溷凝土面板堆石壩

1、混凝土面板堆石壩一一富有競爭力的壩型世界混凝土面板堆石壩的發(fā)展歷程混凝土面板堆石壩,是以堆石或礫石為主體材料、上游以 混凝土面板作為防滲體的一種土石壩型。據(jù)美國壩工專家介紹，用石料筑壩早在古代已有，但一般認(rèn)為，堆石壩發(fā)源于美國的加利福 尼亞州。堆石壩的發(fā)展過程可劃分為三個階段，即1 8 5 01 9 4 0年，以拋填堆石為特征的早期階 段;1 9 4 01 9 65年，從拋填堆石到碾壓堆石的過渡階段;1 9 6 5年以后推廣碾壓堆石的 現(xiàn)代階段。早期階段，在1 9世紀(jì)中葉的1 8 7 0年，美國加利福尼亞人在塞拉山上，用拋填堆石加木面 板作防滲，筑起了世界上第一座木面板堆石壩。至U1 9 0

2、0年混凝土面板堆石壩成為一種典型 的堆石壩。在1 9 2 01 9 4 0年間，美國建成了許多3 0米以上的面板堆石壩，而且，壩越 來越高，如19 3 1年建成的鹽泉壩，高達(dá)1 0 0米。在這一階段，因采用拋填堆石方式，堆石松散不密實(shí)，壩體變形大，混凝土面板出現(xiàn)裂縫嚴(yán) 重，導(dǎo)致壩體嚴(yán)重滲漏。雖然安全并不成問題，但大量滲漏是人們不希望發(fā)生的。因此，在本 世紀(jì)4 0年代至5 0年代，出現(xiàn)了一個停滯時期，基本沒有再修建較大的面板堆石壩。19 5 8 年，英國修建的庫契壩，首次引入了振動碾壓實(shí)壩體堆石。層厚0.6米，先用1 0噸平碾壓平, 再用3 .5噸振動碾壓實(shí)，結(jié)果,3 8米高的壩只沉降了1 .

3、9厘米，從而開始了由拋填堆石向碾 壓堆石的過渡。到U1 9 6 5年，則完成了由拋填堆石到碾壓堆石的過渡,這標(biāo)志著堆石壩開始 進(jìn)入現(xiàn)代階段。碾壓堆石層厚一般不超過2米，用振動碾壓實(shí)，作為壩的主要結(jié)構(gòu)。薄層碾壓堆石壩體密實(shí)而較少變形，使混凝土面 板的工作狀況大為改善,從而使這種壩型又重新崛起，日益成為常用的壩型，并向更高的壩 發(fā)展。19 7 1年，澳大利亞建成的高1 1 0米的塞沙那壩，奠定了現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的技 術(shù)基礎(chǔ)。從1 9 8 9年巴西建成的壩高1 6 0米的阿里亞壩,1 9 8 5年哥倫比亞建成的壩高1 4 8 米的薩爾瓦興娜壩，至U1 9 9 3年墨西哥建成的壩高1 8 7米的阿

4、瓜米爾巴壩，迄今世界已建 成眾多高混凝土面板堆石壩，其設(shè)計(jì)和施工技術(shù)也日趨成熟，使其逐步發(fā)展成為一種富有競 爭力的新壩型。據(jù)1 9 9 8年不完全統(tǒng)計(jì),1 9 6 6年以后建成和在建的碾壓式混凝土面板堆石壩,全世界約有 1 8 0座，其中高于1 0 0米的約有3 0座。目前，混凝土面板堆石壩一個明顯的趨勢是建設(shè)重點(diǎn)向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移，而在歐美發(fā)達(dá)國家 則幾乎沒有進(jìn)展。中國混凝土面板堆石壩居世界先進(jìn)水平中國修建堆石壩是2 0世紀(jì)5 0年代以后才開始的。如5 0年代修建的四川獅子灘重力拋填堆 石壩，6 0年代修建的貴州貓?zhí)右患壞久姘鍜佁疃咽瘔危约皬V東南水黏土斜墻定向爆破 堆石壩等工程。直到7 0

5、年代才修建了壩高超過1 00米的云南魯布格和陜西石頭河土質(zhì)心墻 堆石壩。中國最早的拋填式混凝土面板堆石壩是1 9 6 6年建成的貴州貓?zhí)佣壈倩ㄋ娬敬髩? 壩高4 8.7米，以后陸續(xù)修建了南山、三渡溪和浙江羅村水壩,但壩高都沒有超過6 0米，且 大壩基本上是按傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。中國以現(xiàn)代技術(shù)修建碾壓式混凝土面板堆石壩是從1 9 8 5年開始的。最早開工建設(shè)的是湖 北省西北口水庫大壩，壩高9 5米；而最早建成的是遼寧關(guān)門山水庫大壩,壩高5 8.5米，于1 9 8 8年建成。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，至U2 0 0 0年，中國混凝土面板堆石壩已建成的有5 1座，在建的3 3座，其中，壩 高在1 0 0米以

6、上的有1 9座。已建成的最高壩是天生橋一級水電站大壩,壩高1 7 8米；在建 的最高壩是水布埡水電站大壩，壩高2 3 3米。可以說，混凝土面板堆（礫）石壩幾乎覆蓋了中國的各個區(qū)域，北到黑龍江，南到廣東和廣西, 西到新疆和青海，東到浙江和福建，各省都有這種壩型。中國在混凝土面板堆石壩的建設(shè)實(shí)踐過程中，從引進(jìn)和消化吸收國際先進(jìn)技術(shù)開始，積累了 豐富的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合國內(nèi)具體情況進(jìn)行再開發(fā),在技術(shù)上有所創(chuàng)新和發(fā)展，如在無軌滑模、低 標(biāo)號碾壓砂漿固坡、封縫塑性填料、面板混凝土配合比、壩體材料的靈活運(yùn)用等方面都豐 富了原有的知識寶庫。同時，還結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行了大量的科技攻關(guān)和重點(diǎn)科研工作，取得 了豐碩成果，

7、并及時轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。過去，設(shè)計(jì)只憑經(jīng)驗(yàn)，沒有計(jì)算方法，如今通過試驗(yàn)研究, 不僅有了計(jì)算方法，還有了計(jì)算程序，施工技術(shù)也日趨成熟，分別制定了設(shè)計(jì)導(dǎo)則和施工規(guī) 范，指導(dǎo)和規(guī)范面板壩建設(shè)的健康發(fā)展。目前，不論是量大面廣的中小型工程，還是大型水利 水電樞紐，只要條件合適，都將這種壩型作為主要比較方案，過去那種與混凝土壩相比，土 石壩常處于劣勢地位的狀況已有根本性改變。混凝土面板堆石壩在中國之所以得到如此廣泛和深入的發(fā)展短期內(nèi)在數(shù)量、規(guī)模和難度方 面都達(dá)到當(dāng)前國際先進(jìn)水平，除其本身的優(yōu)越性外，各級行政和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)及政府主管部門的 支持和提倡以及各級學(xué)術(shù)組織和廣大科技人員的努力也是極其重要的因素?！捌呶濉焙?/p>

8、“八 五”期間，都將混凝土面板壩列入了國家重點(diǎn)科技攻關(guān)課題，自然科學(xué)基金會也將其列為重 點(diǎn)資助項(xiàng)目，水利部和原電力部也都列了眾多科研課題，組織全國科技力量，結(jié)合具體工程, 進(jìn)行了系統(tǒng)的科研工作，從理論到實(shí)踐都取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。中國水力發(fā)電工程學(xué)會混凝土 面板堆石壩專業(yè)委員會等學(xué)術(shù)團(tuán)體，團(tuán)結(jié)了一批熱心于研究和推廣面板壩的老專家和科技 人員，組織了一系列學(xué)術(shù)交流活動，還出版了學(xué)術(shù)刊物、專著和論文集等，多次舉 辦培訓(xùn)班，積極傳播面板壩技術(shù)知識,對推廣面板壩發(fā)揮了積極的促進(jìn)作用。然而，中國在混凝土面板壩的發(fā)展歷程中，也曾有過挫折和教訓(xùn)。主要的有兩次，即西北口壩 混凝土面板的嚴(yán)重裂縫和溝后混凝土面板砂礫

9、石壩的潰決。據(jù)壩工專家介紹混凝土面板堆 石壩作為土石壩的一種新壩型，其比較優(yōu)勢已毋庸置疑，且設(shè)計(jì)和施工技術(shù)也日趨成 熟，但目前，仍存在面板裂縫。嚴(yán)重的地基和壩體滲漏、砂礫和堆石作的塌滑等很多問題,有 待今后進(jìn)一步研究解決。中國混凝土面板壩的成功經(jīng)驗(yàn)從事混凝土面板堆石壩試驗(yàn)研究和技術(shù)咨詢2 0多年的中國水科院教授級高工蔣國澄在總 結(jié)中國高混凝土面板堆石壩建設(shè)時說，中國取得了六個方面的經(jīng)驗(yàn)。在混凝土面板裂縫防治 方面。對因溫度、濕度等環(huán)境因子變化而引起的混凝土裂縫,通過從優(yōu)選原材料及配合比、 嚴(yán)格控制施工質(zhì)量、加強(qiáng)新澆混凝土的養(yǎng)護(hù)、選擇有利澆筑時間等方面采取措施已基本上 得到控制。對裂縫機(jī)理、影響

10、因素的理論分析和應(yīng)力分析等都得到了可資實(shí)用的研究成果。 對結(jié)構(gòu)性裂縫,主要是防止不均勻變形，如能在壩體填筑后一定時間，待堆石體沉降基本穩(wěn) 定后再澆筑面板，可避免大部分結(jié)構(gòu)性裂縫。在混凝土面板堆石壩的滲流控制方面。強(qiáng)調(diào)墊層區(qū)第二道防滲線的作用對墊層區(qū)的要求更 加嚴(yán)格。要求墊層料級配連續(xù)，以得到自滲透穩(wěn)定的墊區(qū)，并可對細(xì)粒土起反濾作用，滿足接 縫滲水的自愈要求。在砂礫石層上的混凝土面板堆石壩地基處理方面。中國有許多混凝土面板堆石壩坐落在砂礫 石覆蓋層上，其地基處理大致有將覆蓋層全部挖除、趾板開挖后置于基巖上而壩體建基于砂 礫石層上、趾板置于砂礫石層上而用混凝土防滲墻處理地基等三種方式。在接縫止水方

11、面。 結(jié)合2 3 3米高的水布埡混凝土面板堆石壩的要求,研究適合于2 0 0米級高壩的止水結(jié)構(gòu)和 材料，對傳統(tǒng)的三道止水有以下改進(jìn)的思路。一是認(rèn)為底部銅止水片仍為基本的止水構(gòu)件,并對銅止水片的體形、尺寸進(jìn)行了理論分析和 室內(nèi)模擬試驗(yàn)，提出了設(shè)計(jì)計(jì)算方法。有的工程還試用過不銹鋼波形止水。二是認(rèn)為中間塑料（或橡膠）止水帶因能夠承受的水壓力不超過1 0兆帕，對高壩不適應(yīng)，而 且對面板混凝土澆筑質(zhì)量有相當(dāng)影響，而傾向于省去。三是在表面止水方面，研究開發(fā)了塑性填料，取得了良好的效果。在導(dǎo)流與度汛方面。根據(jù)具體問題,開發(fā)了擋水度汛和過水度汛兩種度汛方案。在施工技術(shù)的改進(jìn)方面。一是無軌滑模。改進(jìn)設(shè)計(jì)了一套重

12、量較輕、配套配置比較簡單、施 工效率約為有軌滑模的3倍、澆筑靈活、轉(zhuǎn)移安裝和操作都比較方便的無軌滑模系統(tǒng)。二是墊層上游坡面保護(hù)。采用噴混凝土或噴砂漿、噴乳化瀝青、碾壓砂漿等多種措施其中 以人工鋪設(shè)低標(biāo)號碾壓漿技術(shù)使用最為普遍。此法施工簡單，不需要專門設(shè)備，質(zhì)量穩(wěn)定，速 度快，造價低。三是反滲問題。要求存在反向水壓力條件時，壩內(nèi)設(shè)自流排水或抽排系統(tǒng)，消 除反向水壓力對墊層和面板的不利影響，而在填筑上游鋪蓋前封堵，或在上游鋪蓋填筑到一 定高程時封堵。四是壩體填筑質(zhì)量控制。大壩堆石體填筑質(zhì)量控制方法采取以控制填筑參數(shù)為主、挖坑檢查 干密度為輔的所謂“雙控”措施?，F(xiàn)代混凝土面板堆石壩的特點(diǎn)現(xiàn)代混凝土面

13、板堆石壩與傳統(tǒng)的堆石壩相比較,主要特點(diǎn)有以下幾個方面：一、薄層碾壓堆石。在堆石壩施工中引入振動碾，對堆石體進(jìn)行薄層碾壓，是對傳統(tǒng)厚層拋 填堆石的一大發(fā)展。一方面可以得到密實(shí)而較少變形的壩體解決早期面板壩因過大變形導(dǎo) 致面板開裂、止水失效而大量漏水的問題；另一方面可以使用料場開采的全部有級配的石料 上壩，而且可以使用軟巖、砂礫石等過去認(rèn)為不可能使用的材料以提高壓實(shí)密度，補(bǔ)償材料質(zhì)量的不足。薄層振動碾壓拓寬了壩體使用物料的范圍使充分利用開挖料上壩成 為可能。二、滑模澆筑混凝土面板。現(xiàn)代的混凝土面板是豎向分為長條的澆筑塊,用滑?？焖贊仓?。 條塊間的接縫除周邊縫以外都不設(shè)可壓縮填料，而設(shè)置各種類型的

14、止水，條塊間保持硬性接 觸，以免接縫中填料的變形而使周邊縫變形加大。面板水平縫一般視施工需要設(shè)置，有時也 可不設(shè)。三、級配墊層料。直接位于混凝土面板之下的墊層料從早期的由大塊石砌筑的硬墊層改為均 勻的碎石墊層，再由較粗的級配碎石墊層改變到現(xiàn)代常用的細(xì)級配碎石墊層，其功能由單一 的對面板起支承和整平作用，到起第二道防滲線的作用，在面板或接縫萬一漏水時，可限制 入滲量，并能起反濾作用，截留隨滲透水流帶入縫中的泥沙，使縫隙淤塞而自愈。這種演變也 是現(xiàn)代混凝土面板堆石壩的標(biāo)志之一。四、薄型趾板?，F(xiàn)代的薄型趾板被視為地基防滲結(jié)構(gòu)和壩體防滲面板的連接部件而不是一 種受力結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)大為簡化，既不設(shè)嵌固入

15、基巖的齒槽，也不需要設(shè)置支承面板的底座， 而只用厚度與面板相當(dāng)或略厚的薄板,起防滲作用，并兼作灌漿蓋板。這樣對趾板地基的要求 和選擇就有了更多的靈活性?；炷撩姘宥咽瘔蔚娜髢?yōu)勢混凝土面板堆石壩能在不長的時 期內(nèi)得到迅速發(fā)展，是其本身在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性決定的。其優(yōu)勢可歸納為安全性、 經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性三個方面。一是安全性。首先它有良好的抗滑穩(wěn)定性。由于整個堆石體都位于水荷載下游其自重與作用在面板上的 水荷載的水平分量，對1:1. 3的壩坡來說，垂直重量和水平推力之比將大于6 : 1 ,水荷載合 力也將傳遞到壩軸線上游的壩基上，不存在傾覆的可能性。而且堆石壩是排水材料，堆石體 內(nèi)不存在浸潤線和

16、孔隙水壓力，對穩(wěn)定有利。其次它不存在滲流破壞問題。由于堆石料是非沖蝕性材料，有滲透水流通過時，細(xì)顆粒不會 帶走，即使帶走一些極細(xì)顆粒，也不會影響骨架穩(wěn)定，所以不存在管涌等滲透穩(wěn)定問題。峽谷 地區(qū)的心墻壩，因壩殼及兩岸的約束而在心墻內(nèi)產(chǎn)生拱效應(yīng)，嚴(yán)重的可使有效應(yīng)力為零而發(fā) 生“水力劈裂”所致的水平裂縫,但面板堆石壩不存在這種“水力劈裂”問題。第三是抗震能力較強(qiáng)。根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)實(shí)際震害情況，混凝土面板堆石壩具有良好的抗震性 能。其主要依據(jù)是：由于面板壩的整個堆石體都是干燥區(qū)，因此不會因地震而產(chǎn)生附加的孔 隙水壓力，而降低堆石坑剪強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性；由于碾壓堆石已達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，地震只能使 壩體產(chǎn)生小量的

17、永久變形，是可以承受的；在非常強(qiáng)的地震作用下，混凝土面板可能開裂, 而引起滲流量增加，但不會威脅到壩的整體穩(wěn)定。第四是變形特性有利?，F(xiàn)代碾壓堆石的變形量是很小的，而且穩(wěn)定得很快，施工期可完成絕 大部分沉降變形，剩余值也可在蓄水后頭3年基本完成。二是經(jīng)濟(jì)性。一是與心墻堆石壩比較，目前高土石壩的主要壩型是混凝土面板堆石壩及土質(zhì)心墻堆石壩。 兩者相比較，混凝土面板堆石壩的斷面小，壩體填筑方量可減少3 0 %左右，而且因壩坡陡、 底寬小，可相應(yīng)減少泄洪和輸水建筑物長度，使樞紐布置更為緊湊，而且不用防滲土料，從 而少占耕地。混凝土面板堆石壩可以利用未完成的堆石體擋水或過水度汛從而簡化導(dǎo)流和 度汛。壩料堆

18、石可以全年施工，不受冬天雨天影響。堆石體內(nèi)部可以靈活分塊分縫，在坡面 布置施工道路。這種壩型還有利于提前蓄水受益和分期施工。如在建的天生橋一級水電站， 在初級階段的比較中顯示，混凝土面板堆石壩與土質(zhì)心墻堆石壩相比較,可節(jié)省投資1 . 5億 元，并縮短工期11 . 5年。二是與混凝土壩相比較，在施工方面，面板壩的施工機(jī)械和工藝流程都較混凝土壩簡單，使 用大容量土石方機(jī)械可以達(dá)到很高上壩強(qiáng)度，具備快速施工條件，發(fā)電工期和總工期都較混 凝土壩縮短。修建面板壩主要使用當(dāng)?shù)夭牧希梢怨?jié)省水泥、鋼材等外來材料，節(jié)省運(yùn)輸費(fèi) 用，其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。1 9 8 8年建成投產(chǎn)的關(guān)門山水庫大壩，原設(shè)計(jì)為雙曲拱壩，因水 泥不能保證供應(yīng)而長期未能建設(shè)。后改為混凝土面板堆石壩節(jié)省水泥1 . 8萬噸。鋼材5 0 0 噸、木材4 0 00立方米，節(jié)省投資16 %，