1、土石坝工程2002 年第 1 期1高混凝土面板堆石坝质量控制几个问题的启示赵增凯(水利部水利水电规划设计总院)随着我国水利水电建设事业的发展，混凝土面板堆石坝(以下简称面板坝)从八十年代中期起步建设至今，已有 16 年，取得了长足的进展，积累了丰富的实践经验。据不完全统计，到 2001 年底，已建和在建的面板坝有近百座，其中坝高 100m 以上的高坝有 22 座。已建成最高的面板坝是天生桥坝(178m)；在建最高的是水布垭坝(233m)。在西部大开发的大好形势下，贵州的洪家渡(179.5m)、引子渡(129.5m)、四川的紫坪铺(156m)、青海的公伯峡(139m)以及新疆的吉林台(152m)
2、等一批高坝相继开工兴建。还有更多的面板坝在施工准备和勘测设计之中。我国在面板坝发展过程中也出现过一些问题，但经验和教训都是宝贵的，认真总结和改进，不断提高了建坝水平。对此曾有文作过简要的回顾 3。鉴于近年来百米以上高坝日益增多，有共同的特点但又有各自的特殊性，有关单位正深入开展专题研究和论证工作。本文仅就高面板坝工程质量控制方面遇到的几个问题谈谈粗见，供参考。1关于坝体主、次堆石分区(1)关于坝体主堆石区和下游堆石区(常称次堆石区)的分界线，在面板坝设计规范中列有分区示意图，并原则注明主、次堆石区分界线依坝料特性及坝高而定 12。但此分区界线的定量位置需通过工程类比综合分析确定。见图。我国已建
3、的多座高坝的主、次堆石区分界情况列于表 1。1(1A)上游铺盖区；2(2B)盖重区；3(2A)垫层区；4(2B)特殊垫层区；5(3A)过渡区；6(3B)主堆石区；7(3C)下游堆石区；8(3D)下游护坡；9可变动的主堆石区与下游堆石区界面，角度依坝料特性及坝高而定；10(3E)抛石区(或滤水坝趾区)；11(F)混凝土面板图 1 硬岩堆石坝体主要分区示意图高混凝土面板堆石坝质量控制几个问题的启示2表 1 部分已建高面板坝主、次堆石区分界实例主堆石区堆石填筑标准 次堆石区堆石填筑标准序号 坝名 坝高(m) 主、次堆石区分界线 d(g/cm3) n(%) d(g/cm3) n(%)1 花山 80.8
4、 倾下游 1:0.5 2.05 22.1 2.02 23.22 东津 85.5 倾上游 1:0.5 2.10 21.3 2.0 25.03 大桥 93.0 中部倾下游 1:0.5 2.16 21.7 2.1 25.04 万安溪 93.8 倾下游 1:0.25 2.10 19.0 2.10 21.05 西北口 95.0 倾下游 1:0.25 2.15 23.0 2.10 25.06 柴石滩 101.8 倾下游 1:0.5 2.20 23.3 2.1 25.07 茄子山 107.0 倾上游 1:0.2 2.07 21.3 2.0 24.08 白云 120 倾下游 1:0.2 2.10 22.0 2
5、.05 约 239 芹山 122 倾下游 1:0.5 2.05 22.0 2.0 23.010 天生桥 178 坝轴线分界 2.10 23.0 2.15 22.0从表 1 可以看出，120m 级及以下的坝，多数坝的主次堆石区分界线倾向下游，采用坡率 1:0.21:0.5；也有个别坝倾向上游，坡率 1:0.21:0.5，选用的坝料分区、填筑标准比较合适，建成运行几年来坝的性态良好。但是实践说明对于坝高达 180m 的天生桥坝，其主、次堆石区分界线和坝料填筑压实，则对坝体上游区及混凝土面板变形 性 状 有 明 显 影 响 。经 过 工 程 实 践 的 检 验 ， 增 强 了 我 们 对 高 坝 分
6、 区 、 分 期 、 压 实 的 认 识 。(2)天生桥坝施工期(1999.3)最大沉降 292cm，相当于坝体高度的 1.64%，蓄水初期(2000.10)坝体最大沉降达 338cm，相当于坝高的 1.9%(位于次堆石区内)。下游坝体横向位移最大值约 107.3cm。在坝体分期填筑中，个别阶段抢筑拦洪的临时断面形成了顶部和下游区底部 123m 的高差。主、次堆石区产生了明显的沉降差，致使上游坝面局部产生了较大差异变形 3。以 0+630 较大剖面为例，在下游坝坡处，水平位移增量的峰值等值线呈“开口型” ，沿坝坡扁平向分布，数值较大的等值线从下游坝坡底部一直延伸到上游坝坡 750m高程上下。这
7、种变形分布特点，在反演的三维有限元计算中，无论采用试验室参数或反馈参数，其计算结果都再现了这种特点 8。坝体和面板曾出现了多条裂缝以及面板顶部与垫层之间的脱空现象，已进行了妥善处理。大坝坝前已蓄至正常蓄水位 870m，近期原型监测表明，坝体变形除面板顶部的测点外，其它趋向稳定，渗流量稳定在 150L/s 左右，大坝性状未见异常，处于安全和正常运行状态 4(图 2图 5)。株树桥面板坝(78m，1990)，施工期间为了抢筑到拦洪渡汛高程，承建单位采用了下游边坡 1:1 的临时断面，并且堆石区与滞后填筑的垫层、过渡层之间形成了最大高差 23.1m的不均衡形象。经工地两次检查，曾发现垫层和过渡层部位
8、出现 34 条裂缝，最宽裂缝40mm，大部分平行坝轴线且形成向下游弯曲的弧线；裂缝开口的上游面高于下游面，说明堆石区的沉降对垫层区、过渡区产生了明显的差异变形。之后，采用“挖除、碾压、强夯、重新回填”等措施进行了处理 12。但由于大坝工程存在缺陷，蓄水后渗漏量不断增加，至1999 年 7 月达 2500L/s 以上。长委设计院承担该大坝渗漏处理设计期间，鉴于大坝与两岸基岩边界之间产生了较大相对变形，经水下彩色电视详查，多处面板下部塌陷、折断以致成洞，防渗体系受到破坏。放空检查处理，发现垫层细料较少，干密度较低，超径石较多。过渡料相当部分使用了主堆石料，导致垫层细料流失，坝体塌陷，垫层与面板间脱
9、空，面板断裂，大量漏水。2001 年汛前进行了第一阶段的面板修复、止水补强及坝体脱空处理，渡过了汛期；第二阶段加固处理正在进行 13。土石坝工程2002 年第 1 期3图 2 天生桥面板坝横剖面及坝料分区图图 3 天生桥大坝填筑施工分期图 4 0+630 剖 面 坝 体 实 测 水 平 位 移 增 量 图 (自 坝 体 768 临 时 剖 面 渡 汛 以 后 )(向 右 为 正 ， 单 位 ： cm)图 5 0+630 剖面坝体实测沉降图(向下为正，单位：cm)IB任意料；IIB垫层料；IV粘土料；IA粘土料；IIA垫层料；IIIA过渡料；IIIB主堆石料；IIIC软岩料；IIID次堆石料高混
10、凝土面板堆石坝质量控制几个问题的启示4(3)墨西哥阿瓜密尔巴坝(185.5m，1993)，是当今世界上已建成运行最高的面板坝，它的建设和运行、连同我国天生桥高坝在内的世界许多高坝的建设和运行，为面板坝的发展提供了大量可贵的经验，并不断总结出了需要注意和改进的问题。阿瓜密尔巴坝的主、次堆石分区也是以坝轴线分界(见图 6)，上游主堆石区(B 区)为砂砾石料，最大粒径40cm，填筑层厚 60cm，10t 振动碾碾压 4 遍，干密度 2.22g/cm3，孔隙率 18%；坝轴线至倾向下游 1:0.5 坡度范围内(称 T 区)采用了砂砾石和堆石料，最大粒径 50cm，填筑层厚同上游区为 60cm，10t
11、振动碾碾压 4 遍，干密度 2.04g/cm3，孔隙率 24%；其下游(3C 区)为建筑物区开挖石料，最大块径 100cm、填筑层厚 120cm，10t 振动碾碾压 4 遍。坝体上、下游区填筑料的填筑标准及压缩模量差别较大。从蓄水后头两年中(1993.8.201995.1.10)的坝体等沉降线(见图 7)可以看出，主、次堆石区呈现较明显的沉降差，下游区的沉降变形及蠕变影响到坝体上游面混凝土面板，使其直接受到拉应力和弯曲应力而形成拉应力的影响，出现一条近水平的宽裂缝，位置在坝体混凝土面板上部 180m 高程(坝顶高程 230.5m)附近，裂缝最大宽度 15mm，另外还有几条水平和斜向裂缝。实测的
12、坝体渗水量一般情况下很少，但当库水位接近 220m 时显著增加，最多曾达到过 260L/s；坝基岩体及防渗处理效果明显，绕坝渗漏量不超过 3L/s。坝体沉降变形已趋于稳定，裂缝已研究并处理，大坝运行性态良好 5。1B细粉砂；3B冲积层材料区；3F块石区；T过渡区 (50cm 开挖料或同 3B、3C 料)；反滤层，8cm；3C块石区，1m；2F反滤层，4cm；块石区，1m；混凝土面板图 6 阿瓜密尔巴大坝断面(4)此外，从世界上一些已建高面板坝坝料分区实践情况看，例如澳大利亚，自从塞沙那坝(101m，1970)成功建成运行之后，坝体分区基本定型，其中的主、次堆石区分界，在其坝料分区图中基本上采用
13、自坝轴线向下游倾 1:0.5 的坡度 67。巴西辛戈坝(151m，1994)，全坝体座落在坚硬和微风化岩基上，主、次堆石区采用倾向上游 1:0.2 坡度分界线；上游堆石区和下游堆石区分别为：上游区最大粒径及填筑层厚度 1m，10t 振动碾加水碾压 4 遍，下游区为 2m，10t 碾不加水碾压 4 遍；堆石体上游面也发生有拉应变，面板与垫层间脱开的楔形间隙作了灌注水泥浆处理 14。哥伦比亚萨尔瓦兴娜坝(147m，1985)，上游堆石区为砂砾石料，下游区主要采用溢洪道开挖相当破碎的粉砂岩和砂岩料，主、次堆石区采用自坝轴线倾向下游 1:0.5 的分界线；主堆石区(砂砾石)干密度 2.24g/cm3、
14、孔隙率 20%，次堆石区干密度 2.26g/cm3、孔隙率 17%，总体压实比较均匀，两区沉降变形虽有一定差异(竣工期最大沉降值：上游砾石区 30cm，土石坝工程2002 年第 1 期5下游堆石区 60cm)，但对坝体上游区及面板未产生不利影响 67。可以看出，这种分区的主堆石区体积及面积相对较大、坝体分期填筑坝面高差比较均衡，各区坝料填筑标准比较接近，该主堆石区变形稳定性能够消除下游堆石区沉降变形对上游面的影响。见图 8、图9。高混凝土面板堆石坝质量控制几个问题的启示6图 7 阿瓜密尔巴坝坝体等沉降线图图 8 萨尔瓦兴娜坝施工期内的沉降线图(图中沉降量的单位：cm)图 9 萨尔瓦兴娜坝初次蓄
15、水期内等沉降图(5)我国在建的四川紫坪铺、贵州洪家渡、引子渡和新疆的吉林台面板坝，还有当今世界上在建最高的湖北清江水布垭面板坝，针对各自工程坝高、坝料特性及料源和施工等条件，并综合吸取已建高坝变形特点的实践经验，从适当留有安全余地出发，主、次堆石区分界线，均采用了自坝轴线倾向下游布置的方案，其坡度在 1:0.21:0.5 间优选，多数选用了 1:0.5 的坡度；同时安排均衡升高的坝体填筑分期；采用压实干密度(孔隙率)和压缩模量比较均匀而严格的填筑标准；并选择面板混凝土浇筑滞后于坝体升高和有一定沉降的最佳时机。使坝体上、下游区不产生大的差异变形，以避免坝体上游区及面板出现结构性裂缝等问题。实践将
16、给予进一步检验和充实提高。2关于坝体填筑分期(1)在按期达到各阶段坝体填筑计划目标要求的前提下，应力求坝体填筑各分期全断面升高比较均衡，避免先后填筑的坝体有较大高差，以使坝体整体间的适度变形得以相互协调。(2)萨尔瓦兴娜面板坝是在 1982 年 7 月至 1984 年 11 月间修建的。坝体砂砾石填筑从趾板下游 100m 处开始，以使坝体填筑与趾板区开挖和混凝土浇筑可以同时进行。坝体填筑共分 6 期，见图 10，第 1 期坝体填筑继续到 1076m 高程，接着第 2 期全面达到这一高程。之后的各分期均本着全断面填筑升高的程序进行，各区内坝体高差大致在 25m 左右，并结合共 3 期混凝土面板浇
17、筑的安排，大部是先填筑坝体上游部分，而在浇筑面板时继续完成土石坝工程2002 年第 1 期7下游部分的填筑。没有发现因随后坝体填筑引起的位移而使早期浇筑的面板发生明显位移。该坝竣工及蓄水运行性态的观测效果看出，坝体全断面填筑升高的均衡施工，对防止坝体上游面及混凝土面板受拉开裂起到良好效果。(3)珊溪面板坝(132.5m，2000)在建设中结合工程特点，实施了坝体合理分期、均衡升高的施工程序，将坝体分成 9 期全断面填筑，每期坝体填筑高差大体上控制在 20m 左右(见图 11)，并尽量安排面板浇筑滞后于相应坝体填筑升高后一个期限，使坝体达到一定的沉降固结。鉴于珊溪工程规模较大，坝体填筑量约 59
18、0 万 m3，为了实现大坝总体均衡填筑，截流前在两岸和截流后在趾板区下游 60m 基坑外超前填筑，为坝体大规模填筑期的全面均衡升高统筹安排，效果较好。图 10 萨尔瓦兴娜面板坝的施工进度分期图图 11 珊溪水库面板堆石坝断面高混凝土面板堆石坝质量控制几个问题的启示8图 12 阿瓜密尔巴大坝施工进度分期图3关于坝体压实(1)坝体压实，一方面是压实各分区坝料使之达到密实度较大、孔隙率较小和压缩模量较高的标准；另一方面应是各分区在内的全坝体压实比较均匀，以防止产生明显的沉降变形而造成坝体上游区出现受拉开裂等问题。前面例举的哥伦比亚萨尔瓦兴娜面板坝各分区的压实密度比较均匀，沉降值较小，变形性态良好。我
19、国面板坝的大坝各分区压实干密度标准差绝大多数工程均在 0.05g/cm 以下，孔隙率也较小，全断面压实比较均匀，坝的压实质量良好，坝体变形适度，运行正常。(2)珊溪面板坝，坝基覆盖层(Q4 及 Q2 层)最大厚度 24m。趾板下游 60m 范围内开挖至基岩后，回填并压实相应各区坝料。坝体填筑层厚度：小区料 20cm，垫层及过渡层 40cm，上游堆石和砂砾料 80cm，下游堆石 120cm，分别采用 1618t 振动碾，碾压 68 遍。检测结果，各种坝料压实平均干密度均大于设计要求值，干密度均方差(标准差)均小于规范要求的 0.1g/cm3标准，孔隙率也较小(见表 2)；建成蓄水一年多至 200
20、2 年 1 月，坝体坝基累积沉降最大值为 88cm，其中坝基沉降 26cm，坝体沉降 62cm，占坝高的 0.66%；坝基渗压计实测的坝体内水位基本接近坝后尾水位 10。没有发生面板裂缝以及面板与垫层间脱空等问题，压实质量较好。表 2 坝体填筑干密度检测成果干密度(g/cm 3) 孔隙率(%)实测 实测部位 检测组数小 大 平均 均方差 设计 小 大 平均 设计小区料区 42 2.16 2.27 2.17 0.02 2.157 15.6 18.6 17.4 18垫层料区 98 2.16 2.34 2.19 0.024 2.157 14.5 18.7 17.6 18过渡料区159 2.13 2.
21、25 2.17 0.029 2.13 14.3 19.0 17.7 19过渡料区226 2.13 2.22 2.17 0.026 2.13 15.7 19.9 18.5 19主堆石区 116 2.10 2.17 2.12 0.017 2.1 16.7 20.4 19.5 20次堆石区 35 2.05 2.13 2.08 0.02 2.05 19.0 22.1 20.9 20砂砾石区 48 2.13 2.26 2.16 0.022 2.14 15 19.9 18.7 19土石坝工程2002 年第 1 期9(3)垫层料的压实，直接关系到坝体上游面和混凝土面板的安全运行，也是坝体压实重中之重的部位。
22、巴西依塔面板坝(ITA，125m)采用“挤压式边墙”(简称“挡墙”)进行了垫层料填筑碾压施工的改革性措施，取得了良好的效果，已在巴西、秘鲁、阿根廷、南非等国一些高面板坝中应用 11，可资借鉴。采用“挡墙” ，可以取消垫层超填、削坡和斜坡碾压，全部垫层料在坝面上垂直碾压，简化了施工程序，利于控制好垫层压实质量和加快施工进度。且“挡墙”坡面可防御降水冲刷并便于临时挡水渡汛和混凝土面板浇筑施工。我国已有几座面板坝工程开始研究“挡墙”方案，个别工程结合坝料碾压试验，进行科研试验和生产性试验，以及挤压机具研制，并通过数学模型等综合分析论证“挡墙”适应坝体变形性能。(4)顺便指出，过渡区是保护垫层并起反滤
23、过渡作用的坝体分区结构，其石料质地、级配及压实密度(孔隙率)等也必须全面符合设计及规范要求，否则将造成隐患。垫层区和特殊垫层区(小区)应配置激振力较高的振动平板，对周边缝的周边、岸坡边缘和小区料等进行有效压实，切勿大意。在目前垫层施工程序下，宜采用振动平板对垫层上游边缘进行有效的压实，尽量减少上游坡面超填，提高压实质量。为了有效改进碾压参数质控措施，清江水电开发公司水布垭公司正组织研发，采用GPS 定位技术实时高精度大坝碾压施工质量监测系统，对控制好坝体碾压质量有重要现实意义。4结语我国现代面板坝的建设形势喜人，大量的高面板坝建设，对我们每个工程技术人员提出了更高的要求，责任重大。在高面板坝填
24、筑质量控制方面，我们当更加以精心设计、精心施工的精神，深入方案比较，分析选定好坝体材料分区，综合确定好坝体填筑分期、填筑标准和面板浇筑时机，严格控制好坝体压实质量，将分区、分期、压实三个方面密切结合，和坝的整体质量控制统筹安排，将每座高面板坝都建成优质工程。参考文献1 SL228-98 混凝土面板堆石坝设计规范，中华人民共和国水利部发布2 DL/T5016-99 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 设 计 规 范 ， 中 华 人 民 共 和 国 国 家 经 济 贸 易 委 员 会 发 布3 蒋国澄，赵增凯，中国的高混凝土面板堆石坝，北京：混凝土面板堆石坝国际研讨会论文集，2000.9.184 中国
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