300m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究概述

王富强1　周建平2　杨泽艳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】　自2012年7月以来，课题组开展了《300m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究》。2016年6月，该课题通过验收并完成成果鉴定。本文简述了该课题的研究背景、主要内容、及取得的主要成果。研究表明，高面板堆石坝安全性主要包括抗滑稳定性、渗透稳定性及变形稳定性，重点和难点是变形稳定性；室内试验、现场试验和计算分析表明，建设250～300m级超高面板堆石坝技术上可行的，安全控制标准、结构材料、计算方法、抗震和安全监测措施等方面要求需在现有200m级高坝基础上适当提高或加强。

【关键词】　高面板堆石坝　安全　关键技术

1　课题研究背景

随着经济社会的快速发展，中国西南地区将建设一批调节性能好的高坝大库工程。由于面板堆石坝具有就地取材、经济可靠、施工快捷等优点，工程建设各方迫切希望在300m级高面板堆石坝筑坝技术上有所突破。然而，国内外近期建设的几座200m级高面板堆石坝在取得成功及宝贵经验的同时，部分工程出现了坝体变形比预计的偏大、面板发生挤压破损或渗漏量大等问题，不少专家对安全建成250m级或更高的面板堆石坝信心不足。有许多适宜建设高堆石坝的坝址，因不能把握300m级高面板堆石坝的安全性、技术可行性，不能直接选择面板堆石坝方案，而选用体积大、占用耕地多、对环境和水土保持影响大的土心墙堆石坝方案，电站经济指标也有所降低。面板堆石坝正面临着从200m级坝高向300m级坝高发展的挑战。

为回应业内专家质疑以及对250～300m级面板堆石坝的坝型选择决策提供技术支撑，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、云南华电怒江水电开发有限公司、青海黄河上游水电开发有限责任公司等单位共同出资和牵头，联合国内高面板堆石坝设计经验丰富的设计院和研究实力雄厚的科研院所与高等院校，发挥200m级高面板堆石坝建设主力军的技术优势，自2012年起开展了《300m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究》。课题由中国工程院马洪琪院士总负责。

课题是在《300m级高面板堆石坝适应性及对策研究》基础上的深化。适应性研究课题对已建200m级高面板堆石坝建设和运行情况进行了系统总结，围绕拟建的300m级高面板堆石坝的主要技术问题开展研究，取得了一系列成果。由于受时间和经费等限制，适应性课题未开展大量材料试验，以分析研究为主，提出了300m级高面板堆石坝设计安全的基本要求和变形控制的主要方法，解答了建设300m级高面板堆石坝的技术适应性，明确了需进一步研究的关键技术问题和方向。

课题以应用研究为主，依托正在开展可行性研究的古水、茨哈峡、马吉、如美等四个250m～300m级高面板堆石坝工程开展研究。四个工程特点主要表现为，高山峡谷地区的高坝大库，库容18亿～47亿m3，水库大都具有年调节能力，为梯级中的控制性调节水库；工程任务以发电为主，装机容量约1800～4200MW；泄洪量约10000～15000m3/s，泄洪问题可通过岸边泄洪道（洞）加以解决；地震设防烈度较高，地震动峰值加速度在0.226～0.32g之间；坝址都位于交通不便、深山峡谷、经济不发达的边远地区。

2　技术难题与研究内容

2.1　主要技术难题

对比100m级面板堆石坝，部分已建成200m级面板堆石坝的运行形态超出了设计者预期，比如坝体变形偏大、面板挤压破损等，这些现象揭示出在碓石材料本构关系等基础理论、试验手段、计算方法和控制标准等方面的缺陷和不足。随着对200m高面板堆石坝运行状态及事故案例的深入分析，建设者们基本理清了200m高面板堆石坝主要技术难题，也基本掌握了关键技术，可以确保其建设安全性。从面板堆石坝发展历程、运行状态、出现问题和事故实例等方面分析，可以认为，高混凝土面板堆石坝的安全性论证主要包括三个方面内容：坝坡稳定、渗透稳定和变形稳定，简称“三大稳定”。通过深入论证和研究，确保“三大稳定”均满足要求，即可确保高面板堆石坝自身的安全性。其中，坝坡稳定关键控制因素是地震情况下的坝坡稳定；渗透稳定则需论证高水头作用下以及面板存在局部破损情况下，各分区料的长期渗透稳定性；而变形稳定则关键在于准确预测坝体变形，并据此合理确定坝体结构、混凝土面板及接缝止水材料的设计指标，并采取相应对策措施以避免出现面板结构裂缝或者挤压破坏等现象。

对于300m高面板堆石坝安全性，其重点在于确保坝体抗滑稳定、渗透稳定的同时做好坝体变形控制，变形稳定研究是关键和难点，因为大坝防渗体系依附于坝体上，坝体变形直接关系到防渗体系的位移和安全。然而，面板堆石坝由200m级进一步发展到250m或300m的超高坝，基础理论、试验手段、计算方法和施工风险控制等方面缺陷和不足将会进一步放大，成为制约坝型发展的技术难题。在已有研究基础上，本课题首先梳理了制约超高面板堆石坝的主要技术难题：

（1）堆石材料本构规律等基础理论受到限制。由于筑坝堆石属于散粒体材料，具有明显的复杂性、不均匀性和多相耦合性，其应力应变响应规律受母岩特性、颗粒级配、密实程度、应力条件、颗粒破碎、材料劣化等多种因素影响，其本构规律极其复杂。虽然国内外学者提出了数十上百种堆石体弹塑性本构模型，但目前设计主要还是依据传统的邓肯G-B模型、沈珠江双屈服面模型或清华K-G模型，本构模型缺陷已严重制约对超高坝应力变形的预测准确性。因此，通过研究提出广泛认可、适用超高坝特点并且实用本构模型是主要技术难题之一。

（2）试验手段受到限制。三轴试验是检测堆石材料力学特性的主要手段，目前主要采用三轴试样直径尺寸一般最大为30cm，要求试样中堆石料最大尺寸一般不要超过5cm。然而，实际上坝堆石料最大粒径一般达到100cm，试验中需要对堆石材料进行缩尺，缩尺后试验成果与实际堆石料有一定差异即所谓的“缩尺效应”。另外，堆石料长期变形性态、超高围压下颗粒破碎也很难通过试验手段准确检测。因此，堆石料缩尺效应、长期变形、超高压下破碎等方面检测手段的不足导致无法准确描述堆石料的力学特性，也是主要技术难题之一。

（3）大坝应力变形的准确模拟及预测难度大。除受堆石料本构模型、材料参数等的影响外，大坝应力变形预测精度还取决于计算方法、计算模型的精细程度、边界条件简化方式等，是亟须突破的瓶颈之一。

（4）安全监测仪器不适应超面板堆石坝需要。由于线路或设备结构超长、施工质量及维护等影响，超高面板堆石坝出现了安全监测仪器失效和耐久性差的特点，严重影响对大坝性态的监测和评价。

2.2　课题研究重点内容

围绕上述技术难题，课题共分为6个专题和若干个子题进行研究，主要内容如下：

专题1：300m级高面板堆石坝安全性评价方法研究。主要对国内外面板堆石坝技术进展进行回顾，说明目前面临的机遇与挑战，分析典型高面板堆石坝存在的问题，提出面板堆石坝安全性评价方法，开展风险分析及调控研究。

专题2：300m级高面板堆石坝结构材料设计及变形控制研究。在总结200m级高面板堆石坝工程经验的基础上，针对300m级高坝的特点开展依托工程面板堆石坝结构设计，提出改进措施，量化设计控制指标及控制标准。

专题3：300m级高面板堆石坝堆石料工程特性及本构关系研究。深化坝料工程特性试验研究，通过多途径研究提出统一的计算模型参数。包括：依托工程堆石料现场爆破碾压试验研究、堆石料室内三轴剪切试验研究、堆石料数值剪切试验研究、堆石料工程特性及计算模型参数研究以及堆石体高水头渗透稳定安全性研究。

专题4：300m级高面板堆石坝变形特性及渗透稳定性研究。采用经200m级高面板堆石坝反演分析及并经进一步修正后的计算模型、方法和统一的坝料参数，开展坝体变形及接缝位移等常规及精细化计算分析，或必要的模型试验，量化变形预测指标，提出变形控制的工程措施。

专题5：300m级高面板堆石坝抗震安全性及工程措施研究。总结面板堆石坝抗震特性，进行坝料动力特性试验和计算及动力反应控制标准和工程措施研究，充实面板堆石坝抗震安全性。

专题6：300m级高面板堆石坝安全监测关键技术研究。总结200m级高面板堆石坝安全监测技术现状，分析存在问题，研发适应300m级面板堆石坝较大变形的新型坝体变形监测技术。

专题1至专题6分别由贵阳勘测设计研究院、昆明和北京勘测设计研究院、西北勘测设计研究院、中国水利水电科学研究院、大连理工大学、昆明勘测设计研究院负责组织实施。

3　主要研究成果

课题启动会于2012年7月在北京召开，截至2016年1月，各专题研究成果报告已通过验收。2016年6月，课题已通过验收，成果也经过鉴定。已取得的主要研究进展、主要结论和成果如下。

3.1　高面板堆石坝安全性评价方法

（1）通过对高面板堆石坝技术进展的回顾和调研分析，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。

（2）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。

（3）研究了高面板堆石坝的主要风险因素，并通过对典型高堆石坝材料概率特性统计，采用可靠度法和安全系数法对坝坡抗滑稳定风险进行定量分析，研究表明坝坡安全系数和可靠度均呈现随坝高增加而降低的趋势。

（4）采用可靠度法提出了典型300m级面板堆石坝变形稳定和渗透稳定的可靠度指标。分析了面板堆石坝设计、施工和运行管理三个阶段的主要风险因素，并有针对性地提出了防范技术和控制措施。

3.2　设计与安全标准和工程措施

（1）根据各依托工程特点，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。

（2）归纳总结提出适用于300m级面板堆石坝的安全控制原则及标准。安全控制原则包括枢纽整体安全、渗流控制安全、变形控制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。

（3）工程措施包括上限设计标准、适当的超高等枢纽整体性安全措施，坝料、接缝渗流控制措施，坝体整体和不均匀变形控制措施，较大的坝顶宽度、上部坝高放缓坝坡、坝内加筋、加强护坡措施、提高坝体压实密度等抗震措施。

3.3　堆石料工程特性及本构关系

（1）针对4座依托工程筑坝材料的强度及应力应变特性、密度及缩尺效应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，开展了大量室内压缩、三轴剪切等坝料试验，研究和总结了堆石料力学特性及规律。

（2）通过建立堆石体的细观随机散粒体数值模型，采用考虑颗粒破碎以及颗粒强度尺寸效应的随机颗粒不连续变形方法模拟了古水、如美、茨哈峡典型堆石料数值剪切试验。研究表明，堆石料缩尺效应主要受母岩强度、颗粒形状、级配特征、制样方法、控制标准等的影响；高围压条件下，颗粒破碎是导致缩尺效应的主要原因之一，其程度与母岩强度、颗粒形状、级配特征等有关；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，与以往试验成果规律一致；相同制样控制标准下，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。

（3）通过茨哈峡筑坝料现场碾压试验，参考已有200m级高面板堆石坝实践经验，提出了300m级高面板坝坝料碾压参数及施工控制标准：堆石料孔隙率按照17%～19%控制为宜；砂砾石料相对密度控制标准应大于0.90，按照0.92～0.95控制为宜。

（4）对比分析了邓肯E-B模型、沈珠江双屈服面模型、清华K-G模型；并基于广义塑性理论构建了弹黏塑性本构模型，能较好地反映高面板坝的变形特性。通过室内试验、现场碾压试验、平洞内应力路径试验、数值剪切试验、反演分析等多途径的研究和分析，提出了4个依托工程坝料的计算参数。

3.4　变形特性及渗透稳定性研究主要进展

（1）通过研究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。典型高面板堆石坝的数值计算表明，当坝高达到300m量级时，坝体和面板的总体应力变形规律与200m级面板坝基本相当，但堆石体位移和面板应力均有较为明显的增大。

（2）研究表明，面板挤压破损的宏观因素是过大的堆石体变形，而导致面板发生挤压破坏的直接原因则是沿纵缝转动接触挤压的变形趋势。为避免混凝土面板挤压破损，需要控制坝体堆石变形、优化面板结构、压性纵缝间设置柔性填充物等。

（3）开展了4座依托工程的应力变形计算分析，计算的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。对于坝高相对较高、蓄水后面板局部应力偏大的，可通过平顺两岸趾板地形、设置缝间柔性材料等措施解决。

（4）通过渗透变形试验研究，验证了古水和茨哈峡工程的垫层区与过渡区的反滤关系，试验表明垫层料承受渗透梯度200时未发生渗透破坏。通过试验和计算研究，提出了300m级高混凝土面板堆石坝垫层料的推荐级配，并指出垫层厚度宜大于5m，过渡料应按照满足垫层料的反滤原则设计。

3.5　抗震安全性及措施方案

（1）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。

（2）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。

（3）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。

3.6　安全监测关键技术

（1）通过对天生桥一级、洪家渡、三板溪、水布垭和糯扎渡等5个典型大坝的监测仪器设备及运行情况进行调查，分析了200m堆石坝安全监测技术特点和难点、监测措施的有效性和存在的问题，有针对性地提出了300m级面板堆石坝监测技术改进方向和新型仪器设备研发方向。

（2）研发了管道机器人、柔性测斜仪、1000m级超长管路沉降仪、土石坝监测廊道等内部变形监测仪器和监测技术。同时深入研究了SAR数据的特征以及各类SAR数据的特性，建立相应的处理流程，形成了高分辨率雷达卫星数据InSAR与D-InSAR处理技术，实验结果表明精度在2cm以内，可满足高面板堆石坝外部变形监测要求。

（3）设计了神经网络模型的建立方法和演化算法、提出了实用的预警预报理论和方法、高面板堆石坝的安全指标体系和应急预案原则；提出了基于物联网的高土石坝智能反馈与预测平台系统的开发方案。

通过上述研究，得到以下初步结论：在确保大坝抗滑稳定、渗透稳定及变形稳定的基础上，建设300m级高面板堆石坝是可行的；300m级高面板堆石坝的结构材料、控制指标、计算方法、抗震措施和安全监测措施等需在现有200m级高坝基础上进行适当调整。

4　结语

本课题取得的主要成果及创新点如下：

（1）综合采用现场碾压、室内三轴、数值剪切等多途径，首次揭示高围压、复杂应力路径条件下堆石颗粒破碎规律、“缩尺效应”影响物理机制及规律，提出了反映堆石颗粒破碎特性的本构模型以及考虑缩尺效应影响的模型参数变化规律。

（2）采用模型坝计算和参数敏感性分析方法，揭示了坝高从200m级到300m级坝体、面板应力及变形的差异，坝体最大沉降量与坝高的关系介于线性与平方关系之间，量化了中硬岩堆石料级配、孔隙率等关键因素对大坝变形的影响。

（3）通过大规模精细化数值分析，首次揭示了高坝面板挤压破损机理。造成面板挤压破损的宏观原因是过大的堆石体变形，细观原因是面板纵缝处的接触挤压效应。接触挤压效应包括转动挤压和位移挤压两个方面的作用。

（4）开发了状态相关的广义塑性模型，集成了人工边界和等效波动方法，对高面板堆石坝进行了强震作用下的动力分析，论证了高面板堆石坝顺坡向瞬时动拉应力区集中在（0.5～0.9）H（H为坝高）和0.2L（L为坝轴向长度）范围内，提出了局部钢纤维混凝土面板的抗震措施。

（5）集成研发了300m级面板堆石坝关键监测技术。通过构建内外部相结合的监测体系，首次提出了大坝内部设置廊道布置仪器的监测新方法，研发了管道监测机器人、柔性测斜仪、1000m级超长管线沉降及水平位移计等新型监测仪器。

研究成果已在古水、茨哈峡、马吉、如美、拉哇和大石峡等水电站坝型选择和工程设计中应用，其中古水、茨哈峡、拉哇和大石峡等工程已确定面板堆石坝为选定坝型。管道机器人已确定在大茅坡面板堆石坝上开展应用，坝内监测廊道已确定在羊曲面板堆石坝工程中应。用研究期间，取得发明及实用新型专利22项、软件著作权5项，省部级奖励5项，发表专著3部、科技论文78篇。