论混凝土面板堆石坝在玉龙喀什水利枢纽工程坝型选择中的适应性及风险对策

彭卫军

（新疆水利水电勘测设计研究院）

【摘　要】　本文通过对国内外部分高坝相关数据的统计分析以及混凝土面板堆石坝和碾压混凝土重力坝的综合技术经济比较，阐述了在Ⅸ度地震设防的大温差寒冷地区建设230m级高坝时不同坝型的工程难点、技术风险和在设计、施工中的应对措施，论证了混凝土面板堆石坝对新疆玉龙喀什水利枢纽工程区建设条件的适应性，从而对其他工程进行坝型选择并促进相关坝型的推广运用提供参考和借鉴。

【关键词】　强震区　230m级　混凝土面板堆石坝　碾压混凝土重力坝

1　工程概况及建设条件

玉龙喀什水利枢纽工程是和田河支流玉龙喀什河山区河段的控制性水利枢纽工程，为Ⅱ等大（2）型工程。最大坝高229.5m。

工程洪水标准按500年一遇设计，5000年（土石坝）和2000年（混凝土坝）一遇校核，相应洪峰流量为2164m3/s、2784m3/s和2537m3/s。

坝址处河谷呈V形，正常蓄水位2170.00m时，河谷宽约440m。坝址区岩性主要为灰黑色的二云母石英片岩，片理产状30°～55°NW∠20°～30°，岩体较完整。坝址区地质构造不发育，断层规模较小。

本工程大坝建设条件具有以下特点：

（1）工程区地处寒冷地区，降水量少，日照和蒸发强烈，温差较大，气候条件对坝型的选择存在一定影响。

（2）洪水以融雪型洪水为主，洪峰和洪量不大。

（3）坝址场地的地震基本烈度为Ⅷ度。设防标准对壅水建筑物取基准期100年内超越概率P100为0.02，相应基岩峰值加速度为350.5×10-2 m/s2。地震烈度较高，坝型选择必须满足抗震需要。

（4）坝址地形和工程地质条件较好，可满足多数坝型的建设要求。

（5）天然骨料储量不大，但存在合适的人工骨料料场。

（6）爆破堆石料储量丰富，运距较短，饱和抗压强度在37～47MPa，稍偏低。

（7）土料匮乏，分布零散，且质量不佳。

2　比较坝型选择

2.1　国内外强震区高坝现状统计及分析

根据本工程的实际建设条件，满足抗震要求是坝型选择的首要标准。

表1中列出了国内外修建在Ⅶ度以上强震区的200m以上高坝共33座，其中混凝土坝25座，占总数的75.8%，混凝土坝中拱坝21座（含4座重力拱坝），重力坝4座；当地材料坝8座（心墙或斜心墙坝7座，斜墙坝1座），占总数的24.2%。从中可以看出，拱坝由于其结构上的特点，具有良好的抗震性能，同时坝体方量小、造价相对较低，因而在地形、地质条件允许的情况下，成为强震区高坝的首选坝型。当地材料坝中心墙或斜心墙坝因充分利用了当地天然建筑材料，造价相对低廉，在合理确定大坝体型、坝料分区及填筑标准等的前提下，采取适当的抗震加固措施，亦可获得较高的抗震能力，因而在强震区高坝中亦应用较多。重力坝虽然也具有较好的抗震性能，但坝体混凝土方量大，造价相对较高，因此在强震区高坝中虽有应用，但数量相对较少。

随着我国坝工界对筑坝材料各项性能的了解和认识的逐步加深，特别是随着与土石坝相关的国家科技攻关项目的开展，针对土石填筑坝地震破坏机理及散粒体结构动力模型试验技术、粗粒土测试技术和试验方法以及本构模型、土石坝动力分析方法以及高效-多功能-大规模数值分析软件系统研发、高土石坝抗震措施等方面开展了系统、深入的研究，并逐步取得了成果，对我国强震区高土石坝的建设起到了极大的促进作用，强震区高土石坝设计和建设迅猛发展。

表2列出了我国部分70m以上地震区土石坝的相关参数，共计20座。从中可以看出，国内强震区高土石坝基本采用了黏土心墙坝、混凝土面板坝和沥青混凝土心墙坝三种坝型。其中黏土心墙坝9座，占45%；混凝土面板坝8座，占40%；沥青混凝土心墙坝3座，占15%。200m以上高坝8座，其中黏土心墙坝6座，占75%；混凝土面板坝2座，占25%。强震区沥青混凝土心墙坝最大坝高尚未超过150m。

2.2　比较坝型选择

由于工程区及邻近区域仅零星分布有少量风积黄土，其质量和储量均不能满足土质防渗体土石坝的筑坝要求；同时本工程坝高大于200m，且位于强震区，采用沥青混凝土心墙坝尚无先例，故本工程坝型比选中选择混凝土面板堆石坝作为当地材料坝的代表坝型。

本工程河谷宽高比约为2.5，但坝址区基岩片理走向30°～55°，与坝轴线夹角较小，片理倾角20°～30°，倾NW（上游），倾角偏小且倾向不利，不宜布置混凝土拱坝，故本工程选择碾压混凝土重力坝作为混凝土坝的代表坝型，参与坝型方案比较。

3　比选坝型对本工程的适应性

3.1　混凝土面板堆石坝适应性

根据有关文献，1960年开始，面板堆石坝向150m级高坝发展。1990年以后，面板堆石坝开始向200m级高坝发展。据不完全统计，截至2011年9月，国际上已建、在建和拟建的混凝土面板堆石坝约570座。

我国自1985年开始引进混凝土面板堆石坝筑坝技术，并经历了1985—1990年以西北口为代表的引进消化阶段、1991—2000年以天生桥一级为代表的自主创新阶段和2000年至今以水布垭为代表的突破发展阶段。据不完全统计，截至2009年年底，中国坝高30m以上面板堆石坝已建约170座，在建、拟建各约40座，总数约260座。目前，最大坝高突破200m，深厚覆盖层上建坝高度突破100m；150m级高坝技术日益成熟，取得200m级高坝筑坝的全套技术；坝体变形控制和面板防裂取得良好效果；面板堆石坝设计和施工等规范开始新一轮修订；中国面板堆石坝技术水平跃居世界前列，筑坝技术走出国门；组织开展了300m级高面板堆石坝适应性和对策研究。

我国四川岷江上坝高156m的紫坪铺坝，经受了烈度达Ⅸ～Ⅹ度的汶川特大地震的考验，超过其设防标准，在世界已建大坝中也是最高的，但震损轻微，充分证明了面板堆石坝具有优良的抗震性能。

新疆是全国率先引进面板坝的省区，其筑坝技术一直处于国内先进水平。1981年在37.5m的深覆盖层上建成第一座坝高42m的柯柯亚水库，2000年建成第一座坝高67.5m的榆树沟坝面溢流混凝土面板堆石坝，1995年开工建设当时全国第二高坝的乌鲁瓦提水库，2006年建成的吉林台一级水电站坝高目前列全国第六，同时也是全国已建工程中Ⅸ度设防的最高混凝土面板砂砾-堆石坝。30年来，共建成面板堆石坝19座，其中坝高100m以上的有8座，用实践证明了面板坝坝型对新疆不同气象、地形、地质和天然建筑材料等条件下的适应性，并在许多关键技术的研究与应用方面有新的突破。

3.2　碾压混凝土重力坝适应性

碾压混凝土坝是混凝土筑坝技术的一项革新，在技术和经济上具有显著的优越性。从20世纪60年代碾压混凝土筑坝技术开始投入使用，至今已得到了越来越广泛的应用并取得了长足的进步和发展。

我国从1978年开始研究研究应用碾压混凝土技术，结合中国的自然条件和施工技术水平，认真吸取了RCD和RCC的经验和教训，发展了采用高掺粉煤灰、中等胶凝材料、大仓面薄层铺筑、连续碾压上升、二级配碾压混凝土防渗的施工方法，使碾压混凝土筑坝技术达到了一个较高水平，形成了一整套建造碾压混凝土坝的技术。目前，我国碾压混凝土筑坝技术已经非常成熟，达到世界先进及领先水平。至今，已建成碾压混凝土坝41座。目前在建12座，正在规划、设计及即将施工的17座。此外，还有不少的碾压混凝土围堰工程。

新疆在20世纪90年代末期引进RCC坝，于2000年建成了石门子拱坝（坝高109m），该工程是我国首次在高寒地区建成的碾压混凝土高拱坝。而后又引进了碾压混凝土重力坝，先后建成了喀腊塑克水利枢纽（坝高121.5m）、特克斯山口水电站（坝高49.8m）及冲乎尔水电站（坝高74.0m）。这些大坝均处于高寒和高地震区，其中喀腊塑克水利枢纽是我国乃至世界上首次在高纬度地区修建的坝高最高、工程量最大的百米级全断面碾压混凝土重力坝。上述工程的建设，在新技术、新材料、新工艺引进吸收和理论研究、技术创新等方面进行了大量有益的探索。特别是在“冷、热、风、干”等不利因素的对策方面，为新疆乃至全国在类似环境条件下的筑坝技术提供了宝贵经验。

4　两坝型技术风险及应对措施

对本工程而言，采用混凝土面板堆石坝或碾压混凝土重力坝在设计、施工和运行管理等方面都有着较为成熟的理论和经验，因而均是可行的。但结合工程区建设条件，也都存在着一定的工程难度和技术风险。

4.1　混凝土面板堆石坝

目前已建成的面板堆石坝多采用经验型设计和筑坝技术，基本上是在总结以往大坝经验的基础上适当提高，并越建越好。出现的主要问题集中在坝体变形大或面板裂缝多或坝体渗漏量大等，问题多由变形不稳定引起，但均是安全的。分析其原因，在于堆石体是典型的岩土结构，具有复杂性、不确定性和多相耦合性，由于受到试验手段的限制，在高围压和高应力的条件下，其填筑料的物理力学性能很难通过室内试验准确把握，但面板堆石坝的结构和分区特点决定了其天然具有良好的抗滑稳定性、抗渗稳定性，所以虽出现了一些问题，但安全性仍是有保障的。实践证明，问题的出现可通过选用抗压强度较高的堆石料原岩、确定合理的堆石级配及孔隙率；减小上游与下游堆石体的模量差、采用大吨位的碾压设备、堆石填筑总体平衡上升、采取预沉降措施、临时断面蓄水预压等坝体变形控制的集成技术措施予以消除或降低。

本工程大坝采用爆破堆石料作为主要的筑坝材料，因而结合已建工程经验和试验研究及理论计算的最新成果，通过合理选择体型和分区及压实标准，并采取必要的抗震加固措施，完全能够满足坝体抗滑、抗渗和抗震稳定性要求。

本工程最大坝高229.5m，坝体变形控制要求较高。为控制坝体变形，目前国内外200m级高面板坝均采用硬岩堆石料，其原岩饱和抗压强度一般在60～80MPa以上。而根据地勘资料，本工程坝址附近的P2爆破料场岩块弱风化样天然密度2.75g/cm3，自然吸水率0.30%，饱和吸水率0.34%，干抗压强度67MPa，饱和抗压强度37MPa，软化系数0.55；新鲜岩样天然密度2.77g/cm3，自然吸水率0.26%，饱和吸水率0.30%，干抗压强度71MPa，饱和抗压强度47MPa，软化系数0.66，属中硬岩类，与以往的工程实践之间存在着一定的差距。P1料场为花岗岩料场，天然密度2.63～2.66g/cm3，自然吸水率0.39%～0.46%，饱和吸水率0.52%～0.63%，干抗压强度108～134MPa，饱和抗压强度88～101MPa，属硬岩类。质量基本满足要求，储量丰富，但距坝址区11～13km，运距较远。有研究资料表明，对于200m以上的超高面板堆石坝，坝体后期的体积流变与剪切流变的变形量较大，对面板及趾板等防渗结构造成很大的安全隐患。因此，坝体变形控制是本工程设计的难点，其重点在于减小面板浇筑后的堆石体变形以及堆石体分区间的不均匀变形。

对本工程而言，不能够实现对坝体变形的合理控制，将导致垫层料坡面开裂、面板与垫层料间脱空、面板结构性裂缝和垂直缝挤压破坏、接缝止水结构受损等现象，从而造成大坝渗漏及安全性下降等后果。因而存在一定的技术风险。

为此，本工程混凝土面板堆石坝方案设计和施工中应采取以下综合措施，以确保工程安全。

4.1.1　设计措施

（1）开展高面板堆石坝筑坝材料工程特性的研究，主要包括：堆石材料在高应力水平、复杂应力状态下的强度和变形特性；堆石材料在高应力条件下的颗粒破碎及其对材料工程特性的影响；堆石材料的蠕变特性、蠕变机理、及影响因素；不同应力状态下堆石材料工程特性随时间的变化规律；堆石材料参数的室内外特性差异等；同时尽早开展爆破和碾压等现场试验，并结合室内试验，分析料场岩体不同矿物组成含量变化、风化程度等的分布情况及其对岩块抗压强度等物理力学指标的影响，准确把握坝料特性，明确料场可开采范围。

（2）正确认识筑坝材料物理力学性质指标，合理利用工程区天然筑坝材料，正确选择孔隙率等密实度参数，尽可能提高堆石坝填筑密实度；陡边坡附近设特别碾压区；适当提高下游堆石区的填筑密实度，减少上、下游堆石区的模量差；减小软岩料填筑范围并尽量靠坝的下游侧设置；尽可能协调坝体各部位变形，并降低堆石体后期沉降量。

（3）坝体填筑分区的填料级配，应满足极端条件下坝料的渗透稳定要求。

（4）合理确定面板分缝分块，并可考虑部分面板采用双层配筋、纤维混凝土等，以提高混凝土面板适应坝体变形的能力，必要时结合分期施工缝设置水平永久缝。

（5）采取适当加大面板顶部最小厚度、改进面板受压垂直缝细部设计（如浅化顶部V形槽、降低底部止水片的鼻子高度、底部砂浆垫层不侵占面板承压断面等）、接缝处增设抗挤压钢筋、受压垂直缝内设弹性材料等措施，防止面板挤压破坏。

（6）拟定稍大的分缝允许位移设计值，并据此确定相应的止水结构，以提高周边缝、垂直缝、水平缝对坝体变形的适应能力。同时接缝止水结构从单一止水型或自愈型向止水与自愈相结合型发展。

4.1.2　施工措施

（1）采取提高压实机具功能、减薄铺料厚度、充分加水等措施提高坝料填筑密实度。冬季不能洒水时，采取减薄层厚、增加碾重和碾压遍数等保证压实质量。

（2）结合施工导流、进度控制和坝体变形控制等要求来进行坝体填筑分期；坝体上、下游和左右岸填筑考虑坝体变形控制要求，堆石填筑总体平衡上升；下游面超高填筑；分期面板上部堆石体超高5～20m。

（3）合理设置预沉降时间和速率控制指标，适当延长面板浇筑前的预沉降期，待面板下部的堆石体变形速率趋于收敛后再浇面板。

（4）加强对面板的养护与保护，对面板脱空部位进行自流式注浆。

（5）合理安排坝体度汛和分期蓄水方案，导流洞设置工作弧门，灵活控制施工期坝前水位，利用水荷载预压以加快堆石体初期变形，防止坝体开裂。

（6）采取GPS监控系统、附加质量法密度检测等措施有效监控堆石填筑质量。

4.2　碾压混凝土重力坝

与常态混凝土坝相比，碾压混凝土坝的温控与防裂具有新的特点。由于掺入粉煤灰，使早期水化热较低，坝体温度下降缓慢，早期压应力略有增加。同时，也带来一些不利因素，由于碾压混凝土用水量少，加冰十分困难；其施工工艺要求一般不埋冷却水管，对削减水化热温升不利；采用通仓浇筑，不设纵缝，增加了基础约束应力。另一方面，北方寒冷地区碾压混凝土体每年4—10月为施工期，冬季停止混凝土施工，这种间歇式的施工方法，加之冬季寒冷的气候条件和较大的内外温差，在越冬面附近的上下游面部位有明显应力集中现象，而该部位混凝土恰是低温季节浇筑，抗拉强度低于其他部位混凝土，极易产生水平向温度裂缝。

工程经验和理论研究都表明，碾压混凝土坝温度应力是导致坝体裂缝的主要因素，其他荷载所引起的应力与温度应力相比相对较小，温度应力起着控制作用。寒冷地区碾压混凝土重力坝具有代表性的温度裂缝主要包括：①上、下游坝面的劈头裂缝；②强约束区长间歇顶面（包括越冬面）的纵向裂缝；③永久底孔、导流底孔四周的环形裂缝；④溢流坝反弧段的纵向裂缝；⑤越冬层面附近上、下游侧水平施工缝的开裂。

本工程所在地区多年平均气温11.0℃，最高月平均气温23.8℃，最低月平均气温-5.1℃，极端最高气温37.5℃，极端最低气温-23.5℃；多年平均降水量55.1mm；多年平均蒸发量为3485.8mm（ϕ20cm型蒸发器）；年平均风速为2.09m/s，多年平均最大风速14.3m/s；最大冻土深67cm；最大积雪深度14cm；年冻融循环次数为78.83次；多年平均日照时数2610.5h；多年平均相对湿度42%。

由于工程地处寒冷地区，采用碾压混凝土筑坝面临着恶劣的气候条件和长间歇通仓浇筑的问题，如何防止或减少坝体的温度裂缝是在寒冷地区修建碾压混凝土重力坝面临的严峻课题。

同时，工程区日照强烈、降水量小、蒸发剧烈、风力较强、气候干燥，碾压混凝土在运输、卸料、摊铺、碾压和覆盖过程中失水现象将较为严重，如何采取有效措施解决由于失水过快引发的碾压混凝土可碾性和层间结合质量问题也是碾压混凝土筑坝技术面临的又一难题。

另外，坝址区岩性主要为灰黑色的二云母石英片岩，片理产状30°～55°NW∠20°～ 30°，走向与坝轴线交角较小，缓倾上游，多有变化，对坝体稳定不利；基岩允许承载力3～5MPa，相对较低，根据目前设计的大坝体型，地震工况下基底应力接近承载力上限。

为此，借鉴以往相近地区的经验，本工程碾压混凝土重力坝方案设计与施工需采取以下措施来发挥优势并确保工程安全。

4.2.1　设计措施

（1）深入调查基岩片理产状、变化和不利组合情况；通过多种方法准确把握坝基岩体不同矿物组成含量变化分布情况及其对岩体允许承载力、抗剪强度、弹变模量等物理力学指标的影响，以及混凝土与基岩间抗剪强度指标的变化情况。

（2）结合本工程建筑材料特性，开展坝体各材料分区的碾压和常态混凝土配合比研究，特别是寒冷地区高碾压混凝土坝坝体防渗技术研究，在满足各分区设计功能的前提下，充分利用工程区资源，尽量减少胶凝材料用量，降低混凝土水化热；同时具有良好的可碾性、抗渗性、抗裂性、层面结合性能及抗冻融能力。

（3）结合工程实际，开展本工程碾压混凝土温度场变化规律研究，合理确定温控指标和温控措施，提出切实可行的坝体及层面保温、保湿工程措施，特别是冬季及寒潮来临前的混凝土保护措施。

4.2.2　施工措施

（1）依据仓面气候条件，动态调整VC值；采用雾化水汽进行失水补偿和增加仓面空气湿度，提高层间结合质量；采用斜层碾压工艺，缩短层间间歇时间；高温、多风时段及时做好仓面覆盖保湿，以保证RCC可碾性及层间结合质量。

（2）采取施工温控防裂技术措施：增加储料堆高度、保证料流风冷时间、采用保温、遮阳廊道及二次制冷等其他技术措施降低混凝土出机口温度；控制浇筑层厚度和上下层浇筑间歇时间、掺加缓凝高效减水剂、混凝土运输车安装液压防晒板保温、缩短混凝土从拌和到仓面碾压的时间等措施减少浇筑过程温升。

（3）根据设计要求，及时完成碾压混凝土表面（上下游面、分期外露面、越冬层面等）保温施工。

5　坝型比选及结论

结合上述分析，可以发现对本工程而言，推荐坝址建设条件对两坝型均不存在较大的不利因素。由于坝高较大、地震烈度较高，两坝型均存在着一定的工程难点和技术风险，但通过合理的设计和良好的施工控制可以予以消除或降低。

本工程采用混合式开发方式，两种坝型发电引水系统和厂房布置基本相同；泄洪建筑物规模不大，右岸为有利于土石坝布置泄水建筑物的凸岸，重力坝方案坝身泄洪的优势不明显；重力坝方案河床覆盖层和坝基岩石开挖量大，混凝土用量多，有效施工期短，且采用人工骨料，故投资远大于混凝土面板堆石坝方案（面板坝静态投资39.1亿元，重力坝52.8亿元），总工期（面板坝5.5年，重力坝8年）亦较长。

因此，设计最终推荐土石坝为基本坝型，以混凝土面板堆石坝为代表坝型。

参考文献

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