中国混凝土面板堆石坝30年

杨泽艳1　周建平2　王富强1　吴毅瑾1　孙永娟1

（1.水电水利规划设计总院；2.中国电力建设集团有限公司）

【摘　要】　2015年是中国引进现代筑坝技术建设混凝土面板堆石坝的第30年。30年来，中国混凝土面板堆石坝技术稳步、快速发展，走过了一条“引进、发展、创新、超越”之路。中国面板堆石坝数量最多，几乎遍布全国，最大坝高、工程规模和技术难度都处于世界前列。在设计、施工、科研、监测和恶劣自然条件建坝等方面积累了丰富的经验，坝体变形控制、渗流控制、面板防裂等方面也取得了瞩目的成就，筑坝技术走向成熟，并正在向超高面板堆石坝方向发展。本文从建设成就、技术进展、经验教训、发展趋势等方面进行简要总结。

【关键词】　面板堆石坝　建设成就　技术进展　经验教训　发展方向

1　建设成就

1.1　数量和分布

从1985年引进现代面板堆石坝技术以来，中国面板堆石坝筑坝技术稳步、快速发展，走过了一条“引进、发展、创新、超越”之路。据2016年中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会统计，截至2015年年底，中国坝高30m以上面板堆石坝已建约270座，在建约60座，拟建约80座，总数超过400座。

中国已建、在建和拟建的面板堆石坝（坝高不低于30m）分布在29个省（自治区、直辖市），主要分布情况见图1。其中，新疆、浙江面板堆石坝超过50座，贵州、云南超过40座，湖北、四川超过30座，重庆超过20座，其他省（自治区、直辖市）约占30%。

水布垭坝是中国已建最高的面板堆石坝，也是目前世界上最高的面板堆石坝；天生桥一级坝是规模最大的坝，坝顶长1104m，填筑量约1800万m3，面板面积约17.7万m2，总库容102.57亿m3，最大泄洪流量21750m3/s。九甸峡坝是已建趾板置于深厚覆盖层上最高的坝，铜街子左副坝覆盖层防渗处理深度超过70m。龙首二级坝（也称西流水）是已建河谷最狭窄的100m以上高坝，大坝长高比仅1.3。洪家渡坝是已建河谷极不对称且趾板边坡高陡的坝，趾板边坡最高约310m。吉林台一级坝是已建抗震设计烈度最高的坝，抗震设计烈度达9度。紫坪铺坝是已经受高地震烈度考验的坝，地震烈度达9～10度。莲花坝是已建位于气温最低及温差最大地区的坝，极端最低气温为-45.2℃；查龙坝是海拔最高的坝，坝顶高程为4388m；吉勒布拉克坝是纬度最高的坝，高于北纬48°。

中国面板堆石坝几乎遍布全国，涉及各种不利的地形地质条件和气候条件，因其安全性、经济性和适应性良好得到较普遍的推广应用，总体而言，工程设计和建设是成功的，也积累了应对各种困难情况的经验和教训。中国面板堆石坝数量占全球面板堆石坝总数的一半以上，最大坝高、工程规模和技术难度等方面均处于世界前列。

1.2　发展阶段

1985年，中国启动西北口面板堆石坝设计和施工国家科技攻关试点工程。以此为标志，一般认为中国现代面板堆石坝技术起步于1985年。中国的现代面板堆石坝，按技术发展，大致可分为“引进消化、自主创新和突破发展”等三个阶段（图2）。

2　主要技术新进展

中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会2010年完成的综述性论文《中国混凝土面板堆石坝25年》，对坝址选择和坝体布置、坝体断面分区及筑坝材料、坝体防渗结构、坝基处理、导流与度汛、主体工程施工、试验及计算、安全监测、坝身溢流及坝体加高、恶劣自然条件筑坝等方面坝的主要技术进展进行了较为系统的总结。近年来，面板堆石坝筑坝技术又有了新进展。

2.1　按照变形控制要求选择填筑密实度

面板堆石坝设计的技术难题之一就是选择与坝址地形地质条件和筑坝材料特性相适应的堆石料设计指标。《混凝土面板堆石坝设计规范》（DL/T 5016—2011）明确提出按坝高选择设计孔隙率或相对密度（表1）。

根据已有经验，对于狭窄河谷面板堆石坝、陡坝肩边坡附近的堆石增模区一般选择下限值。正在建设的猴子岩面板堆石坝（高223.5m）、江坪河面板堆石坝（高219m）均位于狭窄河谷地区，上下游硬岩-超硬岩堆石料区设计孔隙率要求均小于19%。

根据茨哈峡筑坝料现场碾压试验分析，并参考已有200m级高面板堆石坝实践经验，研究提出了300m级高面板坝坝料碾压参数及施工控制指标的建议：堆石料孔隙率宜按17%～19%控制；砂砾石料相对密度应大于0.90，按照0.92～0.95控制。现场原级配试验的最大、最小干密度均大于室内试验值，计算得到的相对密度均小于1，不会出现基于室内试验成果计算得到相对密度大于1.0的不合理现象。

2.2　超高面板堆石坝安全性评价方法

通过对高面板堆石坝技术进展的回顾和调研分析[5]，200m级面板堆石坝筑坝技术是成功和可靠的，其坝体布置、坝体分区及筑坝材料、防渗结构、坝基处理、导流度汛与填筑分期、堆石填筑和面板混凝土浇筑、试验研究与计算分析、安全监测等实践成果及经验，可以在300m级高面板坝的建设中参考和借鉴。

高面板坝堆石坝安全性评价需从整体安全、稳定安全、结构安全等三个层次进行评价。整体安全为第一层次，主要包括洪水设计和抗震设计标准、坝顶超高等方面，稳定安全为第二层次，主要包括变形稳定、渗透稳定和抗滑稳定，核心是变形稳定，结构安全为第三层次，主要包括对筑坝材料和坝体结构的相关要求。

研究表明，高面板堆石坝的主要风险因素包括不利地形、地质条件，坝顶漫流，蓄水后坝体变形过大，面板结构性裂缝和挤压破坏，坝体和坝基渗漏及渗流破坏，地震引起的面板破坏、止水失效，计算和分析理论不足等。坝坡安全系数和可靠度都呈现随坝高增加而降低的趋势，对250m级以上的面板堆石坝需要适当放缓坝坡，增加坝坡稳定的可靠度。

正常工况坝坡抗滑稳定目标可靠指标取4.45～4.7，对应坝坡抗滑稳定最小安全系数可按1.6和1.7控制。变形可靠指标在竣工期和蓄水期分别为2.22和2.02，蓄水期面板挠度可靠度指标为1.766，大于欧洲结构设计规范Eurocode 0的指标1.5。坝体渗透稳定可靠度指标为9.91，说明大坝渗透稳定具有足够的安全裕度。

2.3　超高面板堆石坝设计安全标准和工程措施

根据古水、茨哈峡、马吉和如美等超高面板堆石坝的工程特点，文献[5]开展了面板坝坝体布置、材料设计、坝料分区、防渗结构、基础处理等方面的设计研究。在筑坝料选择、坝体断面设计、材料分区及设计指标、面板结构设计等方面均提出了比200m级面板堆石坝更高的要求。计算结果表明，坝体抗滑稳定、渗流、应力变形均在已有经验范围内。

归纳总结提出300m级面板堆石坝的安全标准及其控制指标。安全标准涉及枢纽整体安全、渗流安全、变形安全和抗滑稳定安全，安全量化控制指标包括防洪标准、抗震设计标准、坝顶安全超高、大坝渗流控制指标、坝体变形控制指标、面板变形及应力控制指标、接缝变形安全控制指标、抗滑稳定控制指标等。

工程措施包括选择较高的设计标准、适当的坝顶超高等保证枢纽整体性的安全措施，坝料级配、接缝可靠性等渗流安全措施，坝体整体和不均匀等变形安全措施，较大的坝顶宽度、上部坝高放缓坝坡、上部坝体下游坝坡加筋、加强护坡措施、提高坝体压实密度等抗滑稳定安全措施和抗震安全措施。

2.4　超高面板堆石坝筑坝材料特性

《300m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究》[5]对筑坝材料强度的影响、颗粒破碎特性、复杂应力路径的影响、堆石料的流变特性，开展了大量室内三轴试验。试验结果表明，砂砾石料的K值高于块石料；随着孔隙率的减小，模型参数提高对抑制坝体变形影响显著；小于5mm的颗粒含量越少，破碎率越高，在高围压条件，颗粒粒径越大，颗粒破碎越明显。

堆石料的颗粒破碎存在两种与尺寸有关的细观机制：一是大颗粒易于破碎，导致大试件材料参数低于小试件；二是大颗粒的咬合作用强于小颗粒，导致大试件材料参数高于小试件。两种机制之间的综合作用决定了缩尺效应。从实际安全监测数据看，即表现为高坝的实际变形值大于计算预测值，大坝堆石的实际变形参数低于室内三轴试验值。

通过室内大型试验、现场试验和数值计算模拟试验等三种方法相互补充和验证研究表明，高围压条件下颗粒破碎是导致缩尺效应的主要原因之一，随堆石料最大粒径的增大，初始摩擦角φ0稍有增加，摩擦角衰减值Δφ明显增加，试验最大围压越大，缩尺效应越明显，随最大粒径的增加，体变模量明显减小，杨氏模量系数变化相对较小。应力路径对堆石料强度的影响不大，堆石料的流变量和流变趋稳时间均有所增加。

2.5　超高面板堆石坝有限元计算分析方法

通过深化研究[5]，开发并验证了适应于300m级高面板堆石坝应力变形分析的数值计算模型和计算方法，相比200m级面板坝的计算分析程序主要改进如下：反映堆石颗粒破碎特性的堆石本构模型；堆石材料的流变特性及相应的数值分析模型；堆石材料特性的时效变化规律及其相应的数值模拟方法；堆石与混凝土材料的非线性接触特性及相关模拟方法；精细化建模及大规模数值计算的并行计算方法。

通过典型高面板堆石坝的数值计算分析表明，只要坝体材料及其碾压参数选择适当，高300m级面板堆石坝的应力变形规律与200m级混凝土面板坝的基本相当，但堆石体的位移和混凝土面板的应力均有较为明显的增大。研究揭示了高混凝土面板坝面板挤压破损机理。

根据对茨哈峡、古水、马吉、如美等4座面板堆石坝工程的应力变形计算分析成果，大坝应力变形分布规律合理，符合高面板堆石坝的一般规律。对于古水和茨哈峡坝，在采取一定的变形控制措施后，坝体变形可以控制到与200m级高面板堆石坝大致相当的水平。对于马吉和如美坝，由于坝高相对较高，蓄水后面板局部部位的应力偏大，可通过平顺两岸趾板地形、设置缝间柔性材料等措施解决。

2.6　超高面板堆石坝筑渗透稳定特性

通过渗透变形试验研究[5]，验证了古水和茨哈峡面板堆石坝工程的垫层区与过渡区的反滤关系。在超高水头下，垫层料承受渗透梯度200时未发生渗透破坏。渗流分析成果表明，不考虑面板防渗作用，当垫层料渗透系数达到10-4cm/s量级时，垫层料在过渡料的保护下不会发生渗透破坏，但下游堆石料的渗流出口需要适当采取措施做好渗流出口保护。

2.7　超高面板堆石坝防渗和止水系统方案

文献[6]针对300m级高面板堆石坝计算和分析确定的接缝位移量值和位移特点，提出适应更大变形的接缝止水结构型式及止水材料。评价现行止水结构对300m级高面板堆石坝的适应性和改进措施，提出解决方向和方案。

通过总结已建工程，分析面板和趾板对300m级高面板堆石坝的适应性，提出混凝土原料选择、混凝土配合比方案、相关施工措施，评价高寒地区面板混凝土耐久性及工程措施对300m级高面板堆石坝的适应性。开展混凝土面板耐久性防渗加强技术措施研究。

2.8　超高面板堆石坝抗震安全性及其工程措施

通过研究[5]，改进和发展了筑坝堆石料的广义塑性本构模型、真非线性模型、循环本构模型和三维弹塑性接触面本构模型；提出了高面板坝波动分析方法和波函数组合法的非一致地震输入、面板塑性损伤分析、非线性库水与大坝耦合及涌浪的精细化分析方法。

通过MPI并行计算、GPU加速技术、多任务、内存优化、高效求解算法等先进技术，集成了上述理论与方法，发展、完善了具有自主知识产权的高效、大规模三维静动力分析软件。

建立了基于稳定分析、变形分析、面板防渗体系的高面板坝抗震安全性评价方法、评价标准以及极限抗震能力分析方法；结合古水工程，论证了坝顶下游坝坡加钢筋网、面板上部设置永久性水平缝、面板中部压性竖缝内间隔填充复合橡胶板等抗震工程措施的有效性。

2.9　超高面板堆石坝施工技术要求及质量控制

近年面板堆石坝填筑碾压设备重量有较大发展，猴子岩坝、江坪河坝采用振动碾达到32t。

文献[6]重点对水布垭、三板溪、洪家渡、天生桥一级4个面板坝工程的施工技术和质量控制要求进行总结。依托天生桥、古水面板堆石坝分析研究堆石体分期填筑高差、填筑超高、预沉降期等确定坝体填筑程序的技术指标与面板变形控制的关系。

结合古水、马吉、如美、茨哈峡水电站的具体设计工作，提出300m级高混凝土面板堆石坝适应度汛、提前蓄水发电，同时兼顾变形要求的施工方案，初选了碾压机具，提出了坝体预沉降控制措施。

2.10　超高面板堆石坝安全监测技术

通过对国内200m级高面板堆石坝安全监测技术进行深入调查[5]，总结高堆石坝安全监测技术特点、难点，对主要监测措施的有效性和存在的问题进行分析，为300m级高面板堆石坝安全监测技术研究提供技术支撑。

对传统面板堆石坝安全监测关键技术及仪器设备进行深化研究，对新技术、新仪器设备进行研究，以适应高面板堆石坝的安全监测要求。通过研究提出适应高面板堆石坝1000m级监测管线的变形监测方案，包括监测仪器结构形式、材料工艺、技术指标、埋设技术要求等。

对高面板堆石坝监测实时动态智能反馈与预测系统进行研究。通过全面的文献调研并基于已有科研成果及现场监测资料，提出蓄水期、运行期的安全评价指标；对监测数据进行综合分析及合理评价，考虑时空效应结合多尺度有限元计算进行反演分析，获得大坝材料的合理参数，对大坝进行安全评价，并预测大坝在不同条件下的性态及安全裕度；根据监测和分析成果修正和完善不同时期各级警戒值和安全评价指标，提出相应的应急预案与措施。

3　主要经验教训

文献[4]对面板混凝土温度和干缩裂缝、面板结构性裂缝及挤压破坏、渗透破坏或水力冲蚀、接缝止水失效等方面的经验教训进行了较为系统的总结。近年来，仍有面板堆石坝筑坝出现类似的工程事故。

湖南白云面板堆石坝工程，坝高120m。1992开建，1998年完工并下闸蓄水。蓄水后前10年渗漏观测显示正常，2008年5月后渗漏量加大，最大达1200L/s。2015年完成加固处理。初步分析主要原因有：坝体与两岸基岩变形不协调，大坝填筑体密实度不足、变形量过大，止水结构缺陷或者耐久性差，趾板基础处理不到位，大坝填料分区不合理，各分区级配不良等。

四川布西面板堆石坝工程，坝高135.8m。2008年开建，2010年完工并下闸蓄水。一期蓄水后，发现大坝渗漏明显偏大。水库蓄水水位快速上升过程中，出现大坝沉降量加大及面板开裂异常情况。实测最大渗漏量1982L/s。检查发现部分面板间出现错台、局部隆起，面板高程3300m附近出现局部横向裂缝。

云南普西桥和甲岩面板堆石坝工程，坝高分别为140m和146m，初期蓄水后均出现坝后渗漏量较大情况，同时伴随有坝体变形较大等情况。采取了降低库水位检查、加强岸坡帷幕灌浆、坝前抛洒黏土铺盖等工程措施进行处理。

面板堆石坝的任何设计和施工缺陷在施工期或运行期会毫无保留地显露出来。面板堆石坝设计和施工关键还在于借鉴已有工程经验，遵照客观规律，开展深入细致的地质勘察和设计研究，提出与地形地质条件、筑坝材料特性相适应的设计和施工参数，保证施工质量，才能确保不出现坝体变形大、面板挤压破坏、渗漏量过大等问题。

4　未来发展趋势

4.1　更高面板堆石坝

由于河流梯级水电开发及水资源合理配置的需要，未来我国西部还将建设一批调节性能好的高坝大库工程。近期，古水、茨哈峡、拉哇和大石峡等工程均已在可行性研究或初步设计阶段推荐面板堆石坝为选定坝型（表2）。

这些工程坝址位于西部高山峡谷、交通不便、经济不发达地区；属高坝大库，库容大于12亿～41亿m3，工程规模大；水库大都具有较好的调节能力，为梯级中的控制性水库和关键梯级；泄洪量约900～13000m3/s，泄洪问题可通过岸边溢洪道和泄洪洞加以解决；场地基本烈度为7度，地震设计烈度大于8度。这些工程坝址区工程地质条件复杂，设计和建设具有相当的难度，虽然前期设计阶段均结合300m级高面板堆石坝适应性、安全性及技术对策和关键技术进行了研究，实施阶段还需结合具体工程特点开展深入的研究。

4.2　深厚覆盖层上的高面板堆石坝

新疆叶尔羌河干流上的阿尔塔什水利枢纽工程面板堆石坝最大高度164.8m[7]，水库总库容约22.4亿m3，电站装机容量755MW。工程于2015年6月开工建设，预计2021年5月完工。工程具有高地震烈度、高边坡、高坝及深厚覆盖的“三高一深”特点[8]。

阿尔塔什面板堆石坝采用砂砾石和堆石料筑坝，上游坝坡1：1.7，下游坝坡1：1.6。河床覆盖层最大厚度94m，趾板建在深厚覆盖上。坝基覆盖层采用全封闭混凝土防渗墙进行防渗处理。该工程建成后将是世界上趾板建在深厚覆盖层上最高的面板堆石坝工程。

5　结语

（1）中国面板堆石坝数量占全球总数的一半以上，无论是坝高和工程规模，还是技术难度都处于世界前列。面板堆石坝在中国已成为堆石坝中的主导坝型。

（2）中国面板堆石坝技术的发展，大致可分为“引进消化、自主创新和突破发展”三个阶段。未来10年，随着水资源开发利用，还将促进更多面板堆石坝的建设。

（3）中国面板堆石坝在设计、施工、科研、监测、恶劣自然条件筑坝技术等方面都积累了丰富经验，逐步建立了中国特色的技术标准化体系和工业化体系。

（4）中国从沟后溃坝事件，株树桥等坝面板破损事故中深刻吸取教训，坝体变形控制、渗透控制以及面板混凝土防裂技术取得新的突破。

（5）中国面板堆石坝将向基岩上250～300m级高坝、深覆盖层上200m级高坝方向发展。大坝防震抗震研究设计、信息化筑坝技术以及大坝安全监测技术将迈上新台阶。

参考文献

[1]　中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会.中国30m以上已建混凝土面板堆石坝统计表（截至2015年年底）.

[2]　中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会.中国30m以上在建混凝土面板堆石坝统计表（截至2015年年底）.

[3]　中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会.中国30m以上拟建混凝土面板堆石坝统计表（截至2015年年底）.

[4]　中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会.中国混凝土面板堆石坝25年[C]∥混凝土面板堆石坝安全监测技术实践与进展.北京：中国水利水电出版社，2010：1-20.

[5]　水电水利规划设计总院、中国水电工程顾问集团有限公司、华能澜沧江水电股份有限公司、黄河上游水电开发有限公司、云南华电怒江水电开发有限公司.300m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究[R].2016.

[6]　中国水电工程顾问集团公司、华能澜沧江水电有限公司、云南华电怒江水电开发有限公司.300m级高面板堆石坝适应性及对策研究[R].2010.

[7]　范金勇.阿尔塔什深厚覆盖上高面板砂砾石堆石坝坝体变形控制设计[J].水利水电技术，2016（47）：30-32.

[8]　陈晓，王旭红.阿尔塔什“三高一深”工程地质问题的勘察研究[J].四川地质学报，2011（31）：72-76.