现代高混凝土面板堆石坝筑坝关键技术

徐泽平

（中国水利水电科学研究院）

【摘　要】　建设高混凝土面板堆石坝的筑坝关键技术，主要包括大坝变形控制与变形协调控制、大坝渗流安全控制、坝体稳定分析、大坝防渗系统等。高混凝土面板堆石坝的安全建设涉及多方面的因素，需要从筑坝材料选择、材料分区布置、施工程序安排和分缝系统设置等多方面综合采取措施，其中，至关重要的是在坝体变形控制和变形协调的基础上，实现大坝防渗系统的安全、可靠。高混凝土面板坝存在着应力水平高、水头压力大、堆石体变形复杂等一系列技术挑战，其设计理念和施工措施需要在传统经验模式的基础上进行适当的调整与改进，并结合理论计算的手段加以分析与论证。

【关键词】　高混凝土面板堆石坝　筑坝　技术

1　概述

采用分层填筑、薄层振动碾压的堆石（或砂砾石）作为大坝主体的现代混凝土面板堆石坝已有40多年的历史。截至目前，全世界已建的混凝土面板堆石坝有300多座。我国从1985年引进现代技术修建混凝土面板堆石坝以来，至今已经历了30年的发展历程。由于混凝土面板堆石坝所具有的安全性、经济性，以及对复杂地形、地质条件的良好适应性，混凝土面板堆石坝在坝型比选中具有较强的竞争力，在水利水电工程中得到了广泛应用和迅速发展。据不完全统计，到2009年年底，我国已建坝高30m以上的混凝土面板堆石坝约170座，在建、拟建各约40座，总数约260座。中国的混凝土面板堆石坝在数量、坝高、规模和建设难度等方面都居世界前列。这些混凝土面板堆石坝工程遍布全国，覆盖了各种不利的气候、地形、地质条件。大量工程的建设，积累了应对各种困难情况的经验和教训，同时，也在工程技术的科学研究方面取得了很大的发展。

从现代混凝土面板堆石坝建设的发展历程看，长期以来，坝工界普遍认为混凝土面板堆石坝的设计与施工是基于“经验”的方法。所谓“经验”方法，是指参考已建工程的实践经验，结合工程师的主观判断进行设计，而不是由试验研究和分析预测对设计进行指导。对于高混凝土面板坝的建设，著名坝工专家Cooke曾经推断：“混凝土面板堆石坝是未来特高坝的一种适宜的坝型，对于采用常规堆石材料的300m坝高的面板堆石坝，其运行特性可以根据对已有的面板堆石坝观测数据的适当外推而进行预测”。在混凝土面板坝发展的早期阶段，以工程先例为主导的“经验”方法成功地指导了100m级坝高混凝土面板堆石坝的建设。但随着混凝土面板堆石坝坝高的增加，坝体的应力和变形以及大坝的运行性态出现一些新的特性，这些新特性已不可能简单地通过对已建工程观测数据的适当外推而进行判断。近些年来，随着国内外一批200m级高混凝土面板堆石坝的相继建成，国内外坝工界对于高混凝土面板堆石坝应力变形特性的认识不断深入，在这些工程实践中，既有成功的经验，也发现了一些问题。经验和教训昭示我们，对于高混凝土面板堆石坝，已有的设计准则和经验的常规做法无法适应高坝高应力水平、高水头、复杂应力路径的情况。

自1985年第一座现代混凝土面板堆石坝建设之初，中国即十分重视自主的科学研究和技术开发。从20世纪80年代起，中国工程师结合混凝土面板堆石坝工程的建设，在材料特性、数值分析和模型试验等方面进行了大量系统的科学研究，在混凝土面板堆石坝的设计理论和工程实践中取得一系列的成果。历经30年的发展，使高混凝土面板坝的建设由经验和判断为主逐渐走向经验与理论分析相结合的途径。

目前，中国的混凝土面板堆石坝建设既孕育着重大的发展机遇，也面临着巨大的技术挑战。复杂的地形、地质条件，严酷的坝址自然环境，以及坝高从200m级到300m级的跨越等，对高混凝土面板堆石坝筑坝关键技术的发展提出了更高的要求，在充分掌握筑坝材料工程特性基础上，对高混凝土面板堆石坝应力变形特性的准确把握与预测，是应对技术挑战和实现关键技术跨越的重要基础。

2　混凝土面板坝变形控制与变形协调

高混凝土面板堆石坝因其结构上的特点，坝体堆石的变形对大坝的运行特性和安全有着重要的影响。根据对对国内、外高混凝土面板坝设计、施工及运行经验的总结，以及对高混凝土面板坝应力变形特性的理论分析，归纳起来，堆石体变形对高混凝土面板坝的影响主要包括以下几个方面：①堆石体的变形决定了大坝的整体工作形态；②堆石体的变形决定了混凝土面板的应力状态；③堆石体的变形决定了面板接缝系统位移的量值。由此可见，在高混凝土面板堆石坝的设计和施工中，坝体的变形控制与变形协调是保证大坝安全的核心环节。面板坝堆石体的变形主要包括瞬时变形和流变变形。而无论是瞬时变形，还是流变变形，均与坝体堆石的应力状态和应力水平密切相关，也就是与大坝的高度有着直接关系。高混凝土面板堆石坝的设计应以变形控制与协调为核心，从原岩选择、断面分区，预沉降控制和施工填筑分期等方面控制坝体的变形总量，减小各种不利变形，同时，更为重要的是在变形总量控制的基础上，协调坝体各区域的变形。

作为高混凝土面板堆石坝建设是关键技术之一，高混凝土面板堆石坝变形控制与综合变形协调的理念可以归纳如下：

（1）高混凝土面板坝变形控制的核心是堆石体的变形控制。堆石体的变形与母岩材料特性、堆石颗粒级配、压实密度，以及坝高、河谷形状系数等直接相关。

（2）高混凝土面板坝设计、施工应通过选择低压缩性、级配良好的筑坝堆石材料和严格控制碾压密实度以减小坝体变形总量值。

（3）高混凝土面板坝的设计应通过合理的材料分区，实现坝体不同部位、区域的变形协调。

（4）高混凝土面板坝的施工应通过填筑工序的调整，为上游堆石区提供充足的变形稳定时间。

通过大量高坝工程监测资料的分析和坝体数值计算分析研究，可以发现，对于高混凝土面板坝坝体变形总量的控制，通常应控制堆石体的最大沉降量为坝高的一定比例，对于坝高200m以上的高混凝土面板坝，比例值d建议控制在0.8%～1.2%之间。

S=d H（d=0.8%～1.2%）

nl为堆石压实的控制孔隙率标准，对于坝高200m以上的高混凝土面板坝，研究表明，nl应控制在20%以下，以18%～20%为宜。

sp为坝体主、次堆石区（3B与3C区）边界线的坡度，对于高混凝土面板坝，此边界线的坡度应倾向下游，坡度不宜陡于1：0.5，即sp≥0.5。r为主、次堆石区变形模量的比值，对于200m级高混凝土面板坝，为协调上、下游堆石体的变形，主、次堆石区变形模量之比应小于1.5，即r≤1.5。

tp为混凝土面板浇筑前，上游堆石体的沉降稳定时间。对于坝高200m以上的高混凝土面板坝，为减小堆石变形对面板应力的不利影响，需要保证在浇筑混凝土面板前，上游堆石体有一定的沉降稳定时间。为此，宜采用双控制指标，一方面沉降稳定时间不应少于3个月，另一方面，上游堆石体顶部的月沉降差应小于3～5mm。

在上述综合变形协调理论中，除了堆石体变形总量的控制外，一个非常重要的理念就是变形综合协调的概念。具体而言，它包含了以下几个方面的变形协调：

（1）坝体上下游堆石区的变形协调。对于高混凝土面板堆石坝，坝体上游堆石和下游堆石将协同承担蓄水期对面板的支撑作用。观测结果和数值计算分析均表明，对于高坝而言，下游堆石区的变形对上游堆石区和混凝土面板有着显著的牵制作用。上、下游堆石区变形的不协调，将直接导致坝顶水平位移的增大和混凝土面板顺坡向拉应力的增加，进而产生面板水平向裂缝。因此，在高面板坝的设计和施工中，应采取工程措施避免上、下游堆石区模量的较大差异，以协调上、下游区域的变形。

（2）岸坡区堆石与河床区堆石的变形协调。对于修建于V形河谷或狭窄河谷中的高混凝土面板堆石坝，岸坡区堆石与河谷中心部位堆石区的变形将由于岸坡的约束作用而存在一定的差异，过大的差异变形将在岸坡段形成较大的沉降变形梯度，进而导致上游垫层区和混凝土面板的斜向裂缝。因此，对于狭窄河谷或V形河谷中的高混凝土面板堆石坝，一方面要通过降低坝体堆石整体变形量以减小河谷与岸坡段堆石的变形差。另一方面要在岸坡一定范围内设定细颗粒、高模量低压缩区，以减小岸坡段堆石体的沉降变形梯度，从而实现岸坡区堆石与河床区堆石的变形协调。

（3）混凝土面板与上游堆石的变形协调。混凝土面板堆石坝的主要防渗结构是混凝土面板，相对于散粒体的堆石而言，混凝土面板是一个刚性结构物，虽然面板依靠于堆石体之上，但面板与堆石体之间是一种非线性接触关系，两者之间的变形关系属于非连续变形。大量混凝土面板坝的观测结果表明，混凝土面板的应力应变主要是由于其下部的堆石体变形所产生。在坝体自重和水荷载的作用下，面板与堆石体之间产生摩擦接触，并通过这种摩擦接触实现剪应力的传递。由于混凝土材料与堆石材料性质相差悬殊，其接触面之间经常会出现错动与脱开，这就是面板与堆石间非连续变形造成的变形不协调所致，而这种变形不协调将导致面板应力状态的恶化。因此，在设计和施工中，一方面要通过工程措施减小和降低堆石体对面板的约束作用，另一方面，要通过适当的堆石填筑超高避免混凝土面板与堆石体之间的脱空。

（4）上部堆石与下部堆石的变形协调。对于高混凝土面板堆石坝，由于坝高的增加，堆石体所称承受的应力水平也有较为明显的增大。在这种情况下，堆石材料的流变变形将成为影响坝体和面板应力变形特性的一个重要因素。由于堆石流变的变形累积作用，通常在坝体顶部表现出更大的流变增量。因此，在高混凝土面板坝的变形控制中还应考虑其竣工后长期变形条件下下部堆石体与上部堆石体变形的协调。

（5）堆石变形时序的协调。从堆石材料的变形特征看，其压缩变形主要是颗粒的移动、颗粒破碎后的级配调整，因此，堆石在荷载作用下的变形是一个随时间变化的过程。堆石体沉降完成的程度与堆石碾压后的初始孔隙率、堆石块体的抗压强度、软化系数、下伏堆石体的厚度和特性、上覆堆石压重（厚度）等有关。对于高坝，由于高应力水平的作用，堆石颗粒破碎的作用较为突出，堆石变形的时效作用更为明显。不同区域堆石填筑的顺序将有可能造成堆石体变形时序的不协调，从而对坝体和面板的应力变形性态产生不利影响。因此，高混凝土面板坝综合变形协调的另一个重要方面是通过合理布置和调整堆石填筑顺序、设置堆石预沉降时间，以协调坝体各区域变形稳定时间的差异，从而改善混凝土面板的应力状态。

为了实现高混凝土面板坝变形控制与综合变形协调，需要在充分掌握筑坝材料工程特性的基础上通过数值分析方法对坝体的应力变形进行准确的预测，由此确定坝体的结构设计及相应的工程控制措施。在工程施工中，需结合具体条件采取集成的变形协调控制技术，其要点主要包括：

（1）筑坝堆石材料的选用。高混凝土面板坝的筑坝堆石材料应选择中硬岩，母岩的饱和单轴抗压强度为30～80MPa。为保证堆石的压实密度，要求堆石材料应具有良好级配，对于300m级的高混凝土面板坝，应研究堆石材料的最优级配，考虑适当增加粒径5mm的细颗粒含量。

（2）坝体堆石材料的密度控制：提高堆石压实密度是降低堆石体变形总量的基础性措施。对于高混凝土面板坝，一般应控制主堆石的孔隙率不大于20%。施工中应采用大功率重型振动碾压实（25～35t），并在堆石碾压施工中充分加水（15%～20%）。

（3）坝体断面分区：对于高混凝土面板坝，坝体下游堆石区材料的性质与上游堆石区材料不能有较大的差别。分区设计应控制上、下游堆石区的变形模量差，并尽可能地使上下、游堆石的变形模量保持一致。下游堆石区（3C）的上游边界应倾向下游，坡度不宜陡于1：0.5。对于狭窄河谷或岸坡陡峭的坝址，在坝轴线以上沿岸坡20～30m范围应布置颗粒较细、高压实密度的变形模量增强区，以降低岸坡段堆石区的沉降变形梯度。在坝顶部区域（30～40m范围内），也应通过提高压实密度，设置变形模量增强区。

（4）堆石填筑施工顺序：对于高混凝土面板坝，坝体堆石的填筑施工应尽可能实现上、下游全断面均衡上升，当因施工期度汛要求而需先行填筑临时断面时，临时断面顶部高程与其下游侧已填筑堆石体顶部高程的高差不应过大（宜控制在20～30m以下）。在浇筑混凝土面板时，堆石体填筑高程应与混凝土面板顶部高程保持一定的超高（建议不小于15～20m），以避免面板与堆石体之间的脱空。

（5）堆石的预沉降稳定：为减小坝体变形对混凝土面板应力的不利影响，面板浇筑时应保证上游堆石体有一定的预沉降时间以使堆石的变形基本稳定。一般，建议的预沉降时间为4—6月，或以上游堆石区沉降标点的月沉降量小于3～5mm作为变形稳定的判别标准。

3　混凝土面板坝防渗系统与渗流安全

对于高混凝土面板堆石坝，渗流控制是保证大坝安全的关键环节，坝体断面分区、大坝变形协调与控制等措施，其最终的目标都是为了保证大坝防渗系统的安全可靠。从混凝土面板堆石坝分区设计的特点看，大坝渗流控制的关键技术主要在于垫层料和过渡料的设计与施工保障。

自20世纪60年代现代面板堆石坝兴起以来，混凝土面板坝的渗流控制理念经历了三个发展阶段。第一阶段主要强调以混凝土面板控制渗流为主，在这一阶段，垫层料的主要功能是起变形协调和应力过渡的作用，其颗粒级配较粗，材料渗透系数偏大。一旦面板出现裂缝或面板止水发生破坏，往往会产生严重的渗漏。如哥伦比亚的安奇卡亚面板坝，坝体最大渗漏量达1800L/s，格里拉斯面板坝最大渗漏量为1080L/s。20世纪80年代，美国坝工专家谢拉德提出了将垫层料作为混凝土面板坝第二道防渗防线的建议，要求垫层料的渗透系数应满足10-3～10-4cm/s。Sherard的建议对混凝土面板坝防渗结构的设计是一次重大突破，它进一步完善了面板坝的防渗系统，提高了大坝的防渗安全性，是混凝土面板坝设计理念上的一大飞跃，得到国内外大多数工程师的认可，并在工程实践中广泛应用。以此为标志，混凝土面板堆石坝渗流控制的发展进入第二阶段。近些年来，随着混凝土面板堆石坝从200m级坝高向300m级坝高发展，对混凝土面板坝防渗系统可靠性的要求也日益提高。300m级坝高的混凝土面板坝将进一步综合考虑各个分区的协调保护作用，通过上游铺盖、混凝土面板、垫层区和过渡区的联合作用和相互保护，以提高大坝防渗系统的整体可靠性，并保证一旦出现破坏时的防渗系统的自愈修复。这将是高混凝土面板堆石坝渗流控制理念发展的第三个阶段。

面板堆石坝渗流控制的主要目的是保证大坝的蓄水功能，确保坝体不出现过大的渗漏。同时，出于保证大坝安全的目的，在因种种原因出现大坝较大渗漏的情况下，需保证堆石各分区材料的渗透稳定，即避免堆石中细料的大量流失，从而导致堆石体的附加变形，并进一步导致面板的破坏和大坝的溃决。

混凝土面板坝渗流控制的重点是选定合适的分区材料级配，其中，最为重要的是垫层区和过渡区的材料。垫层料必须具有低压缩性、高强度和适当的透水性以及良好的施工便利性，过渡区应能够为垫层区的材料提供反滤保护。因此，垫层区的材料需要限制其最大粒径并要求它应具有良好的级配，过渡区与垫层区之间需满足反滤保护的层间关系。

工程实践表明，Sherard提出的将垫层区作为大坝第二道防渗线的建议在渗流控制理念上是正确的，但在具体落实中仍存在一些问题。例如，垫层料的渗透系数应如何取值，才能既保证既起到第二道防渗防线的作用，又能保证所选材料具有较高的抗剪强度和较低的压缩性。渗透系数越小，表明防渗性能越好，但带来的问题是所选材料中小于0.1mm的颗粒含量过多，相应地抗剪强度降低、压缩模量减小，不利于坝坡的稳定性。另外根据室内试验，按照Sherard建议的颗粒组成曲线，垫层料的渗透系数并不能达到1×10-4cm/s的要求，特别是外包线小于0.075mm的颗粒含量只有8%，颗粒级配曲线偏粗，这种材料在最紧密状态下也只能达到10-2cm/s的量级。

通过针对垫层料的大量室内试验研究，结合工程实践经验，垫层料级配的确定原则应满足以下条件和要求：①应具有i×（10-3～10-4）cm/s的渗透系数，以保证垫层区能够起到防渗作用；②具有较高的抗剪强度，以满足上游坝坡稳定要求；③为防止施工中产生粗细料之间的明显分离，最大粒径和不均匀系数不应过大；④小于0.1mm的颗粒不应过多，以避免垫层料与堆石体之间反滤层的结构复杂化；⑤垫层料的级配设计应保证一旦面板发生裂缝，垫层能对水下抛填的细粒土起到保护作用，从而实现渗漏的自愈功能。

通常认为，堆石料的渗透特性与其小于5mm的颗粒含量直接相关，但是对于小于5mm这一部分颗粒级配的更进一步研究相对较少。通过对两种粒径小于5mm颗粒含量不同的试样，且小于5mm颗粒部分级配不同堆石料的渗透试验，可以发现，随着小5mm颗粒含量的增加，其细粒料组成的变化范围增大，致使各试样的渗透系数差别很大。当粒径小于5mm颗粒含量为55%，小于5mm的颗粒组成不同时渗透系数可相差2个数量级。随着粒径小于5mm颗粒含量的减小，小于5mm的细粒料组成的可能变化范围相应减小，各试样的渗透系数也就较为接近。这一结果与砂砾石料的渗透特性相一致，即堆石料的渗透系数主要决定于小于30%的粒径组成，仅依靠小于5mm的颗粒含量并不能准确地反映土的渗透系数。

我国的高混凝土面板坝垫层料级配设计小于5mm的颗粒含量一般在35%～55%之间。而谢拉德建议的垫层料级配，其小于1mm的颗粒含量位于12%～34%之间。试验研究成果表明，垫层料渗透性主要取决于细料含量，特别是d20的粒径值，当小于1mm的粒径含量小于20%时，渗透系数将大于10-3cm/s，因此，高混凝土面板坝垫层料小于1mm的颗粒含量应大于谢拉德的建议值（水布垭、三板溪、洪家渡和天生桥一级面板堆石坝垫层料小于1mm的颗粒含量一般在20%～32%之间）。通过对垫层料小于1mm的粒径含量进行优化，可以确保了垫层料渗透系数能够达到10-3～10-4cm/s的要求。

对于垫层料的淤堵自愈能力，假定抛填土为砂质黏土，d85=0.2mm，按太沙基反滤准则，D15≤4d85=0.8mm，垫层料的d15应小于0.8mm。

关于垫层区水平宽度的设计，主要应考虑三方面的因素：一是满足施工工艺要求，所选用的宽度必须能保证所选用施工机械的方便施工。二是垫层自身的渗透稳定性，特别是采用薄垫层或施工期间依靠垫层挡水度汛时，垫层允许的最大水力比降必须能满足要求，并有一定的安全裕度。三是能够适应坝体的变形，不会因坝体沉降变形而错断。以此标准分析，200m级高坝，垫层区宽度不应小于4m，300m级高坝，垫层区宽度不应小于4m。

从混凝土面板坝的分区结构看，由于过渡区位于垫层区下部，施工时先铺过渡区后铺垫层区，如果垫层料与过渡料颗粒级配合适，在粒径相对较粗的过渡区与粒径相对较细的垫层区交界处将形成结构稳定的混合自滤层，可阻止垫层区中其他颗粒的流失，只要保护住某一级较大粒径的土料，就可控制其他颗粒渗透稳定。因此，为保证垫层区的渗透稳定，过渡料对垫层料应具有反滤的功能，过渡区应按垫层区反滤层的原则进行设计。

总体而言，高混凝土面板坝防渗系统的层次主要包括以混凝土面板和接缝止水为主的第一道防渗线、以过渡区保护下的垫层区为第二道防渗线以及具备强透水性和抗冲蚀性的堆石区为排水、减压保护。从渗透稳定的角度看，面板堆石坝的上、下游堆石体具有很强的透水性，与垫层料的渗透性相比较，二者相差至少在百倍以上，面板一旦失去渗流控制能力，垫层将变成防渗斜墙，渗透水头大部分由垫层区承担，堆石体充足的排水能力，将使得坝体浸润线迅速降低，从而充分发挥排水、减压的作用。

4　混凝土面板坝坝坡稳定

对于混凝土面板坝的坝坡，由于碾压堆石的内摩擦角远大于其天然休止角，因此，通常情况下由抛填堆石天然休止角（38°）所定义的坝坡（1：1.3）应具有足够的安全度。国内的大部分面板堆石坝工程普遍采用了1：1.4的坡比（砂砾石面板坝除外），从国内、外高混凝土面板堆石坝的建设经验看，当采用硬岩堆石筑坝时，高面板堆石坝采用1： 1.4的边坡是可行的。

从定性的分析看，常规中硬岩堆石一般均具有较高的强度，可以维持较陡的边坡。随着坝高的增加，堆石体的应力水平将随之增大，堆石的强度指标也会随应力水平的增大而变化。因此，对于超高混凝土面板堆石坝，仍需针对具体工程的堆石材料情况，研究堆石强度特性在高应力水平下的变化规律，同时，研究采用合理的指标对坝体边坡进行稳定分析的方法。

研究结果表明，堆石料的内摩擦角φ值在低应力条件下较大，可以超过50°，而在高应力条件下变小，可能低于40°。堆石料随着围压的增高会发生颗粒破碎的现象，颗粒破碎引起粒间应力重新分布、粒间联结力变弱、颗粒容易移动，从而引起内摩擦角降低。因此，堆石的摩尔强度包线是一个向下弯曲的曲线，即在较大的应力范围内堆石的抗剪强度（内摩擦角φ值）与法向应力之间的比例关系不是常数，而是随法向应力的增加而降低，呈非线性关系。

土石坝堆石材料的抗剪强度指标具有明显的非线性特点。通常，上覆土体每增加50m，其内摩擦角将减少8°～10°。因此，对于混凝土面板堆石坝，应采用非线性强度指标进行坝坡稳定分析。但是，在计算分析的实践中发现，采用非线性强度指标，坝坡稳定安全系数通常较大，而设计规范规定的允许安全系数所对应的分析方法为线性强度指标。因此，当采用非线性强度指标进行坝坡稳定分析时，其允许安全系数标准需要通过分析确定。

根据对大量工程硬岩堆石料试验资料的统计分析和计算分析，可以发现，当采用强度指标试验资料的均值进行坝坡稳定分析时，其所得安全系数比采用试验资料小值平均值（在均值基础上减去一倍标准差）计算所得的安全系数大10%，采用小值平均值计算所得的安全系数在坝坡坡度为1：1.4的情况下与规范要求的安全系数标准相差不大。由此，在高混凝土面板坝采用非线性强度指标进行坝坡稳定分析时，可以在采用堆石料强度指标小值平均值计算的基础上，继续使用现行规范的坝坡稳定控制标准。

5　高混凝土面板坝的科学实验与理论分析

对于高混凝土面板堆石坝而言，随着坝高的增加，其应力变形特性和运行性状日趋复杂，单纯依靠经验判断已经无法充分掌握高混凝土面板坝的基本特性。因此，在高混凝土面板堆石坝筑坝关键技术中，科学试验和理论分析将发挥越来越重要的作用。

在中国混凝土面板堆石坝30年的发展历程中，从20世纪80年代起，各级科技主管部门针对高堆石坝建设过程中面临的关键技术问题，通过国家重点科技攻关项目、国家自然科学基金重点课题及水电行业重点科研项目，组织全国的科技力量，结合各个依托工程，对高堆石坝建设中的关键技术，进行了大量和系统的科学研究。目前，科学试验及数值计算分析已经成为指导高堆石坝设计、施工和运行的重要参考依据。

混凝土面板坝的科学试验包括室内材料试验、模型试验和现场原型试验。这几大类别的试验研究彼此相辅相成，互为补充，同时也是验证数值分析的三种不同尺度。

混凝土面板坝筑坝堆石材料的力学性能具有明显的非线性、非均质特征，其性状与堆石体的密度、含水率、应力应变状态等内部因素密切相关，同时还与应力历史、应力路径等外部因素相关，以及与流变、湿化、劣化等长期作用因素相关。室内试验可以利用现代技术，很好控制各项作用因素，对试样按给定的密度和含水率状态、应力条件和应力路径、饱和情况、排水条件、试验历时、动静力荷载等条件进行试验。目前无论是在建立材料的本构关系、求取计算参数方面，还是研究材料物理力学性质之间相互关系的规律性方面，室内试验都已成为一种不可或缺的有效手段。

从堆石材料的室内试验研究现状看，在常规的大型三轴试验基础上，堆石材料工程特性试验研究的重点主要集中于材料本构模型研究和材料参数研究两大方面。对于材料本构模型研究，随着面板坝坝高的增加和荷载形式的变化，堆石体承受的应力水平将显著增加，应力路径也趋于复杂，堆石颗粒在高应力条件下和浸水作用下将产生破碎和滑移，从而导致附加的流变变形和湿化变形，以及因材料密度和级配变化所导致的材料状态变化，如何在材料本构模型中正确反映相关影响因素，开发适应高应力水平、复杂应力路径和状态变化条件下的分析模型，将是近期堆石材料试验研究的重要课题。除此之外，对于堆石材料与混凝土面板接触特性的分析与研究，也是堆石材料室内试验研究中需要重点关注的问题。

对于堆石材料参数的研究，目前重点关注的焦点在于室内试验参数与现场原级配材料真实参数的相关关系。囿于室内试验条件的限制，室内试验试样需根据现场原型材料的级配进行颗粒尺寸的缩尺，这种缩尺的过程必将对材料的试验参数造成影响。究竟室内试验所得到的材料计算参数能在多大程度上代表原型材料的工程特性?目前尚无令人信服的结论，尤其是在材料的变形参数方面。因此，在堆石材料参数的研究方面，需要通过大量的试验研究工作，建立室内试验参数与现场真实参数之间的相关关系。其中，比较可行的方法是在室内试验成果的基础上，通过一系列应力状态简单、边界条件明确的现场试验（如现场侧限大型压缩试验等），结合反分析数值计算，建立室内试验参数与原型参数间的合理联系，从而实现对筑坝材料真实参数的把握。

对于高混凝土面板堆石坝的数值分析方法的研究，近些年来，随着计算技术的迅速发展和对堆石材料力学特性的深入研究，数值计算分析已成为分析混凝土面板堆石坝应力变形特性的一个不可或缺的重要手段。通过有限元计算分析，可以估算在施工期、水库蓄水期的各种加载、卸载条件下堆石体和面板的应力与变形的大小及其分布，以及材料强度发挥的程度。从而为堆石坝的坝料分区、断面优化、施工进度安排、运行性态预测提供依据。

目前，常规的混凝土面板堆石坝有限元数值计算分析由于受计算机以及计算程序能力的限制，网格的单元数通常控制在1万～3万，这样的网格规模基本能够满足对坝体应力变形规律预测的要求。但是，随着坝高的增加，如采用这种网格规模，每个单元高度通常会超过10m，长度则要达到40～50m。在这样的网格精度下，很难实现对高坝坝体应力、变形状态的准确刻画。对于混凝土面板坝而言，由于混凝土面板的最小厚度只有30～ 40cm，采用过粗的网格剖分，将使面板网格极度畸形，从而导致面板应力计算的失真。而作为混凝土面板堆石坝防渗系统的主体，混凝土面板的应力状态应该是计算分析关注的重点，如按常规的计算方法，却恰恰是混凝土面板的单元形态最差。此外，过粗的网格也无法对混凝土面板及相关接缝系统的细部进行深入的研究。因此，对于高混凝土面板堆石坝的数值分析方法的研究，其关键技术的发展方向应该是在精细化网格下的全过程仿真分析，为此，需在精细化网格建模和并行计算方法上进行研究与开发。

在高混凝土面板坝精细化仿真计算中，由于采用了更为细致的网格模型，对于面板间的接缝以及缝间嵌缝材料等均可进行模拟，面板间嵌缝材料的本构模型可以考虑理想弹塑性模型或应变软化模型。对于混凝土面板，在采用精细化网格的条件下，可以沿面板厚度方向划分多层网格，从而可以得出面板应力的变化梯度，揭示面板局部破坏的机理。

6　主要结论

中国的混凝土面板堆石坝历经30年的发展，在筑坝关键技术方面取得了令人瞩目的巨大成就，中国的混凝土面板堆石坝在数量、坝高、工程规模、技术难度等方面均居世界前列。随着混凝土面板堆石坝坝高从200m级向300m级的跨越，以及大量的高坝工程在西南、西北自然条件十分复杂的地区修建，高混凝土面板堆石坝的建设也面临着巨大的挑战，传统的“经验方法”将逐步被基于科学实验和数值分析的“理论方法”所替代，并在此基础上结合工程师的判断做出决策。

高混凝土面板堆石坝关键技术的核心在于坝体的变形控制与综合变形协调，与此理念相配套的高混凝土面板堆石坝变形控制技术，已经应用于国、内外数座高混凝土面板坝工程，取得了很好的应用效果。工程实践结果表明，变形控制与综合变形协调的理念正确反映了高混凝土面板堆石坝筑坝安全技术的关键问题，其工程应用是成功的。近些年，一些高混凝土面板坝在建设和运行中或多或少也出现了一些的问题，如面板挤压破损、面板结构性裂缝等，究其原因，可以发现，绝大部分皆源自于违背了上述综合变形协调理论或上述变形控制措施实施不到位，这也从另一个方面证明了高混凝土面板坝变形控制与综合变形协调理念的正确性。

对于高混凝土面板堆石坝的防渗安全，其关键技术在于综合发挥坝体各材料分区的功能，构建综合防渗体系。从材料分区的特点看，垫层料渗透系数对混凝土面板坝的渗漏特性有着较大影响。对于高混凝土面板堆石坝，垫层区应采用半透水材料，作为大坝防渗系统的第二道防线。建议垫层料采用i×10-4cm/s的渗透系数。高面板堆石坝防渗系统的设计应考虑在混凝土面板完全失效时，堆石体不发生大的渗透破坏。当垫层料渗透系数达到10-4cm/s量级时，垫层料在过渡料的反滤保护下不会发生渗透破坏，同时，下游堆石料的渗流出口需要适当采取措施做好渗流出口保护。

参考文献

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