水布垭混凝土面板堆石坝主要技术创新及应用
2020-06-03熊泽斌曹艳辉
熊泽斌 曹艳辉
摘要：水布垭面板堆石坝最大坝高233.0m，为当前世界已建最高面板堆石坝。为确保大坝长期稳定运行，通过包括国家“九五”国家科技攻关等一系列的研究与实践，在筑坝材料性能及试验方法、坝体变形控制、防渗系统结构和材料、施工与质量控制、原型观测等方面取得了多项创新成果，并成功应用。水布垭工程形成的系统性超高面板坝筑坝技术，改变了面板坝仅靠经验和类比设计的模式。逾13。的运行监测表明，大坝最大沉降仅2.65m，最大渗漏量仅66L/s，大坝结构安全，运行状态良好。
关键词：面板堆石坝，变形控制，防渗结构，接缝止水，安全监测，水布垭水电站
中图法分类号：TV641.4文献标志码：A DOI：10.15974/j.enki.slsdkb.2020.02.008
1 概述
水布垭面板堆石坝为目前世界上已建成的最高面板坝，最大坝高233.0m。在工程立项时，当时已建最高面板坝为墨西哥阿瓜米尔帕（Aquamilpa）坝（187m），在没有200m级面板坝设计、施工规范和工程经验的条件下，要设计、建造一座233m高的世界最高面板坝，极具挑战性。需要解决超高面板坝设计理念、高应力条件下大坝填料力学特性、高面板坝变形控制技术、高性能面板混凝土、适应大变形的止水结构及高面板坝的新型监测手段等一系列重大技术难题。为此，经过国家“九五”科技攻关、工程前期设计科研和建设过程中的专项研究，取得了一批创新性成果并成功应用于工程实践，在面板坝筑坝材料性能及试验方法、坝体变形控制、防渗系统结构和材料、施工与质量控制、大坝性状监控及安全评价等方面均有重大创新和突破，形成了一整套超高面板坝筑坝关键技术。通过水布垭工程的实践，超高面板坝建设已形成了成熟的理论及成套的技术，并成功应用。水库蓄水运行13a来，大坝的监测结果表明大坝的应力、变形、渗漏量等各项性态指标均在设计控制范围内，大坝的工作状态安全，且运行良好。水布垭混凝土面板堆石坝成为中国面板坝建设领先于世界的标志性工程。
2 工程概况
水布垭水电站位于湖北省清江中游河段恩施州巴东县境内，是国家“十五”期间的重点建设项目，是清江干流梯级开发的龙头电站，水库正常蓄水位400.0m，死水位350.0m，水库总库容45.80亿m3，为多年调节水库，具有发电和防洪并兼顾其他综合利用等综合效益，是华中电网骨干调峰调频电站。水布垭坝址上距恩施市117km，下距清江第二梯级隔河岩水电站92km。枢纽主要由面板坝、右岸引水式地下厂房、左岸开敞式溢洪道和右岸放空洞组成。枢纽布置见图1。
水布垭钢筋混凝土面板堆石坝位于清江中游一段“S”形河道的腰部，大坝两侧岸坡总体上呈不对称的“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坝，最大坝高233.0m，最大坝前作用水头约200m，大坝抗震按Ⅶ度设防。大坝坝顶高程409.0m，坝顶宽度12m，坝轴线长675m。大坝上游坝坡1：1.4;下游设有“之”字型马道，马道宽4.5m，局部坝坡1：1.25，综合坝坡1：1.4。大坝堆石体填筑工程量1464万m3，上游铺盖62万m3，总体积1526万m3，混凝土面板面积13.7万m2，各类接缝总长12500m。大坝填筑于2006年10月上旬完成，水库于2006年10月中旬开始蓄水。
左岸开敞式溢洪道最大下泄流量为18280m3/s，相应单宽流量204m3/（s·m）。右岸引水式地下电站总装机容量1840MW（4x460MW），年平均发电量39.84亿kW·h。右岸放空洞最大挡水水头154m，最大操作水头110m，最大下泄流量1600m3/s。
3主要技术创新
水布垭面板坝被列入我国“九五”科技攻关的依托对象，在水布垭面板坝论证和建设过程中，建设各方对筑坝材料的性能及试验方法、坝体变形控制、大坝防渗系统结构和材料、施工与质量控制、大坝原型观测等进行了系统的研究论证，并成功应用于水布垭超高面板坝，形成了较为系统的高面板坝设计体系，有力推动了我国和世界面板坝建设的发展。
3.1 坝料性能及试验方法
（1）筑坝材料的工程特性研究。高应力下筑坝材料的选择及其工程特性研究是面板坝设计的基础。在国内外研究现状的基础上，对堆石料母岩的物理力学特性、爆破级配特性和堆石料的现场压实特性进行了研究，并对堆石料工程特性的試验方法进行了探索;在此基础上，对堆石料的工程特性系统性地进行了多年的试验研究，确定了堆石料的压缩特性、强度与变形特性、湿化特性以及堆石料与面板的接触特性等，并提出了相应的设计指标。
（2）对面板坝流变特性进行了系统研究。对堆石料的流变特性采用大型高压应力控制式三轴仪进行了系统性试验研究，首次提出了以下堆石料的流变规律：堆石料的流变量只与最终应力状态相关，与应力历史、本级的应力增量大小无关;在双对数坐标系下，“流变量”的时间曲线呈很好的线性关系。不同堆石材料在不同应力状态下的流变呈现相同规律，从而提出了堆石料的“九参数流变模型”及模型参数。
（3）首次在面板坝应力变形分析中引入了“面板子模型技术”。面板坝坝体的三维尺度远大于面板厚度，针对这一特殊结构形式，在面板坝的数值分析中首次引入“子模型法”，可合理模拟面板垂直缝、周边缝等接缝处的应力变形不连续性，并采用大部分范围内面板的法向应力约等于对应水头作用下的水压力作为判别面板坝数值分析成果是否合理的最低标准。“子模型法”在面板坝应力变形分析中的应用，使面板坝仿真计算又上了一个新台阶。
3.2 坝体变形控制技术
（1）首次提出“在控制各分区之间不均匀沉降变形的前提下可利用料利用最大化”的高面板坝坝体分区与坝料设计原则。具体如下：①坝料选择与碾压参数设计，应保证在仓面碾压后各填筑区之间变形协调，平行坝轴线方向堆石体变形连续（即不出现平行岸坡的裂缝）;②面板浇筑时，对应部位坝体的大变形已开始收敛，填筑料母岩长期稳定性好，坝体流变收敛速度快;③平行水流方向各填筑区填料应满足渗透稳定要求;④面板浇筑后，坝体变形应在止水结构所能适应的范围内;⑤大坝顶部范围坝体应具有足够的断面和刚度，以保证蓄水后坝体上游坡面不出现明显的拐点;⑥建筑物开挖可利用料利用最大化。
（2）首次采用“反抬法”对坝体预压控制变形。合理规划坝体的填筑工期与面板浇筑时机，坝体填筑沿坝轴线方向均匀上升;创造条件在顺水流向采用下游坝体先行上升的“反抬法”施工，使得浇筑面板时所对应的“临时坝体”有一定的预沉降期，保证坝体的大变形已开始收敛，以减小坝体后期变形对已浇面板的影响。
（3）首次提出分期面板浇筑前“坝体变形时空预沉降控制法”。面板浇筑时，面板顶部与“临时坝体”坝顶之间的高差应不小于15m，以减小坝体后期变形对已浇面板的影响。
面板浇筑时，如果面板顶部高程对应坝体的大变形过程未完成，面板浇筑后的坝体后期沉降变形可能会导致面板底部出现脱空，甚至面板出现断裂。为保证面板浇筑时对应的坝体大变形过程已完成，并避免出现大起伏波浪型坡面，水布垭面板坝同时采取了保证足够的预沉降时间和荷载预压这两项有效措施。
（4）首次对超高面板坝河床砂砾石覆盖层经强夯技术处理后予以保留。面板坝大坝基础处理一般清除松散料，以保证趾板及坝料与坝基间结合良好。水布垭面板坝坝基部位砂砾石覆盖层厚12.0-20m。为减小施工厂作量、加快施工进度并节省工程投资，在水利水电工程坝基处理施工中首次对坝体范围内的大部分覆盖层（约13万m3）进行强夯处理后予以保留。运行后的监测资料显示，覆盖层的最大变形仅9.8cm，说明坝基强夯处理的效果非常显著，为高面板坝的同类坝基处理开辟了一条新途径。
3.3 大坝防渗系统结构和材料
研究适应高水头和大变形的止水结构与材料，是解决超高面板坝筑坝的关键技术之一。接缝止水主要对周边缝接缝位移控制措施和适应大变形、高水头的止水结构与材料这两个方面进行研究。
（1）在接缝止水理念方面，首次提出了强化表层止水结构，表、中、底层止水结构各自自成一体，外设自愈系统，以及以防渗为主、兼有自愈功能的多重止水和限漏的新理念。
（2）研制了适应大变形、具备自愈功能的新型止水结构体系。研究提出了一种新型的强化表层止水的周边缝止水系统（见图2），并采用三维超载模型试验探讨了其在高水頭作用下的止水性能。试验成果表明，在270m水头作用下，周边缝出现张开50mm、剪切50mm、沉降100mm的变形时，稳压11d也未渗漏。该止水系统作为专门为水布垭工程特别研制的新型止水系统，列入了国家“九五”科技攻关，并经福建芹山面板坝（最大坝高122m）试检验后，成功运用于水布垭工程。
（3）周边缝顶部止水采用波形止水结构，确保在高水头、大变形作用下周边缝止水结构具有良好的密封性能。
（4）首次在面板上设置永久水平缝，显著提高面板适应变形能力。在高程332.0m处的面板设置了一条永久水平缝，采用与面板垂直缝相同的结构型式，即设置顶、底两道止水，钢筋过缝，缝内嵌填隔缝材料，这一措施有效降低了面板的顺坡向应力，从而减少了面板裂缝。面板永久水平缝示意见图3。
（5）创新应用“标准板+防渗板”新型趾板结构型式。水布垭坝址河谷狭窄，谷坡高陡，如果采用常规趾板布置型式将会产生较大的开挖量并增加施工难度。经研究论证，大坝趾板结构首次采用了“标准板+防渗板”的新型结构，将防渗板内置于趾板下游坝体以内，此项措施节省趾板上游边坡开挖工程量约20万m3，同时大大加快了施工进度。
3.4 大坝施工与质量控制技术
作为世界上最高的混凝土面板堆石坝，水布垭面板坝填筑分区种类多、工程量大（约1570万m3）、月填筑强度大（最高约70万m3/月）、施工相互干扰多，具有工程质量标准高、大坝施工工艺复杂、过程控制难度大和创新技术质量控制难度大等特点，为保证了程的质量和工期，采用了一整套先进的大坝施工及质量控制技术。
（1）研发并应用多维动态高强度土石方调配系统，实现了大坝填筑高强度连续均衡上升。以建筑物开挖可利用料的利用最大化、中转最小化为核心原则进行土石方平衡，以经济最优为原则进行场内道路规划和料物调配，以对环境影响最小为原则进行料场优化，通过动态优化坝体填筑料的料源、料型、道路和填筑区多维度复杂系统，实现了建筑物开挖可利用料的充分利用。
大坝施工过程中，经优化论证，在溢洪道引水渠设计底板高程以下继续扩挖40m取灰岩料作为上坝料，这一项措施共减少从料场取料400万m3，取得了显著的经济和环保效益;充分利用地形条件，在两岸的4个高程精巧布设施工道路，并在高程350m开挖一条直通溢洪道的临时交通洞，解决了高程350m至高程380m坝体上料的难题，实现了大坝填筑的高强度连续均衡上升。
（2）研制发明了止水铜片整体连续滚压成型机，实现了141m长止水带连续无焊点;采取在工厂整体一次冲压成型的铜止水接头，保证了质量，提高了运行可靠性。超长止水铜片整体连续滚压成型机能够根据止水铜片需要的长度，在现场连续整体加工，减少和避免了中间焊点这一薄弱环节;采用整体冲压成型工艺在工厂制作L型、十字型和T型铜止水接头，有效解决了铜止水接头整体成型的技术难点，提高了止水系统运行的可靠性。
（3）引入、改进并完善挤压边墙施工技术。传统施工工艺中，垫层料采用斜坡碾压，实施挤压边墙技术后，可使垫层料的施工调整为垂直碾压，降低施工难度，加快施工进度。水布垭工程开展了专门的挤压边墙三维仿真研究和室内配合比试验，并在应用中加以改进和完善，创新提出挤压边墙结构性状（渗透、强度）应在面板与垫层间起过渡作用，挤压边墙材料须具有低强度、低弹模、半透水等特点;创造性地提出将边墙结构与面板垂直缝同缝切断，这一措施减少了挤压边墙对面板的约束，有效保障了面板长期稳定安全运行。
（4）首次自主研发了大坝碾压GPS高精度实时监控系统，在大坝填筑施工过程中，监控振动碾的碾压遍数、行走轨迹及行走速度，实现了坝体填筑碾压施工的实时、连续和自动控制，有效地监控和保障了大坝的填筑质量，同时大幅降低了现场工作人员的劳动强度，提高了施工效率。
（5）采用附加质量法对坝体填筑密度进行快速检测。水布垭面板坝填筑质量要求高，施工质量控制难度大。采用试坑法检测堆石体质量速度慢，对大坝快速施工有一定影响，为了增加堆石体密度的检测频次，同时又不影响大坝施工，在坝体质量检测方法中引入了附加质量法作为质量控制的快速检测方法，配合传统的试坑法，较好地满足了大坝施工质量检测的需要，取得了良好的使用效果。
3.5 大坝原型观测技术
在面板坝的发展过程中，安全监测越来越受到重视，大坝坝高的增加对安全监测技术和仪器也提出了更高的要求，一些传统的监测技术或仪器已很难适应。通过自主研发，充分利用自动化遥测遥控和光纤光栅技术，水布垭大坝采用了一批安全监测新技术，实现了对大坝全面、动态的监控。
（1）首次采用光纤陀螺仪技术监测面板挠度变形和坝体水平垂直位移。面板挠度随面板长度的增加而增大，水布垭大坝的面板最长约400m，面板挠度监测问题十分突出。因此，为解决水布垭超高面板堆石坝的面板挠度监测难题，自主研发了一套光纤陀螺挠度监测系统，并首次沿面板顺坡向布设，对面板挠度实施高精度、连续监测，克服了传统测斜仪监测精度低、测点不连续的不足。
在高程371m布设一套坝体水平垂直位移监测系统，对坝体沉降实施高精度、连续监测，以及对水平位移实施高精度、密分布监测，有效克服了传统水平垂直位移计监测点不连续的不足。
（2）研制并應用了520m级超长遥测遥控水平垂直位移计。为了解决水布垭面板堆石坝观测范围大、精度要求高的难题，研制并应用了520m级超长遥测遥控水平垂直位移计，可以观测520m范围内的坝体变形，水平位移测量分辨率达到了0.1mm，垂直位移测量分辨率达到了0.04mm;水平和垂直位移测量的准确度分别达到10mm与0.5mm，并已实现全过程遥控遥测，保证了原型观测的连续性与及时性。
（3）自主研发光纤光栅测温系统进行周边缝渗漏监测。为全面监测超高面板堆石坝周边缝的渗漏情况，通过研究渗流场与温度场的对应关系，并利用光纤光栅的优势，自主研发了准分布式光纤光栅测温系统，并首次沿周边缝布设，对周边缝的渗漏实现了连续监测，并对面板坝周边缝的渗漏点进行定位。
4 结语
水布垭工程形成的系统性超高面板坝筑坝技术，改变了混凝土面板堆石坝仅靠经验和类比设计的模式，为未来更高的超高面板坝发展奠定了良好的基础，项目研究成果正作为中国工程院等单位开展的《300m级高面板堆石坝适应性及对策研究》课题的重要支撑，其开放式的研究体制和成果共享机制，也为国内外近期建设的芹山、洪家渡、三板溪和巴昆等一批高面板坝提供了重要技术支持。逾13a的运行监测表明，大坝最大沉降仅2.65m，最大渗漏量仅66L/s，大坝结构安全，运行状态良好。
