发展。因此，能否对传统意义上的上游铺盖和盖重区体型进行优化，甚至取消，或采取其他的辅助防渗措施，以方便大坝面板、接缝止水的检修维护，从而保证大坝安全。本文将以涔天河水库扩建工程混凝土面板堆石坝为例对此问题展开探讨。

1 工程概况

涔天河水库扩建工程位于湖南省江华瑶族自治县境内的湘江支流潇水上游。工程开发的主要任务是灌溉、防洪、下游补水和发电，兼顾航运等综合利用，水库总库容15.1亿m3，正常蓄水位313m，死水位270m，为Ⅰ等大(1)型水利水电枢纽工程。新建大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程324.0m，最大坝高114m，上、下游坡比1∶1.4。

涔天河老坝为20世纪60年代修建的支墩坝，坝顶高程257m，兼做施工期上游围堰，后期不拆除。新建混凝土面板堆石坝的河床趾板上距老坝坝趾12m，面板上游铺盖及盖重布置在新老坝体之间。前期设计大坝面板上游铺盖及盖重顶高程260m，最大填筑高度48.0m，填筑方量约22.5万m3。

2 铺盖优化缘由

涔天河扩建面板堆石坝面板上游铺盖处于老坝与新坝之间形成的一个45m高差的深基坑内，两岸为人工开挖形成的高陡边坡，基本不具备布置下基坑施工道路的条件，大型机械设备不能进出基坑，黏土铺盖及盖重料填筑施工难度非常大。工程运行后，如需对铺盖以下面板、趾板或周边缝止水进行检修，需揭开面板上的铺盖及盖重，将渣料运出基坑外，施工难度将更大。

涔天河水库工程设有放空设施，放空洞进口底板高程240m，上游老坝堰顶高程241m，扩建工程完全具备放空水库、排干老坝与新坝间基坑，检修下部面板或趾板的有利条件。从满足大坝检修需要的角度分析，降低上游铺盖填筑高度甚至取消是可行的。

另外，受老溢流坝泄洪冲刷影响，老坝下游形成了冲刷坑，堆石坝坝基上游河床高程低于下游河床高程，河床趾板基面高程212m，下游河床高程约218m，存在施工期面板反向水压力的问题。施工期河床趾板内埋设了反向排水管，蓄水前进行封堵，封堵前需在面板上形成一定的压重，保证面板在反向水压力作用下不发生失稳破坏，可见，完全取消上游盖重可能危及蓄水前上游面板安全。

根据面板堆石坝上游铺盖及盖重的作用机制，结合本工程实际情况分析认为，本工程大坝上游铺盖体型具备优化的条件。铺盖填筑高度减小后，面板及接缝止水受保护的范围减小，铺盖辅助防渗的功能减弱，但是方便施工，特别是为今后降低库水位检修下部面板及接缝止水创造了有利条件，利大于弊。

3 铺盖优化方案

3.1 思路

(1)上游面板存在反向水压力的问题，蓄水前反向排水系统封堵后可能危及面板安全，宜设置适当的盖重后才能封堵反压排水系统。

(2)大坝上游基坑施工道路布置困难，交通不便，铺盖填筑施工难度大，宜尽量减小铺盖及盖重填筑方量；水库蓄水后，面板坝若出现较强渗漏，可能需放空水库、排干上游基坑进行面板或接缝止水检修，大量铺盖及盖重料难以运出，宜尽量控制方量不需外运。

(3)面板垂直缝及周边缝缝面表层止水的盖板易老化破损，对更换、修复难度较大部位的面止水盖板增设辅助防渗层，对原铺盖以下面板及趾板增设防渗涂层，增强混凝土耐久性与防渗效果。

3.2 措施

3.2.1铺盖体型调整

根据面板在反向水压力作用下的稳定需要，并结合本工程基坑特点，考虑今后检修铺盖料转运平衡，拟定上游铺盖体型。

3.2.1.1 面板稳定需要

大坝河床段趾板建基面高程212m，大坝下游河床基岩面最低高程218m，河床建基面自上游至下游呈现逐步抬高的趋势，施工期面板或挤压边墙存在反向水压的问题，上游趾板下设置了反压排水系统。为了保证蓄水前反压排水封堵时面板的安全，在面板上游填筑一定体量的铺盖和盖重兼顾辅助防渗并解决施工期和运行检修期面板压重的问题是必要的。因此，根据下游水位及河床趾板建基面高程，在保证面板抗浮安全的前提下，计算确定上游铺盖及盖重填筑的最优体型。

3.2.1.2 运行期检修铺盖料倒运需要

面板上游基坑空间狭小，两岸地形陡峻，施工道路布置困难，不具备大型机械设备进出施工的条件，今后如果需要揭开铺盖检修面板，应尽可能做到铺盖及盖重料不需要外运出基坑，根据基坑现有容积及铺盖料自然稳定坡比要求，考虑将铺盖料揭开堆放于老坝坝趾附近，计算确定铺盖及盖重的填筑量。

3.2.1.3 铺盖材料选择

为了尽量减少铺盖及盖重填筑量，结合工地人工砂石料场的废料情况，铺盖采用粉细沙(粒径小于0.2mm)，盖重采用砂卵石(粒径4～8cm)，从老坝坝顶倾倒入仓和新坝坝面溜槽入仓、反铲平仓施工。

3.2.1.4 上游铺盖优化体型

根据上述原则确定面板上游防渗铺盖及盖重的填筑体型。防渗铺盖顶高程230m，顶宽3m，坡比1∶1.6；盖重顶宽3m，坡比1∶2.3,体型优化后粉细沙铺盖0.8万m3、砂卵石盖重1.5万m3。上游铺盖优化示意图如图1所示。

图1 上游铺盖优化示意图

3.2.2反向排水管封堵

大坝填筑施工期间，上游坝体内埋设了反向排水系统，通过趾板下4根排水管引至上游基坑，排水管端口设置拍门，施工期遇洪水基坑冲水时拍门自动关闭，汛后基坑水位下降到一定高度，拍门自动打开。该反向排水系统有效解决了施工期面板和挤压边墙承受反向水压力的问题。

水库蓄水前，反向排水管封堵方案如下：上游铺盖及盖重填筑时，排水管处按临时稳定坡比填筑以留出排水管封堵施工空间，盖重填筑到顶后，大坝下游量水堰截水墙220m高程的2个φ150排水孔打开，封堵上游反向排水管，再按设计最终轮廓线进行补坡完成盖重填筑，然后进行上游基坑充水，至上游水位高于228m后，关闭下游量水堰截水墙上的排水孔。

3.2.3辅助防渗措施

面板上游铺盖优化后铺盖保护范围降低至EL230m，铺盖以上面板及接缝止水缺少了辅助防渗铺盖的保护。为了减少放空库容检修面板及接缝止水的频次，加强死水位以下面板和接缝止水的保护、提高面板混凝土的耐久性，结合面板裂缝处理，对255m高程以下面板、趾板及接缝面止水上刮涂聚脲保护层。

聚脲涂层具有耐老化性能好、无毒、强度高、延伸率大、抗渗性能好，与基础混凝土黏结强度大、施工简单等特点，完全可以满足工程大坝面板辅助防渗的功能要求。

4 结 语

涔天河水库工程面板堆石坝上游铺盖的优化，铺盖填筑方量大大减少，施工难度大大降低，加快了施工进度；同时对原铺盖以下的面板和接缝止水涂刷聚脲进行辅助防渗，大大提高了面板混凝土和面止水材料的耐久性，提高大坝防渗性能，节省工程投资178万元，并为今后面板及接缝止水检修创造了有利条件。

水库自2016年12月下闸后开始蓄水，2017年4月库水位蓄至282m高程并维持该水位运行至今，已有一年有余，大坝各项监测指标正常，渗漏量很小(2～5L/s)。初期蓄水运行表明，大坝上游铺盖体型优化后防渗效果良好。

涔天河工程面板堆石坝最大坝高114m，坝体采用灰岩料填筑，在国内外面板坝工程中具有一定的代表性，采用减小上游铺盖及盖重体型的设计方案并付诸实践，方便了施工、节省了投资并为今后运行检修提供了便利，该设计思路和方案对类似工程具有一定的借鉴意义。