面板堆石坝概说

面板堆石坝概说汪易森2010年7月8日面板堆石坝发展过程库克（Cooke）（1992）将面板堆石坝的发展分成三个时期：早期（1850～1940年），过渡期（1940～1970年），及现代期（1970年以后）。19世纪50年代在美国加州内华达花岗岩山脉开始修建为淘金供水的堆石坝，这些堆石坝往往采用木面板防渗，大约从1910年开始，开始采用按堆石的天然休止角修建堆石坝，并采用混凝土面板防渗。面板堆石坝发展过程1940年前，在抛填石堆石坝时期，所有堆石坝都采用上游面防渗。1940年后，需要建设更高的坝，可是抛填式面板堆石坝在坝高超高75m时都发生了大量漏水，因而转向建设能适应抛填堆石变形的土心墙堆石坝。心墙堆石坝的土心墙与反滤料组成的防渗线能适应抛填堆石的变形，坝高超过150m也能采用抛填堆石建造，因此土心墙堆石坝逐渐成为主导坝，面板堆石坝的发展处于停顿状态渗。面板堆石坝发展过程1956年采用碾压堆石后，减低了堆石的压缩性，使混凝土面板能够适应碾压堆石的变形，混凝土面板堆石坝重新得到快速发展。到1971年110m高的塞沙纳（Cethana）坝建成，面板堆石坝的设计才得到完善，因此一般认为塞沙纳坝为第一座现代面板堆石坝。现代面板堆石坝的设计表现在：碾压堆石、趾板和基础灌浆的接地防渗、趾板到坝顶的整体面板、半透水性的垫层料、多道止水的周边缝等五大标志性的设计特点。中国面板堆石坝的发展中国混凝土面板堆石坝起步较晚，第一座混凝土面板堆石坝柯柯亚坝坝高41.5m，建成于1982年，为方格式面板，但运用情况良好。1983年后混凝土面板堆石坝在我国得到蓬勃发展。95m高的西北口坝首先于1985年开工，58.5m高的关门山坝率先于1988年建成。1985年以后，面板堆石坝的建设如雨后春笋。2006年世界上建成、在建及已待建的坝高大于50m的面板堆石坝为392座，其中中国为156座。中国面板堆石坝的发展1.世界392座面板坝所在国的分布（截止2006年底）中国面板堆石坝的发展中国面板坝数量增长图中国面板坝数量增长图中国面板堆石坝的发展中国面板堆石坝发展过程中形成以下特点：1、严格渗流控制;2、面板渗漏量小及尽量减少面板裂缝;3、施工设备不断改进;4、止水材料的研制;5、建立起符合中国特点的导流设计;引子渡面板堆石坝坝高130m，体积310万m3。该电站导流采用一枯拦洪方案，截流后经一个枯水期即由70m高的临时坝体垫层料挡水，于2001年10月16日截流，2003年4月10日下闸蓄水（由一期面板挡水），5月20日发电，工程从截流到发电仅18个月。面板堆石坝与土心墙堆石坝方案比较面板堆石坝比土心墙堆石坝的造价要低。两种坝型的堆石数量大致相同，但是面板堆石坝堆石的单价比土心墙坝低。面板堆石坝坝内坡道布置比较自由，因此方便面板堆石坝的堆石填筑，并且可以不平起填筑。土心墙堆石坝的心墙及反滤料总造价通常大于面板造价。面板堆石坝基础处理费用（包括岩石表面处理、上游防渗铺盖、坝基帷幕灌浆）一般要比土心墙堆石坝低得多，这是由于面板堆石坝的处理面积较小，同时可以与坝体填筑独立进行。在多雨地区，面板堆石坝在造价方面的优势更为明显面板堆石坝与土心墙堆石坝方案比较面板堆石坝工期比土心墙堆石坝短，坝体填筑与基础灌浆互不干扰，面板堆石坝坝体填筑不受下雨天气影响，坝体体积较小，部分堆石填筑可以在导流前进行。面板堆石坝坝坡较陡、坝的宽度较窄，因此常可以缩短隧洞、溢洪道的长度。正在施工中的205m高巴昆（Bakun）坝的坝型比较表明：面板堆石坝（上下游坝坡均为1:1.4）与土心墙堆石坝（上游坝坡1:1.9，下游坝坡1:1.6）比较，坝的体积可以减小32%，工期可以缩短一年（5.25年4.25年），此外坝址处年降雨量达4000mm、土心墙土料天然含水量比最优含水量大10%左右造成施工困难等。天生桥一级面板堆石坝方案与土心墙堆石坝方案的比较表明，面板堆石坝坝体造价可以节省12%，工期可以缩短一年。面板堆石坝设计的主要属性半透水性的堆石坝起消能作用的和抗内部冲蚀性的，因此无面板挡水（满水位）是安全的。也就是说分区堆石对渗流是稳定的。所有分区堆石均位于库水的下游。因此，沿坝基面的抗滑安全系数大于7（作用在坝基面上的总垂直力与水平水推力的比值），沿坝基面的整体滑动稳定安全度较高。面板堆石坝设计的主要属性堆石具有很高的抗剪强度，地震时堆石不会产生孔隙压力（大部分是干的，处于水下的堆石为排水区，其堆石渗透系数很大），只产生很小的沉降，因此分区堆石体是具有很高的抗震性能。坝体没有扬压力及孔隙压力，作用在面板上的水压力在坝轴线上游就传至坝基，因此提高了面板堆石坝的安全性。洪水漫顶是面板堆石坝失事的机理。因此洪水流量、溢洪道及坝顶超高的设计是十分重要的。可以任意方向布置坝内坡道（侧坡为1:1.3），因此可以减少上坝道路，方便料物的运输和填筑。大型河流导流，可以在截流前、在两岸进行坝体填筑，因此可以减小临时坝体工程量，减小导流风险。导流期用钢筋网或碾压混凝土对堆石体下游面加固可以减小及避免意外洪水翻坝造成的损失。面板堆石坝施工的主要属性分区堆石体可以安全透水，因此临时坝体（部分完成的坝体）可以用于挡水。趾板和灌浆施工是在堆石坝体外进行，因此不影响坝体填筑及施工进度。堆石可以连续施工，不受降雨影响。堆石填筑及面板滑模混凝土浇筑都是重复的施工程序，施工进度有保障。面板堆石坝施工的主要属性面板堆石坝的主要属性库克对面板堆石坝属性的属性是面板的基础。其中对堆石坝体的无面板挡水安全性的论述特别重要，这条论述既是堆石坝体特性也是对堆石分区的要求。如果堆石体具有可靠的半透水性的垫层料，由于过渡料及主堆石料的渗透系数比垫层料大得多，渗流通过垫层料后就会象降雨一样依靠重力下降、进入与下游河床水位连接的坝内浸润线。由于坝基水下部位在堆石分区上属于坝基排水层，常由干净的大块石组成，其渗透系数是很大的，因此浸润线性坡度很平缓，其排泄是安全的。面板堆石坝的主要属性我国出现的沟后工程垮坝事件主要是坝体未分区造成的（设计是分区的，但被施工成砂砾石均质坝），因此顶部面板与防浪墙间的水平止水发生漏水后，就产生了坝体的高浸润线并在下游坝面出水，因此造成了管涌及砂砾石在渗透压力作用下的不稳定，进而造成防浪墙及顶部面板破坏，最后形成库水翻坝而溃决。其失事机理与洪水漫顶垮坝相同。从沟后坝的工程实例可以看出堆石坝体的分区重要性。天荒坪面板堆石坝例介混凝土面板堆石坝坝高87.2m（从趾板建基面起算，至防浪墙顶则88.4m）,坝顶长230m，上游坝坡1:1.4，下游平均坝坡为1:1.3，其上坝道路间局部坝坡为1:1.2。坝体积149万m3，坝料为坚硬的熔凝灰岩来自地下厂房及开敞式溢洪道等的工程开挖料。面板厚度按0.3m+0.002H设计，面积20778m2，含钢率0.4%。分为垫层区，特殊垫层区（小区），过度区，上游主堆石区，下游为次堆石区等。垫层区及过度区宽度采各为100cm及500cm。垫层区及过度区层厚采用40cm，主堆石80cm，次堆石160cm，特殊垫层区的层厚视碾压设备，标书规定采用由反铲操作的1t重的液压振动板，并相应规定层厚为20cm，层厚均指压实厚的厚度，以便测量检查。大坝最大剖面见图。天荒坪下库面板堆石坝剖面图天荒坪下库面板堆石坝立视图天荒坪下库面板堆石坝结构图天荒坪下库面板堆石坝结构图天荒坪面板堆石坝例介由于水库消落深度大且快，认为采用100cm宽及渗透系数在10-3-10-2cm/s垫层料积水量少、排水快，不会对面板产生顶托。但工程咨询专家库克先生认为垫层料的渗透系数仍以10-3-10-4cm/s为好，由于宽度有限，不会存留过多的水对面板产生显著的扬压力。垫层料为河床天然砂砾石其坝坡为1:1.4。面板止水周边缝及垂直缝均采用自成封闭系统的SR顶部止水及铜片底部止水两道独立止水体系。周边缝增加一道中部塑料止水。库克先生认为周边缝用顶底两道就好，中部止水设计常导致混凝土出现蜂窝。后来坝体上部施工时中部止水遭到损坏，恢复很困难于决定取消。天荒坪面板堆石坝例介坝料除垫层料及特殊垫层料采用河床天然沙砾石外，其余均采用地下工程及溢洪道工程等的工程开挖料。开挖料为新鲜的熔凝灰岩，根据13组试验成果，其岩石的平均干抗压强度为163.3MPa，饱和抗压强度128.5MPa，软化系数为0.79，属于坚硬岩。施工初期按实际采用的振动碾进行了碾压试验。试验表明加水效果很不明显，其主要原因是岩石的软化系数较高。小浪底的堆石料的碾压试验亦因为其岩石软化系数高，加水效果亦不明显，取消加水(3)。小浪底硅质砂岩平均226MPa，平均饱和抗压189MPa，平均软化系数0.84。此外，下坝区水源紧张，加水困难较大，因此也决定取消加水。库克先生也认为天荒坪这种堆石可以不加水。天荒坪面板堆石坝例介振动碾采用BW217D自行式振动碾，功率167HP,总重17200kg，碾重10615kg，碾直径1600mm、宽2120mm，25.3Hz时离心力330kN。最后决定：主堆石、过度区及垫层区碾压遍数采用8遍，次堆石区采用6遍。由于垫层料仅1m宽，因此施工时十分重视垫层料的级配控制及检查。根据实测268组资料（包括斜面及平面），5mm颗粒含量平均36.9%，小于30%的有8组，占3%。最小含砂量比平均含砂量低9.7%；含泥量2.2%；级配连续、其曲线平行于包线。总之，垫层料存在少量含砂量达不到设计要求问题。天生桥、白溪坝都规定设计含砂量为35-55%天荒坪面板堆石坝例介本工程严格规定按Reece坝的施工规程进行。还规定上游区30m（El.315以上15m）范围内必须平起填筑。施工顺序为在已填筑的平面上先填一层主堆石，在上游界面上用反铲清除大于30cm的超径石以后，再铺一层过度料，在过度料上游界面用反铲清除大于20cm的超径石以后，再在其上游铺一层垫层料，接着对已铺好的过度料及垫层料同时进行碾压，再在其碾压完毕的面上再按相同的要求铺过度料及垫层料，接着对主堆石、过度料、垫层料同时进行碾压，上游坝面于是平起了80cm。以后重复以上工序，每次升高80cm。过度料最大粒径为40cm，主堆石最大粒径为80cm，通过界面的超径石的清除，来达到满足层间水力过度的要求。天荒坪是我国先于天生桥的第一个采用这种施工方法的工程。这种施工方法目前在国际上已成为标准的施工方法，其好处是可以更好地保证工程质量，又能节省费用，是值得推广的。天荒坪面板堆石坝例介为确保垫层料的100cm设计宽度，每次在垫层料碾好后都要放好石灰白线，以明确其与过度区的界线，以免过度料越界。垫层料用反铲铺料，反铲对垫层料进行再拌和，这对防止垫层料的分离起到了积极作用。垫层料上游约30cm振动碾压不到的条带由斜坡碾压实，周边缝附近则由小型手扶碾压工具压实。标书规定采用重型的反铲振动板作为周边缝附近压实的器具，库克先生特别强调采用这种振动板的必要性。坝面斜坡采用碾压砂浆固坡。施工程序是，在整坡后，先静压4遍、振压8遍、静压4遍，然后摊铺砂浆，最后再静压4-8遍。上行有效，上行施振。天荒坪面板堆石坝例介规定过渡料含砂量不大于20%，超量砂料的流失会导之过渡料发生附加沉降，影响面板结构。Reece坝、天生桥及白溪坝都规定可以采用最小粒径为10mm的不含砂的料，其实界面清除200mm超径石可以满足对垫层料的反滤要求。堆石施工时除严格控制施工参数以外，并按合同要求对堆石进行现场密度测试和及时作出阶段性的统计及分析。库克先生认为质量控制的重点是层厚及碾压遍数。主堆石现场颗分和密度检查是用于检验施工技术和用于施工记录。天荒坪下库坝主堆石平均孔隙率19.56%，属于硬岩堆石类孔隙率较低着。天荒坪主堆石的块度比较适中，孔隙率低，工程性质较好。天荒坪面板堆石坝例介两岸及中央面板均采用12m宽，天荒坪是首先采用等宽面板的工程，并采用无轨滑模浇筑。库克先生对等宽面板的设计表示十分的赞同，认为不论地形条件均应采用等宽面板。此外，趾板在设计上，不设伸缩缝，以简