2.12 近年发展经验和超高坝主要技术研究

自1985年中国开始用现代技术修建混凝土面板堆石坝以来，近30年来建成和在建的面板堆石坝已超过150座。特别是随着21世纪以来我国水利水电建设的蓬勃发展，天生桥一级、洪家渡、三板溪、水布垭等一批200m级高混凝土面板堆石坝的建设，为我国面板堆石坝的发展积累了丰富的实践经验，促进了面板堆石坝筑坝技术的发展。在坝体布置、筑坝材料、止水结构、混凝土面板与趾板设计、地基处理、施工方法、安全观测与质量控制等关键技术方面都有了进一步发展。因此，国家发改委和能源局组织对原《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T 5016—1999进行了修订，形成了最新的《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T 5016—2011，以反映新的建设经验和成熟的技术研究成果。但是，最新的规范也是在总结200m级及其以下的混凝土面板堆石坝的经验修订的，而对200m以上的高坝，要对堆石坝体的渗流控制和变形控制、面板应变、混凝土的耐久性和缝的止水结构设计等问题进行进一步研究和论证。

坝工界认为，坝高超过150m的混凝土面板堆石坝称为超高面板坝。超高面板坝的关键技术，是指在100m级面板坝设计、施工经验比较成熟的基础上，且综合了200m左右面板坝建设中遇到的主要技术问题。

2.12.1 2000年以后修建的超高面板坝的主要经验

天生桥一级面板坝的设计、建设和运行的经验，为2000年以后修建200m级高面板坝提供了有益的借鉴。可以认为，天生桥一级面板坝是200m级面板坝建设的里程碑。2000年以后我国修建了洪家渡坝（179.5m、2005年建成）、三板溪坝（186m、2006年建成）、水布垭坝（233m、2007年建成），这三座面板坝的沉降量均较小，面板裂缝也较小，下面简述其主要经验。

2.12.1.1 筑坝材料

（1）堆石体料采用中等硬度以上的岩石，级配良好，要求孔隙率低至20%或更小，以减少压缩模量。如三板溪为获得更小的孔隙率和更高的干密度，采用超硬岩与适量的风化岩混掺措施。

（2）具有相同压缩模量的坝，其最大沉降量与坝高的平方成正比，因此沉降率与坝高的一次方成正比。

（3）基准沉降率，是将沉降率除以H/100m，这样就可以代表坝体堆石的压缩模量。

（4）在计算坝最大沉降量、沉降率的同时，计算基准沉降率，以比较压缩模量。

（5）这些坝的压缩模量应为天生桥坝的2～2.5倍，约为80～100MPa。

2.12.1.2 堆石分区

（1）扩大主堆石的范围，视坝高不同，主堆石区向坝轴线下游扩展，并在下游洪水位以下设置水下堆石区（排水区），要求级配良好，小于5mm细料含量小于20%，小于0.075mm的细粒含量不大于5%，抗冲蚀性好，渗透系数大。

（2）主次堆石区的孔隙率基本一致，压缩模量相差不大，使坝体上下游堆石体成为均一密实体。

2.12.1.3 改变坝体填筑程序

（1）第一个汛期大坝用临时断面先挡水度汛高程后，即停止上升，并控制抬头坝高差在50m以内，随即将下游坝体填平，使上下游堆石沉降较均匀。

（2）上游堆石的填筑，需按照先主堆石、其次过渡料、最后垫层料的施工程序。这样可以在垫层料与过渡料界面上清除大于10cm的超径石，以保证过渡料对垫层料的反滤作用。过渡料与主堆石的界面上也可清除大于30cm的石块，使堆石粒径分布更加合理。

（3）防止上下游堆石沉降差的主要施工措施是：分期填筑时应从下游往上游依次填筑，不可前高后低、可以后高前低，延长次堆石区沉降变形时间，协调主次堆石区变形。

2.12.1.4 设置堆石预沉降时间并控制沉降速率

拉面板前应预留6个月左右的沉降期，当沉降率小于5mm/月后方可拉面板，分期施工面板的顶高程应低于堆石体20m以上。

2.12.1.5 选择先进、大型碾压设备

（1）一般均采用25t振动碾，碾压8～10遍。

（2）保证加水量，提倡车上加水。

（3）采用GPS数字大坝，控制铺料厚度、碾压遍数和搭接长度。我国规范规定设计指标与碾压参数同时作为控制指标，并提出以碾压参数控制为主（美国标准主要控制碾压参数）。可见碾压参数控制的重要性。如果配合GPS数字大坝监控技术，可以很方便地实施碾压参数的过程控制。

2.12.1.6 面板混凝土防裂技术

（1）混凝土等级采用C30W12F100，双向配筋。

（2）复合外加剂，掺聚丙烯纤维或聚丙烯腈纤维，也可采用微膨胀混凝土和钢纤维混凝土。

（3）水布垭面板在上部1/3坝高处设水平永久缝。

2.12.1.7 高性能接缝止水材料

（1）简化周边缝止水结构，以铜止水、表面塑性止水及自愈性止水为主。

（2）建议趾板转角采用连接段体形，因此可以减少一半转角度数，从而提高铜止水对三向位移的适应性。

（3）异形止水采用一次冲压成型技术，尽量减少焊缝。

2.12.1.8 压性缝结构

为避免面板厚度的减小，宜采用鼻子高度较低的铜止水（三板溪为3cm），砂浆条不占面板厚度，减小或取消V形槽深度等措施。有些专家建议面板压缝改为施工缝，面板钢筋应过缝，取消止水，可以避免崩角破坏，也可以节省造价。

2.12.1.9 垫层料坡面保护

（1）洪家渡、三板溪采用喷乳化沥青及碾压砂浆进行垫层料坡面保护，水布垭采用挤压墙护面。

（2）垫层料采用超填、修坡、斜面碾压及垫层料坡面保护等，施工工艺复杂，坡面处理量大，但可以避免坝面亏坡，对面板约束小。

（3）挤压墙施工工艺简单，自黄河公伯峡水电站运用后，目前应用较广泛；但垫层料与挤压墙界面处不易压实，对面板约束大，一般采用在挤压墙坡面喷乳化沥青。

2.12.1.10 面板厚度分区

在河谷部位的顶部面板易产生挤压破坏区，在三板溪采用40cm为最小厚度，其余区仍采用常规厚度。

2.12.2 100m级面板坝的技术要点

100m级面板坝设计要点主要包括坝体稳定分析和坝体分区设计两个方面。

2.12.2.1 坝体稳定分析

面板堆石坝结构设计常采依赖于建设经验和工程类比，其抗滑稳定安全系数可以达到7，一般不需进行稳定性分析，主张上、下游坝坡均为1∶1.3，我国一般采用1∶1.4，主要是防止施工过程中滚石造成安全威胁。

2.12.2.2 坝体材料分区设计

坝体材料分区设计要点主要有两条：①坝体渗流控制；②减小面板变形及应力。

1.渗流控制

渗流控制的目的是避免堆石材料中细料的大量流失，产生附加沉降，导致面板进一步破坏。渗流控制的重点是规定合适的分区材料级配，主要是垫层料。谢拉德认为，面板应设置渗透系数较低、施工中又不产生分离的垫层料，即可起限漏作用，又可为面板水下堵漏创造条件。谢腊德建议的垫层料级配曲线为：最大料径不大于7.5cm，小于等于4.75mm的细料含量为35%～55%，小于等于0.075mm的细粒含量不超过12%，这是一种在渗流作用下细料不流失的自滤性垫层料。

其他渗流控制要求：合适级配的过渡料，要求在垫层料界面上必须清除10cm以上的超径后才能填筑垫层料并骑缝碾压，最大粒径不超过填筑层厚，细料含量小于20%，满足自由排水和对垫层料的反滤保护。过渡料获得较容易，一般采用洞渣料，也可以在石料场直接用爆破方法获得。

主堆石的最大粒径不超过层厚，细料含量小于25%时被认为不起骨架作用，因此规定5mm以下细料含量小于20%，一般硬岩堆石料的细料含量都在10%以下。

2.减少面板变形的堆石分区

主堆石3B（3A为过渡料）区的宽度由面板挠度计算及料源情况确定，应尽量减小其压缩性。

下游堆石3C区仅承受小水压力，其压缩性对面板的挠度影响甚微，可以采用更大的层厚。

2.12.3 200m级超高面板坝建设出现的主要问题及经验教训

20世纪90年代后期建成的超高面板坝，如墨西哥的阿瓜密尔帕坝（187m、1995年）和天生桥一级坝（178m、1999年），面板出现了结构性裂缝，发生较大漏水量。我国的天生桥坝、巴西的巴拉格兰德坝（185m）和肯柏沃坝（202m）发现面板沿垂直缝压损后，又提出需要制定控制面板挠度的定量指标。

2.12.3.1 阿瓜密尔帕坝

（1）为避免水平拉伸结构裂缝的产生，主要措施是加宽主堆石区，以控制上下游沉降差。

（2）美国的库克先生认为，水平拉伸裂缝是由于上下游堆石区过大沉降差所致。下游堆石区压缩模量（47MPa）为上游砾石区压缩模量（260MPa）的1/5，压缩模量梯度太大。

（3）美国的库克先生提出超高面板坝要加强渗流稳定控制，巴西专家建议，垫层料中5mm以下细料含量要增加到40%～55%，小于0.075mm细料含量应小于5%～8%，并应适当增加垫层料宽度，以提高渗流稳定。

（4）巴西平托先生强调，坝轴线下游坝体材料不影响面板挠曲的老概念对超高坝来说是错误的，主堆石应占2/3坝宽。对于170m以上的高坝，距坝顶0.33H处应设置面板永久水平缝，其上部坝体材料都采用主堆石区。

（5）中国专家认为，弯曲裂缝只能通过设置堆石预沉降解决，如沉降6个月后再浇面板则顶部挠度很小，可以防止面板水平弯曲裂缝产生。

2.12.3.2 天生桥一级面板坝

1.垫层和面板开裂

三期面板挠度主要是面板浇筑后的堆石变形产生，因此是堆石的徐变产生的，超高坝徐变量大是其特点。因此，要设置堆石预沉降周期，如沉降周期半年左右，面板顶部挠度将不超过30cm，就不会产生弯曲裂缝。同时采用加大临时坝顶超高的措施。

此外，堆石采用更大的碾压参数，不仅可以提高堆石的压缩模量，并且可以减小徐变量和预沉降后的面板挠度。

控制坝顶沉降速率。设置堆石预沉降周期和控制沉降速率使之收敛后再拉面板，是防止面板产生结构性裂缝的最重要措施。

2.面板压损

面板压应变与挠度比较密切，为避免面板沿垂直缝压损，应控制面板挠度。超高面板坝顶部挠度最大，主要是由徐变产生的，应通过分期蓄水措施，使大量的挠度变形在蓄满前完成。

2.12.3.3 200m级面板坝的经验与教训

2000年以前的经验设计认为“绝大部分水平荷载是通过坝轴线以上坝体传到地基中去的；而越往下游堆石体对面板变形的影响越小，故坝料变形模量可从上游到下游递减”，对150～200m面板坝是不完全适应的。

高坝设计要重视变形控制，郦能惠教授提出“坝体分区设计应遵循四条原则：料源决定原则、水力过渡原则、开挖料利用原则、变形协调原则。重点是变形协调原则，既要做到坝体各区的变形协调，又要做到坝体变形与面板变形之间的同步协调”。

针对存在的问题，2000年以后所建面板坝虽然仍然存在不同程度的面板结构性裂缝、面板脱空及压缝混凝土面板挤压破碎，但渗漏量小，总体运行良好。总结这些面板的建设经验，主要有下述几个方面。

1.断面分区设计

坝体分区设计注意了渗流控制和变形控制，增大了上游堆石区的范围，上、下游堆石区的分界线向下游倾斜，以减小下游堆石区变形对坝体上游堆石区的影响。

上下游堆石区采用同一料源，或尽量减少上下游堆石区的压缩模量差。同时在较陡岸坡和上部高程设置增模区，要求比主堆石区有更高的压实度，以协调变形。

渗流控制要求，坝体内有竖向和水平向排水区，使渗透水能顺利排至下游，使下游水位以上坝体保持干燥状态。

2.压实标准

堆石体采用中等硬度以上级配良好的石料，要求孔隙率降低至20%以下，采用20～30t的大型振动碾提高堆石体压实度，洪家渡和董菁坝还采用冲碾压实机，击振力达到200～250t。

采用GPS监控技术实时在线控制施工质量，采用附加质量法等手段检测干密度。

洪家渡、三板溪、水布垭上游堆石区的孔隙率分别为19.6%、17.62%、19.6%，下游堆石区的孔隙率分别为20.02%、19.48%、20.7%，比天生桥一级降低了2%～4%。三座堆石坝的最大沉降率分别为0.74%、0.78%和0.96%，而天生桥一级为1.94%，上下游堆石体的压缩模量比为1.3或更小。

3.筑坝分期

吸取天生桥一级坝上下游堆石体高差123m的教训，摒弃了原有的前高后低的填筑程序，注重将坝体施工填筑分期与坝体变形控制结合起来，除第一个汛期采用临时断面挡水度汛外，要求坝体填筑分期，尽量做到上下游均衡上升，分期填筑时下游堆石区可以先填筑，以减小上下游堆石体沉降差。

在分期施工混凝土面板前，创新性地提出了堆石体预沉降控制理论，提出坝体预沉降控制的两项指标：每期面板施工前，堆石体应有半年左右的预沉降时间，沉降变形速率已趋于收敛，并要求面板的顶高程应低于堆石体15～20m。这是避免或减少面板结构性裂缝的重要措施。

4.面板结构及接缝止水

面板顶部的厚度从30cm加厚到40cm，对于水库深度大于120m范围的面板采用新的厚度计算公式T=0.0045H。同时提高混凝土的防裂性能，掺复合外加剂和其他纤维性材料对混凝土改性。

为防止面板挤压破坏，除提高混凝土强度等级外，在压性缝端部一定范围内设置挤压钢筋，并在压缝内嵌填富有弹性和具有吸收变形能力的嵌缝材料，同时减小底部铜止水鼻子高度，少削弱面板受压断面尺寸。

接缝止水结构形式，从单一止水型向自愈止水相结合发展。国内大多数工程都用波浪形面止水代替中部止水，底部采用复合铜止水，这是混凝土面板止水结构的重要进步，加强表层止水，使止水结构更可靠。止水材料能适应较大的拉伸、剪切变形，其耐久性大幅提高，研发并广泛应用抗老化性好的三元复合橡胶板盖层。

2.12.4 300m级面板坝需要研究的关键技术问题

从200m级面板坝建设和运行经验看，堆石体是支撑结构，坝体变形控制是超高坝关键技术的核心。300m级面板坝的关键技术需要从下述几个方面进行研究。

2.12.4.1 坝体分区

（1）200m级面板坝垫层裂缝、面板脱空和面板裂缝等问题表明，传统的坝体分区设计原则不适合超高面板坝。

（2）堆石的分区不仅要减小挠度，并且要减少上下游沉降差，此外挠度的控制还要定量化。

（3）超高坝的坝体沉降量大、徐变量大，顶部面板更容易产生结构性裂缝。

（4）坝体分区设计中要重视变形协调原则。应加大主堆区的范围，减少主、次堆石区的压缩模量比，设置下游洪水位以下的水下堆石区，在上部坝体应设置增模区，在陡坡段设置特别堆石区等，经协调上下游变形及陡边坡对坝体不均匀变形的影响，控制顶部的挠曲变形。

（5）设置预沉降时间，减少坝顶徐变的不利影响。

2.12.4.2 筑坝材料及计算理论

（1）超高面板坝在高应力和高围压条件下，在施工期有压缩变形和徐变，蓄水后的变形有徐变、湿变和劣变的特征。

（2）坝体变形大，应对筑坝材料的强度和变形特征深入研究，并在此基础上对现有的计算模型进行修正，要反映徐变。

（3）应重点研究高围压及复杂应力路径下堆石料的大型三轴压缩试验、剪切试验、流变试验和湿陷变形试验，提出适应300m级面板坝的计算模型，对应力应变进行预测分析。

2.12.4.3 面板结构设计

（1）研究适合300m级超高面板坝的新型面板结构，包括面板厚度分区、防渗、抗裂设计准则，压性缝面板的结构特性，面板设永久水平缝隙的必要性。

（2）建立面板与垫层料接触面的计算模型，研究减小面板发生脱空现象的措施。

2.12.4.4 筑坝程序与坝体变形控制

（1）变形控制是超高面板坝设计和施工的核心。

（2）施工期和蓄水期由于堆石体自重和水荷载产生的加载变形及徐变是控制坝体变形的重点，对超高面板坝尤其重要。

（3）在坝料特性及计算理论研究的基础上，通过优化仿真分析，对坝料使用、坝料分区及填筑程序等方面均应严加控制，合理安排坝体分期填筑、面板分期浇筑和度汛、蓄水计划，并选择碾压功能大的高性能碾压设备，最大限度地控制坝体变形。

2.12.4.5 高性能止水材料

（1）由于超高面板坝坝体的变形相对较大，混凝土面板变形特性及接缝变形的估算和接缝止水处理措施也需要进行深入研究。

（2）应研制适应高水头、大变形的高性能接缝止水材料。

2.12.4.6 抗震与安全监测

研究超高面板坝的地震动力反应、应力应变分析和破坏机理，提出有针对性的抗震工程措施。应进行安全监测设备研究，以解决300m级面板坝监测仪器的性能、结构、埋设安装技术，为高坝运行在线监控和反馈分析提供保证。

2.12.5 300m级面板坝研究思路

（1）坝体变形控制和混凝土面板防裂是超高面板坝的关键技术问题。对300m级超高面板坝，还需进一步开展基础科学和关键技术研究。

（2）选择建设条件较好的300m级超高面板坝作为依托工程，深入开展坝体稳定、应力应变和面板防裂等关键技术研究及相应的施工技术研究。同时深入开展与坝高、河谷形状与堆石料原岩特性相适应的堆石体密实度指标、坝体断面分区等研究。按坝体变形控制要求，提出满足坝坡抗滑稳定和坝料渗透稳定的坝料设计准则、分区设计原则。

（3）进一步探讨采用非线性强度指标进行300m级超高面板坝坝坡稳定分析的适应性，研究300m级超高面板坝坝坡稳定设计原则。开展高水头作用下大尺度堆石体的渗透破坏试验技术研究。

（4）研制更大尺度的试验设备，提高大型试验设备的稳定性和精确性，开展堆石体大尺度试验技术研究、原位及数值试验研究，在堆石体复杂应力路径的试验手段上有所突破。

（5）研究合理的堆石体本体模型和参数的确定方法，探索更为合理的接触面模型和模拟手段，发展更为精细的模拟方法，提高数值模拟的精确度，从细观角度研究堆石体变形机理，合理进行坝体变形预测。

（6）深入开展高面板坝垂直缝挤压破坏机理和原因分析，预测300m级超高面板坝挤压破坏的可能性，从控制坝体变形和提高面板抗挤压等方面提出面板结构和材料措施。

（7）研究与300m级超高面板坝接缝张开、沉降、剪切等大变形相适应的止水结构及材料，对已有的止水结构进行改进，增强止水结构的自愈性和大变形高水头下的稳定性。

（8）结合已有面板的抗震实例，系统地归纳总结各种抗震方法和工程抗震措施，研究其针对性、可靠性和作用机理，提出相应的高坝加固措施。

（9）对750m级超长垂直水平位移计的适应性以及耐久性进行研究，积极发展新型坝体变形监测技术。开发300m级超高面板坝变形实时动态智能反馈与预测系统，实时高效地为堆石坝的后续施工提供技术支撑。

（10）结合依托工程，研究制定适应于300m级超高面板坝的施工导流、填筑分期、上下游堆石体高差、分期面板顶部堆石体超高的控制标准，制定恰当的压实标准和质量控制标准、预沉降控制标准，研制大型碾压机具，提高堆石体的压实度。