中国混凝土面板堆石坝发展30年

杨泽艳，周建平，王富强，吴毅瑾，孙永娟

（1. 水电水利规划设计总院，北京市西城区 100120；2. 中国电力建设集团有限公司，北京市海淀区 100048）

中国混凝土面板堆石坝发展30年

杨泽艳1，周建平2，王富强1，吴毅瑾1，孙永娟1

（1. 水电水利规划设计总院，北京市西城区 100120；2. 中国电力建设集团有限公司，北京市海淀区 100048）

2015年是中国引进现代筑坝技术建设混凝土面板堆石坝的第30年。30年来，中国混凝土面板堆石坝技术稳步、快速发展，走过了一条“引进、发展、创新、超越”之路。中国面板堆石坝数量最多，几乎遍布全国，技术难度、工程规模和最大坝高都处于世界前列。在设计、施工、监测、科研和恶劣自然条件建坝等方面积累了丰富的经验，坝体变形控制、渗流控制、面板防裂等方面也取得了瞩目的成就，筑坝技术走向成熟，并正在向超高面板堆石坝方向发展。本文从建设成就、技术进展、经验教训、发展趋势等方面进行简要总结。

面板堆石坝；建设成就；技术进展；经验教训；发展方向

1 建设成就

1.1 数量和分布

从1985年引进现代面板堆石坝技术以来，中国面板堆石坝筑坝技术稳步、快速发展，走过了一条“引进、发展、创新、超越”之路。据2016年中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会统计[1]～[3]，截至2015年底，中国坝高30m以上面板堆石坝已建约270座，在建约60座，拟建约80座，总数超过400座。

中国已建、在建和拟建的面板堆石坝（坝高≥30m）分布在29个省（区、市）。主要分布情况见图1。其中，新疆、浙江面板堆石坝超过50座，贵州、云南超过40座，湖北、四川超过30座，重庆超过20座，其他省（区、市）约占30%。

图1 中国面板堆石坝主要分布情况Fig.1 Distribution of CFRDs in China

水布垭坝仍是目前中国和世界上最高的面板堆石坝；天生桥一级坝坝顶长超过1km，填筑量约1800万m3，面板面积约18万m2，是规模最大的坝。九甸峡坝是已建趾板置于深厚覆盖层上最高的坝，铜街子左副坝覆盖层防渗处理深度超过70m。猴子岩坝、龙首二级坝（也称西流水）的长高比仅约1.3，是在建和已建河谷最狭窄的100m以上高坝。洪家渡坝左岸趾板边坡最高约310m，是已建河谷极不对称且趾板边坡高陡的坝。吉林台一级坝抗震设计烈度达9度，是已建抗震设计烈度最高的坝。紫坪铺坝是已经受9～10度高地震烈度考验的坝。莲花坝址极端最低气温为-45.2℃，是已建位于气温最低及温差最大地区的坝；查龙坝坝顶高程为4388m，是海拔最高的坝；吉勒布拉克坝所处纬度高于北纬48度，是纬度最高的坝。

中国面板堆石坝涉及各种不利的地形地质条件和气候条件，因其安全性、经济性和适应性良好得到较普遍的推广应用，几乎遍布全国。总体而言，中国面板堆石坝的工程设计和建设是成功的，也积累了应对各种困难情况的经验和教训。中国面板堆石坝数量占全球面板堆石坝总数的一半以上，技术难度、工程规模和最大坝高等方面均处于世界前列。

1.2 发展阶段

1985年，中国启动西北口面板堆石坝设计和施工国家科技攻关试点工程。以此为标志，一般认为中国现代面板堆石坝技术起步于1985年。中国的现代面板堆石坝，按技术发展，大致可分为“引进消化、自主创新和突破发展”等三个阶段[4]（图2）。

图2 中国面板堆石坝发展示意图Fig.2 Schematic diagram for development of CFRDs in China

2 主要技术新进展

中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会对中国混凝土面板堆石坝的坝址选择和坝体布置、坝体断面分区及筑坝材料、坝体防渗结构、坝基处理、导流与度汛、主体工程施工、安全监测、试验及计算、坝身溢流及坝体加高、恶劣自然条件筑坝等方面的主要技术进展进行了较为系统的总结，2010年完成综述性论文《中国混凝土面板堆石坝25年》[4]。近年来，面板堆石坝筑坝技术又有了新进展。

2.1 按照变形控制要求选择填筑密实度

天生桥一级、洪家渡、三板溪、水布垭、巴贡等面板堆石坝的建设经验表明，200m级面板堆石坝筑坝技术是成功的、可靠的，相关坝体布置、坝体分区、筑坝材料、防渗结构、基础处理、导流度汛、填筑分期、堆石填筑、面板浇筑、试验研究与计算分析、安全监测等技术可供300m级高面板坝建设参考和借鉴。

面板堆石坝设计的技术难题之一就是选择与坝址地形地质条件和筑坝材料特性相适应的堆石料设计指标。《混凝土面板堆石坝设计规范》（DL5016—2011）明确提出按坝高选择设计孔隙率或相对密度（见表1）。

表1 筑坝材料设计孔隙率或相对密度选择表Tab.1 Design porosity or relative density for rockfills

根据已有经验，对于狭窄河谷面板堆石坝、陡坝肩边坡附近的堆石增模区一般选择下限值。正在建设的猴子岩面板堆石坝（高223.5m）、江坪河面板堆石坝（高219m）均位于狭窄河谷地区，上下游硬岩～超硬岩堆石料区设计孔隙率要求均小于19%。

试验表明，现场原级配试验的最大、最小干密度均大于室内试验值，计算相对密度均小于1。参考200m级高面板堆石坝实践经验，并根据茨哈峡现场筑坝料碾压试验分析，中国工程师研究提出了300m级高面板堆石坝坝料碾压参数及施工控制指标的建议：对于250m级以上超坝堆石料孔隙率宜按17%～19%控制；砂砾石料相对密度宜大于0.90，按照0.92～0.95控制。

2.2 超高面板堆石坝安全性评价方法

高面板坝堆石坝安全可分归纳为整体安全、稳定安全、结构安全等三个层次。第一层次为整体安全，包括洪水设计、抗震设计标准、坝顶超高等，第二层次为稳定安全，包括变形稳定、渗透稳定、抗滑稳定等，难点是变形稳定，第三层次为结构安全，包括筑坝材料、坝体结构等相关要求。

高面板堆石坝的主要包括不利地形地质条件，坝顶漫流，坝体变形过大，面板结构性裂缝和挤压破坏，坝体和坝基渗漏及渗透破坏，地震引起的面板破坏、止水失效，计算和分析理论不足等风险因素。随着坝高增加，坝坡安全系数和可靠度呈降低趋势，250m级以上高面板堆石坝需增加坝坡稳定可靠性，可适当放缓坝坡。

高面板堆石坝坝坡抗滑稳定最小安全系数可按1.6和1.7控制，对应坝坡抗滑稳定目标可靠指标正常工况可达4.45～4.7。初步探索表明，坝体变形可靠指标在蓄水期和竣工期分别为2.02和2.22，面板挠度可靠度指标蓄水期为1.766，大于欧洲结构设计规范Eurocode 0的指标1.5。高坝渗透稳定具有足够的安全裕度，渗透稳定可靠度指标可达9.91。

2.3 超高面板堆石坝设计安全标准和工程措施

针对古水、茨哈峡、马吉和如美等超高面板堆石坝的工程特点，中国工程师开展了面板坝设计研究[5]，包括坝体布置、材料设计、坝料分区、防渗结构、基础处理等。超高面板堆石坝比高面板堆石坝在筑坝材料选择、断面设计、材料分区、设计指标、面板结构等方面有更高的要求。改进后的超高面板堆石坝，坝体抗滑稳定、渗透稳定、应力变形均可控制在已有经验范围内。

中国工程师归纳总结提出300m级面板堆石坝的安全标准及其控制指标。安全标准涉及枢纽整体安全、渗流安全、变形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。

超高面板堆石坝枢纽整体安全措施包括选择较高的设计标准、适当的坝顶超高，坝体变形安全措施包括坝料级配、接缝可靠性、坝体整体和不均匀沉降等，抗滑稳定安全措施和抗震安全措施包括较大的坝顶宽度、上部坝高放缓坝坡、上部坝体下游坝坡加筋、加强护坡、提高坝体压实密度等。

2.4 超高面板堆石坝筑坝材料特性

《300m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究》[5]对筑坝材料颗粒破碎特性、材料强度的影响、堆石料的流变特性、复杂应力路径的影响，开展了大量室内三轴试验。随着堆石料孔隙率减小，模型参数提高，坝体变形明显减小；试验揭示，堆石料K值小于砂砾石料；≥5mm的颗粒含量越多，破碎率越高，在高围压条件，颗粒粒径越小，颗粒破碎越不明显。

研究表明，堆石料的颗粒破碎表现为大颗粒易于破碎和大试件材料参数低于小试件、大颗粒的咬合作用强于小颗粒和大试件材料参数高于小试件等两种与尺寸有关的细观机制。缩尺效应由这两种机制之间的综合作用决定。高坝的实际变形值大于计算值，大坝堆石的实际变形参数低于室内三轴试验值已为实际安全监测所证实。

研究表明，导致缩尺效应的主要原因之一是高围压条件下颗粒破碎，这在室内大型试验、现场试验、数值计算模拟试验三种方法得到相互补充和验证。综合试验表明，当堆石料最大粒径增大，摩擦角衰减值Δφ增加明显，初始摩擦角φ0稍有增加；最大围压越大，缩尺效应越明显；当最大粒径增加，体变模量减小明显，杨氏模量系数变化相对较小。堆石料的流变量和流变趋稳时间均有所增加，但应力路径对堆石料强度的影响不大。

2.5 超高面板堆石坝有限元计算分析方法

超高面板堆石坝需采用与坝高相适应的应力变形分析的数值计算模型和计算方法。对200m级高面板堆石坝的计算分析程序改进包括[5]堆石材料的流变特性及相应的数值分析模型；反应堆石颗粒破碎特性的堆石本构模型；堆石与混凝土材料的非线性接触特性及相关模拟方法；堆石材料特性的时效变化规律及其相应的数值模拟方法；精细化建模及大规模数值计算的并行计算方法。

典型高面板堆石坝的数值计算分析表明，只要坝体材料及其碾压参数选择适当， 特高面板堆石坝的应力变形规律与超高面板堆石坝的基本相当，但面板的应力和堆石体的位移均有较为明显的增大。首次通过研究来揭示高混凝土面板坝面板挤压破损机理，宏观原因是过大的堆石体变形，直接原因是面板沿纵缝的位移和转动接触挤压。

茨哈峡、古水、马吉、如美4座面板堆石坝工程采用改进后的应力变形计算分析表明，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。对于古水和茨哈峡坝，在采取一定的变形控制措施后，坝体变形可以控制到与200m级高面板堆石坝大致相当的水平。由于马吉和如美坝坝高相对较高，蓄水后面板局部部位的应力偏大，可通过设置缝间柔性材料、平顺两岸趾板地形等措施来解决。

2.6 超高面板堆石坝筑渗透稳定特性

采用渗透变形试验方法验证了茨哈峡和古水坝的过渡区与垫层区的反滤关系。有过渡区的保护，在超高水头下垫层料承受渗透梯度可超过200而不发生渗透破坏。渗流分析成果表明，当垫层料渗透系数达到10-4cm/s量级时，如果没有面板保护，垫层料在过渡料的保护下不会发生渗透破坏，但需要适当采取措施对下游堆石料的渗流出口做好保护。

2.7 超高面板堆石坝防渗和止水系统方案

文献[6]针对300m级高面板堆石坝计算和分析确定的接缝位移量值和位移特点，提出适应更大变形的接缝止水结构型式及止水材料。评价现行止水结构对300m级高面板堆石坝的适应性和改进措施，提出解决方向和方案。

通过总结已建工程，分析面板和趾板对300m级高面板堆石坝的适应性，提出混凝土原料选择、混凝土配合比方案、相关施工措施，评价高寒地区面板混凝土耐久性及工程措施对300m级高面板堆石坝的适应性。开展混凝土面板耐久性防渗加强技术措施研究。

2.8 超高面板堆石坝抗震安全性及其工程措施

通过深入研究[5]，真非线性模型、广义塑性本构模型、循环本构模型及三维弹塑性接触面本构模型得到改进和发展。研究还提出了高面板坝波函数组合法的非一致地震输入和波动分析方法、非线性大坝与库水耦合及涌浪的精细化分析方法、面板塑性损伤分析方法。

通过GPU加速技术、MPI并行计算、内存优化、多任务和高效求解算法等先进技术及前述理论与方法，集成了三维静动力分析软件，效率高、大规模。建立了基于应力分析、变形分析、稳定分析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；论证了古水坝坝顶下游坝坡加钢筋网、面板中部压性竖缝内间隔填充复合橡胶板、面板上部设置永久性水平缝等抗震措施的有效性。

2.9 超高面板堆石坝施工技术要求及质量控制

近年面板堆石坝填筑碾压设备重量有较大发展，猴子岩坝、江坪河坝采用振动碾达到32t。文献[6]重点对水布垭、三板溪、洪家渡、天生桥一级4个面板坝工程的施工技术和质量控制要求进行总结。依托天生桥、古水面板堆石坝分析研究堆石体分期填筑高差、填筑超高、预沉降期等确定坝体填筑程序的技术指标与面板变形控制的关系。

结合古水、马吉、如美、茨哈峡水电站的具体设计工作，提出300m级高混凝土面板堆石坝适应度汛、提前蓄水发电，同时兼顾变形要求的施工方案，初选了碾压机具，提出了坝体预沉降控制措施。

2.10 超高面板堆石坝安全监测技术

文献[5]通过对国内200m级高面板堆石坝安全监测技术进行深入调查，总结了高堆石坝安全监测技术特点、难点，对主要监测措施的有效性和存在的问题进行分析。对已有面板堆石坝安全监测关键技术及仪器设备进行深化研究，对新技术、新仪器设备进行研究。通过研究提出适应高面板堆石坝1000m级监测管线的变形监测方案，包括监测仪器结构形式、材料工艺、技术指标、埋设技术要求等，为300m级高面板堆石坝安全监测技术研究提供技术支撑。

对高面板堆石坝监测实时动态智能反馈与预测系统进行研究。通过全面的调研并基于已有科研成果及现场监测资料，提出蓄水期和运行期的监测安全指标；对监测数据进行合理评价及综合分析，考虑时空效应结合多尺度有限元计算进行反演分析，获得大坝材料的合理参数，并预测大坝在不同条件下的安全裕度及工作性态；根据监测和分析成果修正和完善不同时期各级警戒值和安全评价指标，提出相应的应急预案与措施。

3 主要经验教训

文献[4]对面板混凝土温度和干缩裂缝、面板结构性裂缝及挤压破坏、渗透破坏或水力冲蚀、接缝止水失效等方面的经验教训进行了较为系统的总结。近年来，仍有面板堆石坝筑坝出现类似的工程事故。

湖南白云面板堆石坝工程，坝高120m。1992开建，1998年完工并下闸蓄水。蓄水后前10年渗漏观测显示正常，2008年5月后渗漏量加大，最大达1200L/s。2015年完成加固处理。初步分析主要原因有：坝体与两岸基岩变形不协调，大坝填筑体密实度不足、变形量过大，止水结构缺陷或者耐久性差，趾板基础处理不到位，大坝填料分区不合理，各分区级配不良等。

四川布西面板堆石坝工程，坝高135.8m。2008年开建，2010年完工并下闸蓄水。一期蓄水后，发现大坝渗漏明显偏大。水库蓄水水位快速上升过程中，出现大坝沉降量加大及面板开裂异常情况。实测最大渗漏量1982L/s。检查发现部分面板间出现错台、局部隆起，面板高程3300m附近出现局部横向裂缝。

云南普西桥和甲岩面板堆石坝工程，坝高分别为140m和146m，初期蓄水后均出现坝后渗漏量较大情况，同时伴随有坝体变形较大等情况。采取了降低库水位检查、加强岸坡帷幕灌浆、坝前抛洒粘土铺盖等工程措施进行处理。

面板堆石坝的任何设计和施工缺陷在施工期或运行期会毫无保留地显露出来。面板堆石坝设计和施工关键还在于借鉴已有工程经验，遵照客观规律，开展深入细致的地质勘查和设计研究，提出与地形地质条件、筑坝材料特性相适应的设计和施工参数，保证施工质量，才能确保不出现坝体变形大、面板挤压破坏、渗漏量过大等问题。

4 未来发展趋势

4.1 更高面板堆石坝

由于河流梯级水电开发及水资源合理配置的需要，未来我国西部还将建设一批调节性能好的高坝大库工程。近期，古水、茨哈峡、拉哇和大石峡等工程均已在可行性研究或初步设计阶段推荐面板堆石坝为选定坝型（见表2）。

这些工程坝址位于西部高山峡谷、交通不便、经济不发达地区；属高坝大库，库容大于12亿～41亿m3，工程规模大；水库大都具有较好的调节能力，为梯级中的控制性水库和关键梯级；泄洪量900m3/s～13000m3/s，泄洪问题可通过岸边溢洪道和泄洪洞加以解决；场地基本烈度为7度，地震设计烈度大于8度。这些工程坝址区工程地质条件复杂，设计和建设具有相当的难度，虽然前期设计阶段均结合300m级高面板堆石坝适应性、安全性及技术对策和关键技术进行了研究，实施阶段还需结合具体工程特点开展深入的研究。

4.2 深厚覆盖层上的高面板堆石坝

新疆叶尔羌河干流上的阿尔塔什水利枢纽工程面板堆石坝最大高度164.8m[7]，水库总库容约22.4亿m3，电站装机容量755MW。工程于2015年6月开工建设，预计2021年5月完工。工程具有高地震烈度、高边坡、高坝及深厚覆盖的“三高一深”特点[8]。

阿尔塔什面板堆石坝采用砂砾石和堆石料筑坝，上游坝坡1：1.7，下游坝坡1：1.6。河床覆盖层最大厚度94m，趾板建在深厚覆盖上。坝基覆盖层采用全封闭混凝土防渗墙进行防渗处理。该工程建成后将是世界上趾板建在深厚覆盖层上最高的面板堆石坝工程。

5 结束语

（1）中国面板堆石坝数量超全球总数的一半，技术难度、工程规模和坝高都处于世界前列。面板堆石坝在中国已成为土石坝中的主导坝型。

（2）中国面板堆石坝技术的发展大致经历了“引进消化、自主创新和突破发展”三个阶段。未来随着中国水资源开发利用，还将促进更多面板堆石坝的建设。

（3）中国面板堆石坝在设计、施工、监测、科研、恶劣自然条件筑坝等方面都积累了丰富经验，形成了完整的工业化体系和技术标准化体系。

（4）中国从沟后溃坝事件，株树桥等坝面板破损事故中吸取教训，坝体变形控制、渗透控制以及混凝土面板防裂技术取得新的突破。

（5）中国面板堆石坝将向基岩上250m～300m级高坝、深覆盖层上200m级高坝方向发展。大坝信息化筑坝技术、防震抗震研究设计、大坝安全监测技术将迈上新台阶。

表2 拟建超高面板堆石坝主要特性表Tab.2 Main characteristics of the proposed super-high CFRDs in China

图3 阿尔塔什面板砂砾石堆石坝剖面示意图Fig.3 Section of Aertashi concrete face sand-gravel rockfill dam

[1] 中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会. 中国30m以上已建混凝土面板堆石坝统计表（截至2015年底）.

[2] 中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会. 中国30m以上在建混凝土面板堆石坝统计表（截至2015年底）.

[3] 中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会. 中国30m以上拟建混凝土面板堆石坝统计表（截至2015年底）.

[4] 中国水力发电工程学会混凝土面板堆石坝专业委员会. 中国混凝土面板堆石坝25年[A]. 混凝土面板堆石坝安全监测技术实践与进展[C]. 北京： 中国水利水电出版社，2010：1-20.

[5] 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、黄河上游水电开发有限公司、云南华电怒江水电开发有限公司. 300m级高面板堆石坝安全性及关键技术研究[R]. 2016.

[6] 中国水电工程顾问集团公司、华能澜沧江水电有限公司、云南华电怒江水电开发有限公司. 300m级高面板堆石坝适应性及对策研究[R]. 2010.

[7] 范金勇. 阿尔塔什深厚覆盖上高面板砂砾石堆石坝坝体变形控制设计[J]. 水利水电技术，2016（47）：29-32.FAN Jinyong. Design of Deformation Control on High Concrete Face Sandy Gravel-rockfill Dam Built on Aertashi Deep Overburden[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2016, 47(3): 29-32.

[8] 陈晓，王旭红. 阿尔塔什“三高一深”工程地质问题的勘察研究[J]. 四川地质学报，2011（31）：72-76.CHEN Xiao, WANG Xuhong. Geological Survey and Study on Problems of ‘High Seismic Intensity, High Slopes, High Dam and Deep Overburden Layer’ for Aertashi Project [J]. Acta Geologica Sichuan, 2011, 31: 72-76.

The 30 Years’ Development of Concrete Face Rockfill Dam in China

YANG Zeyan1, ZHOU Jianping2, WANG Fuqiang1, WU Yijin1, SUN Yongjuan1
（1. China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing, 100120,China; 2. Power Construction Corporation of China, Beijing,100048, China）

2015 is the 30th anniversary for introduction of modern technologies in constructing concrete face rockfill dams （CFRD）in China. In the past 30 years， construction techniques developed fast and a path of ‘introduction， development， innovation， and breakthrough’ is discovered to design and construct CFRD in China. The quantity， dam height， project scale and technical difficulty of CFRD in China are all at the forefront of the world.Plentiful and valuable experiences are accumulated and remarkable achievements are achieved in the design， construction， scientific research， safety monitoring. and dam construction under unfavorable natural conditions. Technologies of CFRD construction matured and develop to face greater challenges from the super-high dams. Brief summary is put forward in this paper on construction profile， technical progress， experience and lessons and development direction of CFRD.

concrete face rockfill dam， achievements of CFRD construction， technical development， experience and lessons，development direction

TV641

A

570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.001

2016-09-13

2017-01-11

杨泽艳（1962—），男，湖北老河口人，教授级高级工程师，全国勘察设计大师，副总工程师，主要研究方向：水电工程技术研究与设计、咨询。E-mail： yangzy@creei.cn

周建平（1962—），男，湖南常德人，教授级高级工程师，总工程师，主要研究方向：水电工程技术研究及建设管理。zjp@powerchina.cn

王富强（1983—），男，山东单县人，博士，高级工程师，主任助理，主要研究方向：水电工程技术研究与设计、咨询、审查、验收。E-mail： wfq@creei.org

吴毅瑾（1964—），女，江苏宜兴人，教授高级工程师，主要研究方向：水电工程技术研究与设计、咨询、安全鉴定。

孙永娟（1943—），女，山东即墨人，教授高级工程师，主要研究方向：水电工程设计和科技管理。