寺坪水利樞紐砂礫石面板壩關(guān)鍵技術(shù)研究

周小文，付 軍

（1.華南理工大學，廣東 廣州，510640；2.葛洲壩電力投資有限公司，湖北 宜昌，430033）

0 引 言

混凝土面板堆石壩是現(xiàn)代筑壩技術(shù)中發(fā)展最快的壩型，和混凝土重力壩、拱壩一起成為當今三大主流壩型?，F(xiàn)代筑壩理念、試驗技術(shù)、計算理論、施工技術(shù)、管理與智能化技術(shù)等方面的重大進展，都在面板壩中得以體現(xiàn)。湖北省?？悼h寺坪水利樞紐大壩最后采用的是大量利用河床砂礫石及部分軟巖作為填料的面板壩，在其建設(shè)年代具有很好的代表性。該壩從科研、設(shè)計到施工的10余年歷程，正好蘊涵于我國面板壩的快速發(fā)展時期，它的研究成果與成功建設(shè)也進一步促進了我國面板壩技術(shù)的發(fā)展。

湖北省?？悼h寺坪水利樞紐于2002年1月開工，2007年6月竣工，至今已正常運行14年。在可研階段，該樞紐大壩在經(jīng)過心墻砂礫石壩與面板堆石壩的對比研究之后，采用了面板堆石壩的壩型[1]。該壩址河床砂礫石豐富，如果能夠用河床砂礫石作為主堆石料，則可以大幅降低工程造價和縮短工期。但是，按照傳統(tǒng)筑壩經(jīng)驗，面板壩對于堆石體的變形及抗?jié)B透變形的特性要求較嚴格。以相對易于變形和管涌的砂礫石料作為主堆石料，存有一定的風險。為了進行可靠的設(shè)計，針對一些關(guān)鍵技術(shù)列了多個專題進行試驗和計算分析研究。這些研究的成果為寺坪壩的設(shè)計與施工發(fā)揮了巨大的作用。本文簡要回顧國內(nèi)外砂礫石面板壩的發(fā)展歷程，介紹寺坪壩的關(guān)鍵技術(shù)研究成果，以期為今后類似砂礫石面板壩工程的建設(shè)提供借鑒。

1 砂礫石面板壩的發(fā)展

面板堆石壩于19世紀中葉起源于美國，起初采用拋填堆石加木面板防滲，以后采用混凝土面板。到20世紀 60年代末引入振動碾壓，進行薄層碾壓堆石施工，使壩體密實而變形較小，由此這種壩型才得以迅速發(fā)展。其中，塞沙那壩以其基本設(shè)計特征和最大壩高110m為現(xiàn)代混凝土面板堆石壩開創(chuàng)了先例，顯現(xiàn)了現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的技術(shù)理念[2]。迄今為止，全世界已建和在建超過100m的有百余座，面板壩壩高由最初的幾十米到目前的三百米級，壩體結(jié)構(gòu)和諸多關(guān)鍵技術(shù)發(fā)生了許多的變化，如在堆石分區(qū)、填料選擇、止水結(jié)構(gòu)、址板面板連接方式、壩頂開敞式溢洪道，深厚覆蓋層處理、多維動態(tài)高強度壩料填筑、混凝土面板施工綜合防裂以及擠壓邊墻工藝等方面的技術(shù)都取得了重大進展。面板壩成功的關(guān)鍵是保障面板在巨大水壓力作用下不產(chǎn)生過大的變形，從而可以維持薄面板不產(chǎn)生大量裂縫。因此，傳統(tǒng)上修建面板堆石壩，主堆石皆要求采用新鮮的巖石。而軟巖和砂礫石料分布較廣，開采和碾壓施工方便，可大幅降低造價和縮短工期。因此，隨著筑壩技術(shù)的進步，面板堆石壩由最初的采用優(yōu)質(zhì)石料筑壩發(fā)展到采用軟巖或砂礫石筑壩?？梢哉J為，軟巖面板壩和砂礫石面板壩是面板壩技術(shù)進步的兩個標志性成果。

軟巖面板壩典型案例有美國的貝雷壩（Bailey）、印尼的希拉塔壩（Cirata）、澳大利亞的小帕拉壩（Little Para）、溫尼克壩（Winneke）和紅樹溪壩（Mangrove Creek）等以及國內(nèi)的株樹橋、天生橋一級、大坳、十三陵上池、盤石頭、茄子山、魚跳等壩[3，4，5]。這些軟巖壩的成功經(jīng)驗表明，過去因抗壓強度低、軟化系數(shù)小而不被采用的軟巖堆石料，經(jīng)過專門設(shè)計，仍可作為堆石壩填料。

在砂礫石面板壩方面，國際上自1976年哥倫比亞建成130m高的格里拉斯（Gollilas）砂礫石面板壩以來，相繼建成了一批百米以上的砂礫石面板壩。1985年哥倫比亞建成的薩爾瓦興娜壩（Salvajina dam），采用砂礫石作為筑壩主體材料，壩高148m，壩基也是厚約30m的沖積層，壩體直接在沖積層上填筑，取得了技術(shù)上的突破。1994年墨西哥建成高187m阿瓜米爾帕（Aguamillipa）壩，為20世紀面板堆石壩高度之首。1995年竣工的智利圣胡安娜壩（Santa juana）最大壩高113.4m是第一個建于強震區(qū)深覆蓋層上的高砂礫石面板壩。壩料取自上游瓦斯科河的礫石沖積層，為潔凈礫石，粒徑在7cm左右的占50%。該壩建在30m厚的礫石層上，設(shè)有混凝土板截水墻，與礫石層上的趾板柔性連接。我國于1985年建成的新疆柯柯亞壩為國內(nèi)首座砂礫石面板壩，高度為42m。

天然砂礫石料由于其級配的離散性、間斷性和碾壓施工時粗細顆粒的易分離性等，導致其抗?jié)B透破壞和抗沖蝕能力較差。1993年我國青海溝后砂礫石面板壩的潰決，曾經(jīng)使人們對這一壩型的安全可靠性產(chǎn)生了懷疑[6]；但是，隨著現(xiàn)代筑壩技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)科研人員對砂礫石面板壩進行了深入探討，對砂礫石料滲透穩(wěn)定性、周邊縫止水結(jié)構(gòu)、面板防裂技術(shù)、砂礫石填筑施工技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，砂礫石壩的優(yōu)勢越來越凸顯，發(fā)展前景廣闊[7]。國內(nèi)近30余年來建設(shè)了30余座砂礫石面板壩，表1列舉了其中部分典型的砂礫石面板壩。中國能建葛洲壩集團投資正在建設(shè)的新疆大石峽水利樞紐砂礫石面板壩高達247m，為當前世界最高的混凝土面板砂礫石壩。

表1 我國部分砂礫石面板壩

中國水力發(fā)電工程學會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會、中國水利學會混凝土面板堆石壩專業(yè)委員會、湖北省水利學會、興山縣天星水電集團和葛洲壩集團施工科研所，于1998年10月18日～21日在古洞口水力發(fā)電工程所在地湖北省興山縣，聯(lián)合召開了“全國混凝土面板砂礫石壩學術(shù)研討會”。出席會議的有來自各地的27個單位，共計88位代表，提交專題報告20余篇進行了交流。該次會議對于推動我國砂礫石面板壩的發(fā)展具有重要作用。

2 寺坪大壩工程特點與難點

寺坪水利樞紐位于漢江中游右岸支流南河上段粉清河上，壩址在湖北省?？悼h寺坪鎮(zhèn)肖家灣。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、庫區(qū)航運等綜合利用效益，為大（2）型水庫。大壩為全斷面砂礫石面板壩，最大壩高90.5m，壩頂寬8.0m，壩軸線長376.0m。面板厚0.3～0.6m。趾板寬4～8m，厚 0.5～0.8m。大壩填筑量包括上游鋪蓋在內(nèi)共206.52萬m3。

寺坪大壩具有以下特點和難點：

（1）地質(zhì)條件復雜。河床部位壩基趾板及趾板下游0～30m為志留系地層，趾板下游30m至下游壩坡腳由第四系河流沖積層（alQ42）和志留系地層組成。河床沖積層砂礫石一般厚10～15m。志留系基巖為頁巖、砂質(zhì)頁巖，巖性軟弱，巖體濕抗壓強度10～15MPa，陡傾角裂隙發(fā)育，具中～弱透水性。

（2）全斷面采用砂礫石料填筑。壩體基本結(jié)構(gòu)除灰?guī)r料排水體和壩后次堆石區(qū)利用了本工程溢洪道的開挖料（頁巖）外，均為當?shù)睾哟采暗[石料填筑?？衫玫暮哟查_挖的砂礫石料中，軟弱顆粒含量3.9%～13.9%，針片狀顆粒含量11%～32.8%，巖性相對軟弱。

（3）滲控技術(shù)。根據(jù)初設(shè)階段對天然砂礫石滲透特性的研究，以天然砂礫石作為墊層料的過渡層，存在諸多不確定因素：滲透變形的破壞型式屬于管涌破壞，天然砂礫石屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的填料。按照以往的研究，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的填料即使?jié)M足傳統(tǒng)反濾準則，也不一定滿足滲透穩(wěn)定要求。

（4）施工強度高。寺坪水電站于2004年11月8日成功截流，根據(jù)工程建設(shè)總體進度計劃安排，2005年汛前（5月）大壩須填筑至295m高程，2005年11月須填筑至305m高程，以滿足2006年4月工程下閘蓄水的要求，相應(yīng)的壩體填筑總量約180萬m3，除去圍堰閉氣、抽排水、趾板和壩基開挖的時間，按有效工作日計算的月平均填筑強度約22萬m3。

3 寺坪大壩關(guān)鍵技術(shù)研究

針對寺坪水利樞紐大壩工程的上述特點與難點，葛洲壩湖北寺坪水電開發(fā)有限公司與長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院、長江科學院等聯(lián)合開展了一系列的試驗與數(shù)值模擬研究，在填料滲透特性、基于過渡料級配突破利用的壩體斷面優(yōu)化、軟巖利用料（3C料）使用范圍的擴大、壩體斷面優(yōu)化、深厚砂礫石覆蓋層強夯加固處理、砂礫石面板壩快速施工、綠色筑壩技術(shù)等方面取得了一系列的創(chuàng)新，前四方面的研究成果簡述如下。

3.1 大壩填料滲透特性研究

大壩的填料主要包括主堆石區(qū)填料、墊層區(qū)填料、過渡料和次堆石區(qū)填料。砂礫石料強度方面基本可滿足要求，問題主要在于其滲透穩(wěn)定性。寺坪水利樞紐大壩擬全斷面采用河床砂礫石（僅下游次堆石區(qū)采用了一定量的頁巖），但是，不同區(qū)域?qū)ι暗[石的要求不同，需要通過不同的改造（如優(yōu)選、沖洗、配制、摻和等）使得砂礫石料可以用于不同的分區(qū)。通過分區(qū)優(yōu)化，可實現(xiàn)既安全可靠又降低造價的效果。例如，該河床的天然砂礫石作為過渡料時，含泥量偏高。借鑒類似工程的成功經(jīng)驗，提出過渡料采用沖洗砂礫石，使其含泥量小于4%，并對過渡料采用的料場提出要求，保證填筑料小于5mm的顆粒含量在15%～30%之間。過渡料的方量為28萬m3，當時每m3沖洗砂礫石的單價比天然砂礫石的單價高20元左右。為加快工程施工進度并節(jié)省工程投資，寺坪水電開發(fā)有限公司提出了過渡料采用天然砂礫石直接上壩的方案。經(jīng)專題研究，包括料場詳查、滲透特性試驗、與同類工程類比和滲流計算分析論證，提出了優(yōu)化后的過渡料級配及壩體填筑斷面。

填料滲透特性研究方面主要得出了以下認識：

（1）天然砂礫石料在無保護條件下臨界比降為0.15～0.31，破壞比降為0.46～1.51，特別是天然砂礫石下包線，其滲透穩(wěn)定性差，易發(fā)生管涌破壞，應(yīng)對天然砂礫石的級配加以適當限制。

（2）墊層料在無保護條件下臨界比降為0.15～0.51，破壞比降為1.0～3.01，其滲透系數(shù) K20為4.00×10-4～7.28×10-2cm/s，天然砂礫石料中22mm的天然級配與墊層料設(shè)計級配差別較大，小于0.1mm的料偏少，必須人工配料才能滿足設(shè)計級配和滲透性i×10-4cm/s的要求。

（3）墊層料與過渡料的組合滲透試驗表明，采用優(yōu)選天然砂礫石作為過渡料是可行的。但天然砂礫石的級配范圍很廣，保持其級配的連續(xù)性十分重要，通過優(yōu)選保持級配的連續(xù)性，可同時滿足墊層料和過渡料的層間反濾要求，確保墊層料和過渡料的滲透穩(wěn)定性。

（4）過渡料和小粒徑排水體的組合試驗表明，在后者有骨架支撐的條件下，天然砂礫石過渡料和小粒徑排水體的組合滲透試驗中過渡料的最大比降為5.11～8.35，沒有細顆粒的流失，表明過渡料和小粒徑排水體能滿足滲透穩(wěn)定性要求。

（5）在過渡層與排水體間設(shè)置反濾層后，優(yōu)選后的天然料直接上壩作為過渡層的設(shè)計方案可滿足水力過渡要求。

3.2 斷面優(yōu)化研究

招標設(shè)計階段和優(yōu)化設(shè)計后的大壩斷面分別如圖1、圖2所示，主要的優(yōu)化措施包括：

圖1 招標設(shè)計階段面板堆石壩填料分區(qū)圖

圖2 最終優(yōu)化方案面板堆石壩填料分區(qū)圖

（1）過渡料由沖洗砂礫石改為天然砂礫石后，施工時必須在進行料場復查基礎(chǔ)上，做出詳細的料源規(guī)劃，在合適的料場劃定過渡料采區(qū)，保證滿足設(shè)計要求的合格的過渡料上壩。豎向排水體適當后移，有利于降低過渡料的滲透比降，并減少了排水體（人工灰?guī)r石渣料）的工程量。

（2）因取消了過渡層沖洗砂礫石的要求，對排水體的要求相應(yīng)提高，按規(guī)范要求在排水體前設(shè)小粒徑排水體作為反濾層，一定程度上增加了排水體的施工難度。

（3）豎向排水體適當后移，有利于降低過渡料的滲透比降，并減少了排水體（人工灰?guī)r石渣料）的工程量。

3.3 擴大軟巖料（3C料）使用范圍

施工詳設(shè)階段（已經(jīng)是優(yōu)化設(shè)計）擬定的大壩下游堆石區(qū)（3C）頁巖料范圍為高程256m至275m，水平寬度35m，緊貼大壩臨時擋水斷面布置，其填筑方量為11.8萬m3，要求采用微新或弱風化下部的頁巖料直接上壩填筑。

大壩填筑施工到汛期時，汛期河床水位抬高，布置在河道里的砂礫石料場取料困難，而從開挖揭露出的地質(zhì)條件看，弱風化下部頂板線有所抬高，可利用頁巖料料源增加。為加快工程進度，確保工程工期，再次通過數(shù)值模擬計算研究，在壩體變形滿足要求的前提下，確定了擴大下游堆石區(qū)頁巖料填筑范圍的再次優(yōu)化方案，頁巖料填筑高程升高到295m，增加頁巖利用料使用量18.1萬m3，參見圖2。

3.4 河床厚砂礫石層強夯加固處理

壩基河床部位由第四系河流沖積層（alQ42）和志留系地層組成，沖積層為厚10m～15m的砂礫石層，不宜直接作為大壩地基。為加快施工進度、降低投資成本，對壩址河床的地質(zhì)條件進行了專題論證，對厚砂礫石覆蓋層河床基礎(chǔ)的強夯處理技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，確定的強夯工藝為：強夯錘重23.10t，滿夯錘重16t，提升高度強夯為13.00m，滿夯10m，夯擊能為強夯300t/m、滿夯160t/m，采取強夯一遍兩序、推平夯坑再滿夯。強夯加固處理后顯著提高了壩基強度，可有效地減小壩基的沉降位移。

4 結(jié)語

寺坪壩關(guān)鍵技術(shù)研究主要得到以下認識：

（1）天然砂礫石料在無保護條件下臨界比降為0.15～0.31，破壞比降為0.46～1.51，滲透穩(wěn)定性差，易發(fā)生管涌破壞，應(yīng)對天然砂礫石的級配加以適當限制。

（2）采用優(yōu)選天然砂礫石作為過渡料是可行的，但天然砂礫石的級配范圍很廣，保持其級配的連續(xù)性十分重要。級配連續(xù)可同時滿足墊層料和過渡料的層間反濾要求，確保墊層料和過渡料的滲透穩(wěn)定性。

（3）對過渡層砂礫石取消沖洗的要求后，可大量降低造價和縮短工期，但是，對其后排水體的要求相應(yīng)提高。為此，可在排水體前設(shè)置小粒徑排水體作為反濾層以解決滲透穩(wěn)定問題。

（4）豎向排水體適當后移，有利于降低過渡料的滲透比降，并減少排水體（人工灰?guī)r石渣料）的工程量。

（5）在壩體變形滿足要求的前提下，下游次堆石區(qū)的頁巖料填筑范圍可以顯著擴大，進而可大量增加頁巖利用料使用量，從而加快工程進度。

（6）壩基河床部位沖積層為厚10～15m的砂礫石層，不宜直接作為大壩地基?？刹扇姾坏霓k法對厚砂礫石覆蓋層進行加固處理。強夯處理后顯著提高了壩基強度，可有效地減小壩基的沉降位移。

寺坪壩的設(shè)計與施工正處于砂礫石面板興起和探索發(fā)展的階段，經(jīng)過全面、系統(tǒng)的研究，確定的優(yōu)化設(shè)計方案與施工工藝體現(xiàn)了諸多先進的理念與技術(shù)，進一步推動了我國砂礫石面板壩技術(shù)的發(fā)展。工程運行以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：寺坪大壩工程的總沉降量為0.32m、沉降率為0.35%，小于設(shè)計計算值的0.46m、0.51%，總體沉降值小于國內(nèi)外同類型工程。