基于监测数据的水布垭面板堆石坝变形控制技术分析
2020-08-13杨启贵徐琨贡建兵
杨启贵 徐琨 贡建兵
摘要：水布垭工程是中国面板坝建设技术领先于世界的标志性工程，运行至今已产生了显著的经济效益。介绍了水布垭大坝变形控制技术创新，主要包括坝料分区设计、大坝填筑程序、基础处理、坝体填筑质量实时监控等。分析水库蓄水后13a的实测资料表明，大坝变形性态良好，变形控制技术科学有效。这些技术成就对后续高面板坝建设具有良好的示范与借鉴作用。
关键词：高面板坝;坝体变形控制技术;实测数据;水布垭工程
中图法分类号：TV148 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.001
文章编号：1006-0081（2020）01-0001-06
1 概述
世界第一高混凝土面板堆石坝——水布垭大坝位于湖北巴东。该坝曾荣获众多殊荣，时任国际大坝委员会主席博格先生称赞“水布垭工程是中国混凝土面板坝建设领先于世界的标志性工程”;2008年，“水布垭大坝筑坝技术”获得湖北省科学技术进步奖特等奖;2009年，国际大坝委员会授予水布垭大坝“混凝土面板堆石坝里程碑工程”荣誉称号;2009年，“湖北清江水布垭水电站工程”获第九届中国土工工程詹天佑奖;2010年，“水布垭超高面板堆石坝筑坝关键技术及应用”荣获国家科学技术进步奖二等奖;2014年，“水布垭水电站工程”获国际工程咨询协会工程项目优秀奖。水布垭最大坝高横断面示意和面板上游立视见图1。
水布垭大坝最大坝高233m，坝顶高程409.0m，水库正常蓄水位400.0m，其坝型论证始于1993年初。1994年底，水布垭工程通过预可行性研究审查，坝型确定为高土石坝方案;1999年4月，可行性研究报告审查时确定建设混凝土面板堆石坝（以下简称“面板坝”）：2001年1月，工程开工建设：2003年1月，大坝开始填筑;2006年10月，大坝坝体填筑至高程405.00m，工程通过蓄水验收，水库开始蓄水;2007年7月，首台机组发电：2008年7月，完成 大坝坝顶409.0m以下填筑和坝顶公路施工，大坝全面完工;2008年9月，4台机组全部投产;2008年11月2日，水库达到最高水位399.51m，大坝经受水库正常蓄水运行考验;2018年12月26日，水布垭水电站通过竣工验收。
水布垭大坝开始论证坝型时，中国尚无面板坝设计、施工规范可循，国内外也没有坝高超过200m面板坝的建设经验。当时世界最高的面板坝是墨西哥阿瓜密尔帕，坝高187m，1994年建成;国内最高的面板坝是天生桥一级水电站大坝，坝高178m，1993年开工建设。水布垭面板坝能否从当时的最大坝高一次性上升近50m，面临着大坝填筑材料性能認知、坝体变形控制、高性能面板混凝土配制、大变形止水结构研发等一系列筑坝技术难题。
本文依据水布垭面板坝长历时监测资料，从坝料分区设计、大坝填筑程序、基础处理、坝体填筑质量实时监控等方面，分析总结水布垭面板坝变形控制技术。
2 坝料分区设计
坝体填筑料的岩性、可压实性及坝体填筑料的分区是面板坝坝体变形控制的基础。坝体过量变形可能导致面板裂缝和结构缝止水破坏，引起防渗系统破坏，危及大坝正常运行与安全。
堆石坝由粗砾料填筑而成，在自重和水压力作用下，不可避免地发生变形;若进一步增加坝高而不采用新的技术措施，其变形量会达到使面板结构不能适应的程度川。阿瓜密尔帕面板坝上游主堆石区采用砂砾石料，下游次堆石区采用建筑物的开挖料，两者的变形模量相差数倍，由此造成了坝体上下游变形不协调，面板出现很多裂缝，在距坝顶50m附近出现一条长16m、宽15mm的水平拉伸裂缝。天生桥一级面板坝运行过程中出现了面板严重裂缝及挤压破坏等现象[2]。
水布垭大坝填筑方量1570万m3，除利用建筑物开挖料外，还需要从料场开采大量灰岩料。如何充分利用建筑物开挖料降低工程造价，又能使大坝变形在防渗系统安全运行范围内，需结合坝体各部位受力条件、填筑料来源进行坝体分区和填筑施工参数的设计。
2.1 坝料分区设计原则及措施
水布垭大坝设计时，系统总结了已有面板坝建设的经验教训，依据“九五”国家科技攻关成果，提出了“在控制各分区之间不均匀沉降变形的前提下，建筑物开挖料利用最大化”的坝体分区设计原则[3-5]。主要措施包括：
（1）主次堆石区的分界面宜从坝轴线处向下游倾斜，以减少次堆石区的变形对上游防渗体的影响;
（2）大坝上部应保证足够的断面和刚度，使其在承受水荷载时上游坝坡形态不出现面板不能适应的拐点;
（3）坝体与两岸岸坡接触部位，应整修坡形，设置变形协调区，以保证在狭窄河谷中坝体沿坝轴向的变形协调;
（4）主次堆石区填筑材料的变形特性不宜相差太大，碾压施工参数应基本相同，使用大功率的振动碾使碾压后的堆石孔隙率控制在20%左右。
2.2 主次堆石区分界面
水布垭面板坝设计之初，业界传统观点认为，位于坝体上游侧的主堆石区是水荷载的主要支撑体，位于坝体下游侧的次堆石区运行性态对面板安全影响轻微，为减少主堆石料填筑方量，主堆石区与次堆石区分界面多倾向上游。SL228-1998《混凝土面板堆石坝设计规范》也未对主次堆石区分界面做出明确规定。
这种分界设计是否适用于高面板堆石坝需要论证。为此，水布垭大坝设计时进行了堆石坝体分区专题研究，模拟分析表明：主次堆石区分界面位置的不同对坝体沉降、接缝变形产生的影响不能忽视。其中，影响最大的是坝体沉降，当主次堆石区分界面由倾向坝轴线下游1：0.2改为倾向坝轴线上游1：0.2时（见图2），坝体在水库蓄水期的最大沉降增加约18%[6]。其他高面板坝也得出了类似结论，即对于高面板坝，主次堆石区的分界面宜向下游侧倾斜。笔者在负责修编SL228-2013《混凝土面板堆石坝设计规范》时吸收了这一成果，规范中规定“坝高150m以上的高坝，主堆石区与次堆石区的分界面宜倾向下游”。
2.3 次堆石区填筑质量
水布垭大坝建设之前，一般认为次堆石区不直接承受水压力的作用，其变形对面板的影响较小，可以降低次堆石区料源质量和施工控制参数要求。随着面板坝坝高的增加，特别是阿瓜密尔帕与天生桥一级的实践证明，这种观点对高面板坝不完全适用，尤其对超高面板坝已不适用，主要原因在于次游堆石区的变形将影响主次堆石区的变形协调，尤其是导致主堆石区水平位移的增加，进而影响面板和止水的安全。
为降低次堆石区变形的影响，水布垭坝体各区填筑料的压实控制指标达到了当时已建工程中的一流水平，如表1所示。主堆石料压实孔隙率要求小于20%，次堆石料压实孔隙率接近20%。碾压层厚与碾压参数主、次堆石区要求相同，碾压机具选择25t自行振动碾。
蓄水稳定期，水布垭大坝最大坝高断面在2011年1月至2015年12月间的实测沉降增量分布如图3所示，各测点沉降增量主要发生在坝体中上部;沉降增量最大值在次堆石区上部。由此可知，次堆石区的后期变形相对较大，设计时应采取措施减少后期沉降;水布垭大坝设计时提高次堆石区填筑施工参数是必要的。水布垭大坝主次堆石区碾压参数的设计经验对此后建设的面板坝起到了借鉴作用。
3 大坝填筑程序
由于高面板坝填筑方量大、工期长，为满足施工期临时度汛的要求，兼顾施工的均衡性，一般将坝体填筑分成不同区域、时段进行分期。但是，粗粒料为非弹性材料，不同的填筑施工程序对坝体、进而对面板的应力变形会产生不同的影响。科学的施工程序对减少面板的危害成效显著。水布垭大坝填筑施工遵循的基本原则[3-5]主要包括：
（1）坝体填筑面尽可能均匀上升，使堆石体变形连续;因度汛需要形成的坝体临时断面，控制上、下游高差在45m范围内;
（2）合理规划坝体填筑与面板浇筑时机，面板浇筑时，面板顶部与临时坝顶之间的高差控制在15m以上，并保证“临时坝体”相对分期浇筑的面板有必要的预沉降期，以减小或避免面板后的脱空;
（3）有条件时，坝体下游区的填筑可先于上游区（“反抬法”），以减小下游坝体变形对上游坝面的影响。
水布垭大坝填筑过程中，采用了“反抬法”填筑。面板实际分3期浇筑，面板浇筑时临时坝体超高10～20m，对应部位坝体填筑料有3～6个月的预沉降期。这些措施有效降低了坝体沉降对面板的不利影响，实测施工期面板与挤压边墙的脱空在0.1-14.2mm，最大脱空35.2mm，面板脱空相对此前的类似工程有显著改善;对存在的面板脱空，施工期通过面板顶部对脱空面进行了灌浆处理。水库蓄水后，面板和挤压边墙贴合紧密，最大脱空仅1.0mm['1。
经过实践检验证实，水布垭面板坝的填筑施工程序是科学合理的，也为SL228-1998《混凝土面板堆石坝设计规范》修订积累了经验。2013版规范规定，临时断面填筑高差不宜大于40m、填筑超高宜为5～20m，并对预沉降期也做出了规定。
4 基础处理
面板坝对地基的要求总体较低，但若不重视，仍会直接或间接导致防渗体失效。岸坡形态能否满足堆石体在沉降变形时不脱开、河床是否存在影响坝体稳定或变形能力强的沉积物等是面板坝基础处理需要考虑的间题。水布垭大坝两岸岸坡陡峻，河床存在覆盖层，坝基存在规模较大的岩溶洞穴，以及多层剪切带和多条断层，基础处理的重点是趾板基础处理、岸坡地形处理和河床覆盖层处理。
4.1 趾板基础处理
趾板基础处理的重点主要是断层破碎带、裂隙密集带、层间剪切带、溶蚀风化带、强卸荷带及岩溶洞穴等地质缺陷。主要措施如下[4]：
（1）对倾角较陡的断层破碎带及软弱岩层开挖回填处理：开挖深度大于1.5倍断层及夹泥层宽度，且不小于1m，开挖宽度大于断层宽度，回填混凝土的表面铺设限裂钢筋;
（2）对倾角较小或基本呈水平状的断层及剪切带开挖回填处理：开挖后保证上部覆盖岩体厚度不小于 1.0～1.5m，若为软弱型断层或剪切带，则继续掏挖，掏挖深度大于I倍宽度，且不小于50cm，开挖完成后回填混凝土，深度较大时表面铺设限裂钢筋;
（3）对趾板及防渗板范围内的溶洞，采用人工进行追踪开挖、彻底清除洞内填充物，并回填混凝土和灌浆处理。
趾板建基面验收时，以地质宏观判斷为主，再辅以声波及地震波等检测方法，进行建基岩体质量评价。通过地质缺陷处理，并经过全面固结灌浆后，趾板建基岩体质量满足要求。两岸及河床趾板检测结果如表2所示。
4.2 岸坡地形处理
根据坝体应力变形特点，区分坝体的不同分区，分别采用坡面整修、不利地形改造、设置混凝土回填补坡区、设置特殊碾压区等，尽可能减少坝体因地形差异产生的不均匀沉降。
4.3 河床覆盖层处理
传统的做法是清除。水布娅坝址处河床覆盖层一般厚度12.0～14.42m，最大厚度20m。覆盖层部分位置分布有含砂砾粉土、黏土透镜体，在坝子沟沟口还分布有洪积扇。通过综合分析覆盖层性状及坝体结构对基础的要求，实施了覆盖层部分挖除、部分保留的方案[4，8]：
（1）趾板区覆盖层全部挖除;
（2）为防止后期发生较大沉陷和影响坝体稳定，挖除主堆石区范围洪积扇、含砂砾粉土、黏土透镜体;
（3）下游RCC围堰为坝体的一部分，其基础及下游坝坡邻近范围挖除覆盖层至基岩;
（4）确定的覆盖层保留区，采取强夯加固处理提高密实性。
覆盖层保留区面积约1.4万2m，体积约13万m33。强夯处理施工前，进行了现场强夯试验。实际施工时的关键技术要求包括[4，8]：
（1）强夯处理后，砂卵石层的干密度不小于2.15g/cm3，强夯最后两击相对沉降量不大于5cm，强夯后底面最终沉降量不小于表3中的控制标准。
（2）夯击能不小于300tm，夯点间距为3.5～4m，平均击数为9击。分3序间隔施工：I序夯点用1.5m直径左右的冲击锤施工，击数10击;2序夯点用直径2m左右平锤施工，击数8击;3序满夯。
强夯实施后，覆盖层平均夯沉量为40～60cm，显著提高了其密实度。
大坝填筑前，为长期监测覆盖层的沉降量，在最大坝高断面的坝基覆盖层顶部埋设了5个沉降位移计，如图4所示。由图4中各测点沉降变化过程可知，覆盖层沉降主要发生于2005年之前，之后沉降逐渐趋于稳定，2007年后基本无变化;最大沉降位于5号测点，截至2015年12月31日沉降量为100.27mm。监测资料表明，水布垭坝基覆盖层的处理效果显著。
水布垭坝基采用强夯处理覆盖层，不仅减少了坝体填筑量，节省了投资，更为重要的是为面板坝施工工期最紧张的截流后第一个枯水期赢得了宝贵的时间，保障了工程度汛安全，为高面板坝的同类坝基处理开辟了一条新途径。
5 坝体填筑质量实时监控
水布垭大坝填筑碾压质量采用干密度和碾压遍数“双控制”。传统的坝体填筑质量监测控制方法是采用人工试坑注水法检测填筑料干密度，碾压遍数由作业人员现场点数，存在劳动强度大、检测速度慢、测点不连续、监测效率低、易人为出错、耗资巨大且具有破坏性等不足。
在传统方法的基础上，水布垭大坝的填筑施工质量控制，增加了实时过程控制措施。主要包括：
（1）在坝体填筑的前期，引进并改进了附加质量检测法用于检测干密度[9]。由于附加质量法检测速度快、不影响仓面的碾压施工且为无损伤式探测方法，该方法做到了全部单元工程的全部检测。
2002年11月至2003年1月，附加质量检测法首先在水布垭堆石料场进行了试验，2003年3月正式投人实际生产中[10]。SL 49-2015《混凝土面板堆石坝施工规范》将附加质量法列为坝料填筑质量检测方法之一，目前该方法已被广泛应用于堆石坝的坝体填筑质量检测中。
（2）在坝体填筑中后期，创新性地研制了GPS高精度实时过程监测系统[11，12]。该系统实现了对振动碾的碾压遍数、行走轨迹及行走速度实时监控，在大幅度降低现场施工和监理人员劳动强度、提高施工效率的同时，有效监控和保障了大坝填筑质量。
GPS高精度实时过程监测系统于2002年开始研制及调试，2004年开始试用，2005年后成為水布娅大坝填筑质量过程控制的主要手段。目前基于GPS，以跟踪碾压参数的坝体填筑质量控制技术已得到了广泛应用[13-16]，并将成为人工智能施工技术的一部分。
6 大坝运行状态
6.1 坝体最大沉降
截至2019年6月30日，水布垭大坝的最大沉降测点位于大坝次堆石区上部。该部位安全监测仪器于2006年5月19日起测，沉降过程如图5所示，大坝最大沉降2643.5mm，为坝高的1.13%，坝体变形已逐渐稳定，证实变形控制技术成效显著。
6.2 渗漏量
水布垭大坝在下游坝脚布置了矩形量水堰测量渗漏量。量水堰监测的流量包括坝基渗水、面板渗水及面板下游坝体区域雨水。
2010年10月，水布垭大坝运行管理单位对量水堰进行了改造和全面厘定，并开始采用自动化系统观测。表4所示为2010年10月以后大坝实测渗漏量分年特征值的统计成果[7]。表中数据已剔除了较大降雨时段的观测数据。实测渗漏量在13.03～81.17L/s之间，2011年11月14日库水位396.7m时渗漏量最大。由表4可知，渗漏量主要与库水位相关。文献[1]]详尽对比了国内外面板堆石坝的实测渗漏量，将国内外34个面板坝工程按渗漏量分成渗漏量偏大、渗漏量较小、渗漏量小3个类别，水布垭大坝属渗漏量小的类别，表明水布垭大坝防渗质量良好，防渗体系可靠，也证实了大坝变形控制成效良好。
7 结语
自2006年10月水布垭大坝开始挡水以来，13a的运行数据表明，大坝变形性态良好，证实了一系列筑坝技术难题解决方案的正确性。同时，水布垭大坝的建设经验对此后建设的高面板坝起到了良好的指导作用，为世界面板坝的发展作出了贡献。
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（编辑：唐湘茜）
收稿日期：2019-10-30
基金项目：2018年度湖北省联合培养博士后青年创新人才项目（第一批）
作者简介：杨启贵，男，全国工程勘察设计大师，教授级高级工程师，主要从事水工结构与岩土工程设计与科研工作。E-mail：yangqigui@cjwsjy.com.cn
