混凝土面板堆石坝设计与实践关键技术研究

混凝土面板堆石坝设计与实践关键技术研究

蔡文艳

湟中县水务局青海西宁810012

摘要：在面板堆石坝高度逐渐从200m级向300m级升级时，不断总结面板堆石坝的建设经验和教训是十分必要的。面板堆石坝的设计研究和工程实践经验表明，任何设计或施工缺陷的存在，在施工期或运行期会或迟或早地、毫无保留地表现出来。在坝高大幅增加的同时，要看到对面板堆石坝应力和变形特性的认识可能会出现超出已有认识的情况，因此对各种可能存在的问题，甚至是一些看上去已经得到基本解决的技术问题，结合大坝实际情况，进行深入细致的研究，尤其是基础性的研究工作，不外乎是面板堆石坝成功走向更高、条件更复杂、规模更大所十分必要的。

关键词：混凝土面板堆石坝；设计；工程实践；关键技术问题

1.概述

混凝土面板堆石坝以其安全性、经济性和适应性良好，能适应不良的气候条件、地形和地质条件，可以充分利用当地材料及工程各建筑物的开挖料来填筑坝体，施工工期短，在强震区、深覆盖层、深厚强风化岩和高陡岸坡等各类坝址，面板堆石坝往往成为最有竞争力的坝型。自从上世纪八十年代我国引入面板堆石坝筑坝技术以来，我国已建和在建的坝高100m以上的高面板堆石坝已经超过70座。此后，我国面板坝筑坝技术迅猛发展，经历了引进消化阶段（1985～1990年）、自主创新阶段（1991～2000年）、突破发展阶段（2001～2010年），面板堆石坝筑坝技术逐渐成熟。在面板堆石坝建设过程中，一方面积极消化吸收世界先进的面板堆石坝筑坝技术，另一方面，自国家“七五”计划开始，面板堆石坝关键技术就列入国家级重点科技攻关项目，开展了深入的试验研究工作，编制了面板堆石坝设计和施工技术规范，建立了较为完整的面板堆石坝筑坝技术标准化体系。

2.面板坝勘测、设计中应注意的问题

面板坝是充分利用当地材料的理想坝型，因此在方案比选中，一般应优先考虑。但应注意面板坝与混凝土重力坝、拱坝等坝型往往不在同一坝址，应根据各自特点优选坝址（例如我省街面水电站拱坝和面板坝两种坝型的坝址相距8km），当然亦不排除在同一坝址之可能。所以从规划开始，选择坝址的坝段范围要放大些，以免被动。坝址确定后进行坝线优选时其勘探重点与其他坝型亦有显著不同，面板坝除上游趾板线附近一定范围内，对工程、水文地质条件有一定要求外，其余大面积的坝底只需与传统土石坝壳一样做一般地质工作。因为这些部位较密实的复盖层和强风化基岩一般都可以不挖除。

2.1边坡稳定问题

早期面板坝的上、下游边坡坡比一般为1：1.4，目前国内大部分面板坝采用了此坡比（砂砾石面板坝除外），而国外的工程一般倾向采用较陡的边坡，如近期巴西修建的几座高面板坝，其上下游均采用了1：1.3的坡比，从坝体运行情况看，坝体稳定并没有出现特别的问题。从国内外200m级高面板坝的建设经验看，当采用硬岩堆石筑坝时，高面板坝采用1：1.3的边坡是可行的。从定性分析看，常规堆石体一般具有较高的强度，可以维持较陡的边坡，因此坝体的边坡稳定问题可能不是300m级超高面板坝坝型是否成立的制约性因素。但是，随着坝高的增加，堆石体的应力水平将随之增大，堆石的强度也会随应力水平的增大而产生变化。因此，对于超高面板坝，仍需针对具体的堆石材料情况，研究堆石强度特性在高应力水平下的变化规律，同时，要研究采用合理的指标对坝体边坡进行稳定分析的方法，为超高面板坝边坡坡比的选择提供理论依据。此外，还应研究坝坡非线性指标稳定分析的方法和评价准则，研究提出300m级超高面板坝坝坡稳定的控制标准。

2.2渗透稳定问题

对于采用堆石材料修建的面板坝，由于经过碾压的堆石粗颗粒所形成的骨架能够较好地保持其渗透稳定性，因此总体而言，堆石的渗透稳定问题不会成为建设300m级超高面板坝的制约因素。但是，随着坝高的增加，上游水头会增大，在高水头压力作用下，坝体上游垫层区和过渡区的渗透稳定将是设计与施工中较为关注的关键技术问题之一。目前面板坝建设中，垫层区的设计常采用半透水级配，垫层区的宽度一般为3-4m。对于未来的超高面板坝，需要细致研究在300m高水头压力情况下，现有垫层区和过渡区反滤设计准则的适应性，通过试验与计算分析研究，确定垫层区与过渡区的颗粒级配（最大粒径、小于5mm和小于0.075mm颗粒含量）准则，以及垫层区与过渡区的反滤保护关系。同时，还应研究在高水头情况下垫层料对粉砂土等淤堵材料的反滤作用。在此基础上，研究提出300m级超高面板坝抗渗稳定控制标准。

2.3施工导流

面板坝施工导流有其自身特点。例如，第一个枯水期并不一定要按常规抢截流、下基坑、填坝体。面板坝新技术使大坝施工速度显著加快，一般不再是工程进度的控制路线。因此为减少贷款利息，投资比重较大的坝体应适当放后投入。但要为坝体高速施工创造条件。例如，石料场应尽早形成与坝体施工强度相适应的开采能力；易干扰和制约坝体填筑的钢筋混凝土趾板应尽早自上而下开挖浇筑；上坝施工道路和水上部分坝基开挖要尽早完成等。面板坝坝体施工特点是一旦截流下基坑填坝体后，必须保持足够的上坝强度以满足度汛要求。我们有过教训，按习惯正式开工后的第一个枯水期全力以赴抢导流围堰，下基坑清基、浇趾板、填坝体。但苦于料场拿不出料，上坝道路差，趾板施工干扰大，导致坝体填筑强度上不去，被迫两个洪水期均采取临时断面冒险度汛。

3.渗流控制与防渗、排水设计

3.1堆石体的渗流变形稳定

堆石体渗透变形稳定，要求坝体中排水畅通且坝体分区之间满足水力过渡和渗透稳定的要求，以使得大坝堆石坝的主体处于非饱和状态。也就是要求各区坝料的渗透性从上游至下游逐渐增大，且堆石体分区之间从上游至下游符合水力过渡和渗透稳定原则，特别是特殊垫层、垫层料、过渡料需要符合层间水力过渡关系。对于采用软岩或砂砾料筑坝时，由于软岩或砂砾料压实后具有中等透水性，需要在坝体上游区内设置竖向排水区，并与坝底设置的水平排水区连接，将可能的渗水全部平顺排至坝外，保持大坝堆石体主体干燥。

3.2面板接缝止水结构的渗流控制

由于面板与趾板、面板与面板等结构接缝的变形量及变形规律具有不确定性，使得面板接缝止水结构的渗流控制极具挑战性。趾板建在深覆盖层上时，防渗墙与面板趾板之间一般采用连接板连接。对于较高坝，为减小坝体变形，有条件时一般将趾板附近的覆盖层挖除，将趾板直接建在基岩上。趾板、面板以及防渗墙等结构的渗流控制在设计规范，有较为明确的规定，如面板混凝土的渗透水力梯度不应超过200，混凝土防渗墙的渗透水力梯度不应超过80～100，趾板下基岩的渗透水力梯度需根据具体岩石的条件来确定等。

4.结束语：

随着国民经济发展对水电需求的日益增长，建设300m级超高面板坝将是面板坝发展的必然趋势。近些年来，我国成功地建设了一批高面板坝工程，标志着我国200m级高面板坝技术的基本成熟，同时，也为实现坝高从200m级向300m级的跨越提供了较为坚实的技术基础。针对300m级超高面板坝所面临的技术难题，通过对相关关键技术问题展开深入、细致的研究和攻关，建设300m级超高面板坝在技术上应该是可行的。

参考文献：

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