淺議面板堆石壩設(shè)計(jì)科研與施工技術(shù)的進(jìn)步

黃繼平（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢430071）

淺議面板堆石壩設(shè)計(jì)科研與施工技術(shù)的進(jìn)步

黃繼平（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢430071）

在中國(guó)面板堆石壩發(fā)展30年之際，本文編輯了擇錄了中國(guó)面板壩發(fā)展水平結(jié)合工程實(shí)列，歸納了高面板壩，軟巖做壩方面的經(jīng)驗(yàn)，提出了其安全性與控制標(biāo)準(zhǔn)、滲流量控制，壩基防滲墻設(shè)計(jì)指標(biāo)；面板防裂先決條件是改善混凝土內(nèi)在品質(zhì)而非外加纖維；抗震標(biāo)準(zhǔn)與措施；施工與科研技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)了中國(guó)面板堆壩的進(jìn)步與發(fā)展。

混凝土面板堆石壩壩型；安全性控制標(biāo)準(zhǔn)建立；滲流控制；抗震標(biāo)準(zhǔn)；施工的進(jìn)步與發(fā)展

1 高面板堆石壩建設(shè)發(fā)展水平

中國(guó)從1985年開(kāi)始用現(xiàn)代技術(shù)修建混凝土面板堆石壩，目前已是31年歷程。通過(guò)引進(jìn)、實(shí)踐、研究、開(kāi)發(fā)，其安全性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性良好的優(yōu)越性已在壩工界取得共識(shí)，在壩型比較中處于較有利的地位，但也出現(xiàn)了一些不適應(yīng)面板堆石壩而適應(yīng)心墻壩的深坡積層強(qiáng)風(fēng)化地層盲目采用面板壩的不良現(xiàn)象。

中國(guó)國(guó)土面積廣袤，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，高差起伏劇烈，南北跨越緯度范圍大，氣象條件相差極大，所以涵蓋了所有面板堆石壩類型。

截至2014年據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外擬建、在建和已建的混凝土面板堆石壩約620座，我國(guó)約305座，占50%，其中100級(jí)以上高壩約90座，我國(guó)已成為名副其實(shí)的混凝土面板壩大國(guó)。我國(guó)混凝土面板堆石壩工程已經(jīng)歷近30年的建設(shè)歷程，尤其在近10年，計(jì)和建成了20多座150m級(jí)及以上的高壩，其建設(shè)范圍涉及多種地形地質(zhì)和氣侯條件，無(wú)論是筑壩數(shù)量、大壩高度和規(guī)模，還是技術(shù)創(chuàng)新能力都處于世界領(lǐng)先水平。

工程運(yùn)行檢驗(yàn)表明，中國(guó)已建的150～200m級(jí)面板堆石壩運(yùn)行良好，堆石壩體沉降值為壩高的0.6～1.2%，一般為壩高的1%，沙礫壩為主的填筑壩體為最大壩高的0.5～0.8%；由于壩料混合、填筑次序、壓實(shí)密度等原因，天生橋的沉降率達(dá)到壩高的2%，根據(jù)水布埡2014年底統(tǒng)計(jì)資料，最大沉降量262cm，占?jí)胃叩?.1%，和洪家渡水電站壩體沉降2013年135.6cm，占?jí)胃叩?.755%的監(jiān)測(cè)資料分析。

2 高凝土面板堆石壩安全性設(shè)計(jì)與控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1 填筑標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定堆石料以碾壓參數(shù)和孔隙率兩種參數(shù)作為施工填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)了灘坑、平寨、珊溪等7座150m級(jí)高面板壩主堆石區(qū)填筑孔隙率，上游區(qū)20%，下游堆石區(qū)約等于20～22%，過(guò)渡區(qū)17～19%，墊層區(qū)17～18%。砂礫石料以相對(duì)密度作為施工填筑標(biāo)準(zhǔn)。采用不小于25t自行式振動(dòng)碾，沙礫石料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為Dr=0.85～0.9，如近期近期建設(shè)的卡拉貝利，壩高91m，阿爾塔什，壩高164.8m，沙礫石填筑標(biāo)準(zhǔn)大于或等于0.85。

水利行業(yè)對(duì)硬巖堆石料及砂礫石料的規(guī)定：當(dāng)現(xiàn)高小于150m，砂礫石料相對(duì)密度Dr=0.75～0.85，控制墊層料孔隙率n=15～20%；過(guò)渡料n=18～22%，上游堆石料n=20～24%，下游堆石料n=21～26%；當(dāng)200m＞壩高≥150m，砂礫石料相對(duì)密度Dr=0.85～0.90，墊層料孔隙率n=15～18%；過(guò)渡料n=18～20%，上游堆石料n=15～20%，下游堆石料n=19～22%。水利行業(yè)在150m級(jí)別以上高壩填筑標(biāo)準(zhǔn)整體上高于電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。水利行業(yè)面板堆壩設(shè)計(jì)規(guī)范中，規(guī)定軟巖堆石料的設(shè)計(jì)指標(biāo)和填筑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按工程類比確定，對(duì)于100級(jí)面板堆壩軟質(zhì)巖上游堆石區(qū)控制在n=18～22%，下游堆石區(qū)n=18～23%。實(shí)際建設(shè)中根據(jù)料場(chǎng)巖石物理特性結(jié)合生產(chǎn)的碾壓試驗(yàn)要不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù)。

2.2 面板結(jié)構(gòu)

根據(jù)目前已建工程資料，防止壩體變形引起的面板結(jié)構(gòu)性裂縫、擠壓破壞，斷裂、塌陷最為關(guān)鍵；增強(qiáng)面板自身防裂能力的合理混凝土級(jí)配同樣重要。小溪口面板堆石壩采用大冶組薄層灰?guī)r堆石填筑，沉降量小，面板混凝土水泥進(jìn)行改良，根據(jù)水泥物理化學(xué)特性，增加早期強(qiáng)度物質(zhì)含量，降低晚期強(qiáng)度的三氧化硅含量，通過(guò)溫控計(jì)算，使其7d水化熱溫升產(chǎn)生的拉應(yīng)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沒(méi)有一條裂縫發(fā)生。

實(shí)踐證明：改變混凝土內(nèi)在品質(zhì)比參纖維更為優(yōu)化混凝土的品質(zhì)，參纖維只能將面板的較大裂縫縮減為多條較細(xì)裂縫，混凝土內(nèi)在自身品質(zhì)沒(méi)有得到根本改善。實(shí)際上是一條輔助措施。

預(yù)防混凝土面板產(chǎn)生溫度與乾縮性裂縫已經(jīng)形成系統(tǒng)技術(shù)措施。優(yōu)化混凝土配比；注重減小墊層對(duì)面板的約束，強(qiáng)調(diào)混凝土的養(yǎng)護(hù)；將垂直縫間增加柔性填料，增加可變形的能力，減低面板的擠壓應(yīng)力；增加頂部面板厚度，將30cm增厚到40cm，這些措施提高了面板與基礎(chǔ)變形的協(xié)調(diào)能力，防止及減少了面板裂縫發(fā)生。

2.3 壩體分區(qū)與壩料選用

壩料分區(qū)的原則是充分利用當(dāng)?shù)夭牧希瑯屑~開(kāi)挖料，做到壩體穩(wěn)定，滲流穩(wěn)定和變形在安全范圍內(nèi)，并與面板變形協(xié)調(diào)，達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的。實(shí)踐證明，下游堆石體變形會(huì)影響到面板堆石壩性狀，由于變形與壩高關(guān)系密切，超高面板堆石壩要求嚴(yán)格控制變形量與不均勻變形；好壩料富裕時(shí)，應(yīng)該盡量擴(kuò)大上游堆石區(qū)范圍，堆石分界線應(yīng)以一定坡度傾向下游，不少于1：0.2；下游堆石區(qū)范圍越小，面板橈度越小，減低下游堆石頂部高度有利減小面板橈度。但最重要的橈度控制莫過(guò)于墊層料與過(guò)度料的孔隙率控制，上游堆石質(zhì)量對(duì)橈度影響也大于下游堆石區(qū)。

下游堆石也應(yīng)壓實(shí)到較高密度，減小上下游模量差值；將沙礫石料置于上游和中心部位的高應(yīng)力區(qū)，利用其高模量減少變形。

3 滲流與滲漏控制評(píng)價(jià)

隨著中國(guó)150m級(jí)面板壩數(shù)量增加，近年來(lái)大壩防滲體破壞滲漏處理情況時(shí)有發(fā)生，有必要對(duì)其深入研究對(duì)大壩滲流及過(guò)程狀態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)?；炷撩姘鍓螡B流穩(wěn)定的基本要求是所有滲流出逸比降均應(yīng)在材料的允許比降之內(nèi)?？刂拼胧┌ǎ汉侠聿牧戏謪^(qū)互為反濾關(guān)系設(shè)計(jì)，防滲體發(fā)生裂縫和自愈功能的考慮，排水和壩下游防止顆粒移動(dòng)措施等?，F(xiàn)行規(guī)范沒(méi)有關(guān)于滲流量的具體要求，根據(jù)工程規(guī)模，以滲流量不明顯影響工程安全與效益考量。所以管道性滲漏是必須處理的。

面板堆石壩滲流量大小一直是工程界關(guān)注的工程安全問(wèn)題。目前用滲漏量級(jí)別評(píng)價(jià)沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但滲流量過(guò)大和滲流水質(zhì)異常和突變可以反映面板壩防滲體系工作狀態(tài)，對(duì)此國(guó)內(nèi)外分歧較大。中國(guó)各水行政主管部門(mén)對(duì)此判別較為嚴(yán)格。

4 深覆蓋層面板堆石壩

4.1 防滲墻指標(biāo)

防滲墻一般采用垂直等厚形式，并與兩岸巖體嵌固封閉連接帷幕，嵌入巖體不少于墻厚的0.8倍。墻體指標(biāo)根據(jù)工程等級(jí)，水深、經(jīng)必要分析比較而定。對(duì)較均質(zhì)低彈摸、層間模量不大的地基，可選擇低強(qiáng)度混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)C10～C15；當(dāng)?shù)鼗貙訌?fù)雜、物料分布不均、水力梯度較大（中、高壩）應(yīng)當(dāng)選擇C20～C30。一般采用全斷面配筋。尤其是兩岸鏈接部位，應(yīng)力較大，雙層鋼筋時(shí)必須的。但墻體一般沒(méi)有設(shè)置止水設(shè)施，僅靠墻間連接。

4.2 墻體結(jié)構(gòu)與地基變形關(guān)系

防滲墻允許的水力梯度（70～90）確定墻體厚度，實(shí)際設(shè)計(jì)中一般根據(jù)工程類比，高壩防滲墻厚度多在80～1.2m，最大墻深可達(dá)150m，在建吐魯番大河沿水庫(kù)基礎(chǔ)防滲墻最大深度175m，設(shè)計(jì)墻厚1.0m；在建的阿爾塔什面板壩覆蓋層深93m，壩基采用一道厚1.2m全封閉垂直混凝土防滲墻。

河南黃河河口村面板堆石壩，深覆蓋層厚達(dá)30余m，其中泥化夾層6層，最厚一層達(dá)12m，其他在0.5～1.0m之間，在防滲墻前后采用高噴灌漿給予地基加強(qiáng)處理。類似深覆蓋層面板堆壩地基給予處理的有老渡口、楊東河面板堆石壩。由此可見(jiàn)，重視壩基覆蓋層的變形、并加以處理是非常必要的，影響壩體安全和防滲墻變形牽連趾板連接板的變形協(xié)調(diào)。

5 抗震標(biāo)準(zhǔn)與措施

地震區(qū)混凝土面板堆石壩的安全超高應(yīng)當(dāng)包括地震涌浪高度。地震烈度設(shè)計(jì)為Ⅷ、Ⅸ度時(shí)，安全超高應(yīng)計(jì)入壩體和地基在地震作用下的附加沉降。土石壩壩頂抗震超高按1.0%確定，并根據(jù)最大震陷率和變形的不均勻程度等評(píng)價(jià)大壩及防滲體抗震安全性。當(dāng)分析結(jié)果計(jì)算最大震陷超過(guò)壩高的0.6～0.8%時(shí)，面板堆石壩可產(chǎn)生明顯震害，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，應(yīng)慎重論證壩體抗震設(shè)計(jì)和抗震措施，并重點(diǎn)關(guān)注面板接縫止水的抗震安全性問(wèn)題；包括面板脫空、錯(cuò)位變形、橈度、集中擠壓破壞以及周邊縫和垂直縫的止水安全性。

6 軟巖做壩

混凝土面板堆石壩已成為水利水電工程的主要壩型之一。國(guó)內(nèi)外已有不少工程采用了軟巖料修筑面板堆石壩并已取得成功。由于樞紐建筑物開(kāi)挖料巖石強(qiáng)度低、風(fēng)化強(qiáng)烈、含泥量高，不符合堆石料設(shè)計(jì)指標(biāo)，因而不得不大量廢棄而另辟料場(chǎng)，由此造成工程造價(jià)的提高，并帶來(lái)水土流失等生態(tài)平衡問(wèn)題。所以合理利用開(kāi)挖料做到挖填平衡極其重要。

采用軟巖料作為填筑壩料，要控制其細(xì)化、板結(jié)較為困難。因?yàn)檐泿r的強(qiáng)度一般在15～30MPa之間，在外荷載作用下極易破碎、細(xì)化，軟巖細(xì)化后，石料的塊徑變小，細(xì)顆粒含量增多，加之施工中灑水碾壓的作用，軟巖填筑料表面容易形成板結(jié)層，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果及施工情況分析，板結(jié)層厚度大部分在5～10cm，少數(shù)部位因軟巖料中泥巖含量偏大，則其板結(jié)層的厚度可達(dá)20cm左右。魚(yú)跳工程軟巖料利用區(qū)均采用軟硬的混合料填筑，其混合料中軟巖約為30～40%；軟硬巖的摻混使用不僅有利于控制和解決軟巖的細(xì)化、板結(jié)問(wèn)題，而且還能提高堆石體的排水性能。壩體二期填筑施工中，針對(duì)軟巖的細(xì)化、板結(jié)問(wèn)題進(jìn)行了一系列的軟巖料應(yīng)用技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)的工作，包括軟巖細(xì)化、板結(jié)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等。

7 施工質(zhì)量控制和技術(shù)進(jìn)步提高了面板堆石壩安全性

混凝土面板堆石壩的發(fā)展離不開(kāi)施工技術(shù)的進(jìn)步，新的施工工藝和施工環(huán)節(jié)質(zhì)量控制也推動(dòng)高壩建設(shè)的發(fā)展。根據(jù)以往同類工程事故發(fā)生原因和處理情況，面板堆石壩填筑與防滲體混凝土質(zhì)量控制是至關(guān)重要的，填筑質(zhì)量關(guān)系到大壩變形控制，面板混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工質(zhì)量關(guān)系到結(jié)構(gòu)的耐久性。

自中國(guó)水電15局在公伯峽面板堆石采用擠壓邊墻技術(shù)及其它施工單位的翻模砂漿固坡新技術(shù)，延續(xù)使用噴混凝土、碾壓砂漿、噴乳化瀝青輔助固坡；早期對(duì)上游坡坡面采用分級(jí)削坡、斜坡碾壓是控制面板法向變形有效措施，只因施工交叉處理復(fù)雜、物料清理、專用設(shè)備等原因施工單位而不再采用。隨著機(jī)械化施工水平提高和經(jīng)驗(yàn)積累、近期建設(shè)的混凝土面板擠壓邊墻坡面不平整度控制、擠壓體形穩(wěn)定性、墻體物料特性指標(biāo)控制均表現(xiàn)良好。

注重施工工藝細(xì)節(jié)是施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。比如混凝土面板澆筑質(zhì)量控制，澆筑前應(yīng)對(duì)板下面進(jìn)行3m×3m的網(wǎng)格平整度測(cè)量，其偏差不得超過(guò)面板設(shè)計(jì)線5cm，超欠填位采取同擠壓邊墻強(qiáng)度砂漿回填達(dá)設(shè)計(jì)線。面板混凝土采用全倉(cāng)面攤平后振搗方式，插入振搗落點(diǎn)不大于40cm，深度應(yīng)達(dá)到新澆筑層底部以下5cm；特別注意接縫止水出的振搗，使止水周圍密實(shí)；嚴(yán)禁將振搗器插入模板下振搗，提升模板時(shí)不得振搗混凝土?；さ奶嵘俣葢?yīng)于澆筑強(qiáng)度和脫模時(shí)間相適應(yīng)，平均滑膜速度可控制在1.0m/h左右，澆筑時(shí)段最大提升速度不得超過(guò)2.5m/h。面板混凝土澆筑初凝抹面后，應(yīng)覆蓋與面板同寬的塑料薄膜保濕保溫，初凝后換蓋草袋，要求流水養(yǎng)護(hù)至水庫(kù)蓄水。

8 結(jié)論

（1）從國(guó)內(nèi)外高壩防滲面板運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，面板滲漏、擠壓破壞具有可修復(fù)性，總體上不會(huì)影響大壩安全運(yùn)行。只要及時(shí)處理，并針對(duì)性采取可靠措施，修復(fù)達(dá)標(biāo)后的大壩可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）目前，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的壩體壓實(shí)指標(biāo)、面板混凝土性能指標(biāo)、邊坡安全系數(shù)等取規(guī)范的上限值。為滿足工程抗震要求，壩頂寬度、下游平均壩坡、壩體較高部位的抗震安全防護(hù)措施有所加強(qiáng)和提高。

（3）高壩設(shè)計(jì)與建設(shè)，首先是避免在較低部位的發(fā)生擠壓破壞而導(dǎo)致的有害滲漏，其次是防止中部的集中變形發(fā)生嚴(yán)重的擠壓破壞而導(dǎo)致難以恢復(fù)其防滲功能；目前有針對(duì)性進(jìn)行了填料控制變形的方法、施工環(huán)節(jié)質(zhì)量控制、改善面板與周邊縫結(jié)構(gòu)措施等。

（4）深厚覆蓋層變形涉及大壩防滲系統(tǒng)安全，也涉及到防滲墻變形對(duì)趾板影響。目前顯示監(jiān)測(cè)數(shù)值偏大，對(duì)地基地層條件較差的工程應(yīng)當(dāng)引起重視

（5）混凝土面板防裂采用防裂劑、聚丙烯、鋼纖維等，混凝土成本增加，裂縫減少。但減少裂縫的關(guān)鍵技術(shù)是取決于混凝土自身的防裂性能、施工過(guò)程的控制及養(yǎng)護(hù)。對(duì)重要的大壩和耐久性要求較高的面板混凝土，在水位變動(dòng)區(qū)表面或面板裂縫較多且不易處理時(shí)，目前采取涂刷聚脲、聚氨脂混合料、混凝土保護(hù)基面材料等，效果良好。

TV641.43

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2095-2066（2016）22-0116-02

2016-7-12

黃繼平（1967-），男，高級(jí)工程師，本科，主要從事水利水電工程工作。