高寒地区面板坝设计中的特殊问题与对策

李远程，张利娟， 史海英，周 伟，韩 健

(1.黄河勘测规划设计有限公司,郑州 450003;2.武汉大学,武汉 430072)

1 国内外建设现状

混凝土面板堆石坝以其充分利用当地材料、适应性广、施工简单、工期较短、造价较低等优点，成为水电站设计中最富有市场竞争力的主流坝型，因而在国内外得到了广泛的采用和迅速的发展。随着“西部大开发”和“一带一路”的推进，在高寒、强蒸发、大温差等恶劣自然环境下建造面板坝的工程正在增多。可喜之处，在我国的西北、华北、东北、西南及其他高海拔的严寒、寒冷地区，已率先建成了许多混凝土面板堆石坝，可供借鉴：最著名的是高纬度的黑龙江莲花坝,坝高72 m,位于北纬42 ℃，极端温差82.7 ℃；新疆的吉勒布拉克坝,坝高140.3 m,在北纬48 ℃左右, 最低气温分别为-49 ℃，是目前已建成高寒地区最高的面板坝；在高寒高海拔地区的工程有，西藏查龙水电站，坝高38.6 m，坝顶高程4 386 m，最低气温-41.2 ℃，松楚水电站，坝高40 m，坝顶高程4 190 m。国外的高寒地区面板坝，有美国的Courtright坝, 坝高98 m，位于高程2 500 m处； CabinCreek，坝高55 m，位于高程3 360 m处，最低气温都在-40 ℃，但在建造时没有采取特殊抗冻措施。其中CabinCerek坝建20世纪60年代，已安全运行了几十年；冰岛Karahnjukar混凝土面板堆石坝，坝高198 m，也处于寒冷地区，冬季气温可达-25 ℃。表1给出了国内部分建成高寒地区面板坝的资料。

表1 国内部分建成在建高寒地区面板坝统计表Tab.1 Statistics of CFRD built in the high-cold area

早期修建的工程因对寒冷气候条件的负面影响认识不足，工程多少出现了一些问题，经采取一些针对性的措施，修补处理后能正常运行。在此过程中积累了很多宝贵经验, 但也有不少教训, 总结分析高寒地区面板堆石坝的筑坝经验和教训,并提出相应的新对策，避免后续工程重蹈覆辙，且对我国青海、新疆、西藏、云南等地的高寒地区面板堆石坝建设具有指导意义。

2 垫层料级配和渗透系数问题

高寒地区面板坝主要争议集中在垫层料的半透水性或全透水性。文献[1]指出格里拉斯坝(位于哥伦比亚安第斯山区高程3 000.0 m) 垫层料含砂最平均值为25%，美国阿拉斯加州恐怖湖坝垫层料含砂量为29%～40%，仅具半透水性，由于垫层较薄，又是倾斜布置在坝体中，位于其后的过渡层、主堆石料的渗透系数较垫层料大数十倍以上，进入垫层的渗水在重力作用下，渗流基本上是垂直向下的，很容易排出，故水位变动面板下垫层料仅有潮气，并非饱和态,垫层区或小区料发生冻胀的可能性不大。文献[2]指出严寒和寒冷地区的面板堆石坝垫层料压实后渗透系数宜为1×10-2～1×10-3cm/s。文献[3]指出设计有必要将垫层按水位进行分区，对于冬季可能受冻部位，设计中重点解决防冻胀的问题，对于非受冻部位，应注重第二道防渗和防冻功能的共同发挥，指出高寒地区存在水的冻胀问题，为保证面板稳定, 要求水位变幅区附近的垫层料有较好的排水性能，需适当加大其渗透系数。然而，匹配渗透系数一项主要工作是垫层料级配的选择，关门山坝和莲花坝按照全透水性进行垫层料级配设计，即渗透系数K≥10-3cm/s, 表2给出了其级配曲线主要参数。文献[4]给出最近新疆等地修建的混凝土面板砂砾石坝(如乌鲁瓦堤坝)，从加强渗流控制、保证垫层的渗透稳定性出发，加强调垫层料的半透水性和垫层作为第二道防渗线的作用，要求垫层料为连续级配料，其最大粒径不超过80 mm，小于5 mm粒径含量控制在35%～50%，小于0.1 mm粒径含量不超过8%，渗透系数大多控制在10-3～10-4cm/s范围内。

表2 2座面板坝垫层料级配曲线主要参数Tab.2 Major parameters of grading curve with two CFRD bedding materials

通常认为，垫层料的渗透特性与其小于5 mm的颗粒含量直接相关，但进一步研究发现，针对小于5 mm粒径百分比相同的两组不同试样，5 mm以下颗粒组成若有较大的不同，仍然导致渗透系数差别较大。文献[5]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1 mm的粒径含量小于20%时，渗透系数将大于10-3cm/s。

因此，为兼顾高寒地区面板坝垫层料保持一定的透水性和防渗性，垫层料小于5 mm的粒径含量宜控制在25%～45%，小于1 mm的粒径含量宜控制在15%～25%，可以确保垫层料渗透系数能够达到5×10-2～5×10-4cm/s。图1给出了推荐的高寒地区、温和地区和国际大坝委员会修正的垫层级配曲线。可知，高寒地区垫层料下限已经突破国际大坝委员会推荐的垫层料下包络线，即国际大坝推荐的垫层料级配曲线并不能考虑高寒地区垫层料的特殊要求。

图1 高寒地区、温和地区和国际大坝委员会修正的垫层级配曲线Fig.1 The grading curve comparisons of high-cold area、 temperate area and modified by ICOLD

3 面板混凝土设计指标问题

在我国的高寒地区，往往伴随着高蒸发的气候特征，面板混凝土除了满足抗冻要求外，还需具备抗干缩、冷缩等防裂要求。察汗乌苏面板坝面板浇筑30 d后的裂缝条数为711条，分析原因是，浇筑面板时风速大、湿度低、水化热温升快[6]。柳树沟面板坝吸取了前者经验，选择了温和少风季节浇筑、加强流水养护，并掺加罗赛纤维素，共发现裂缝27条。积石峡面板坝为减小水和胶凝材料的用量，面板混凝土出机坍落度为2～4 cm，且选用“祁连山”牌强度等级为42.5 MPa的中热硅酸盐水泥，面板浇筑30 d后的裂缝条数仅为71条。

混凝土的冻融破坏是影响其耐久性的另外一项主要因素。设计要考当地的极端最低温度、冻融循环次数、昼夜温差、温度年变幅等要素, 特别是每年的冻融次数对混凝土寿命的影响甚至比极端最低气温更大。如北京十三陵抽水蓄能电站上水库, 当地最低气温约为-25 ℃,而每年冻融次数却达到140余次,比东北地区的混凝土冻害更为严重。为此在面板混凝土设计上,一般都采用较高的混凝土强度等级,如C30F300。适度增加钢筋含量,双层双向配筋,或上部面板配表层钢筋。

建议在高寒地区面板坝的混凝土配比设计中, 要优选低/中热硅酸盐水泥，使用高效减水剂和引气剂；采用低坍落度,建议为3～5；尽量降低水灰比，宜小于0.45；减少用水量, 使用减水剂掺加聚丙烯纤维等措施, 以提高混凝土的抗冻、抗渗、抗裂性能；混凝土的强度等级应大于C30，抗冻等级应大于F300。表3给出了部分工程面板混凝土技术指标性能汇总。

表3 部分工程面板混凝土技术指标性能汇总Tab.3 Capability of concrete indexes with some CFRD

4 面板表面抗冰冻涂隔离层的设置

西藏查龙水电站，在运行期混凝土面板出现了严重的冰蚀，粗骨料大面积暴露和滚落。

实验室和现场观测资料都显示，在高寒地区，每年一旦进入冰冻期，面板坝库区首先结冰形成不连续冰膜，随气温进一步降低，冰膜在库面上迅速扩展并封库，封库之后在冰层的增厚过程中，由于自身体积膨胀会对面板产生挤压力和摩擦力，称为静冰压力，静冰压力可经由混凝土面板均匀传递给下部堆石体，转化为变形，能量被耗散，这部分作用力对面板的损伤有限；进入第二年，气温回升，面板与冰盖脱开，受风浪作用冰块和面板发生反复撞击，砸伤面板混凝土，部分特殊地区，春汛来临，河流携带大量冰块进入库区，即便有排冰泄洪设施，仍会对混凝土面板形成冲击，甚至影响防浪墙，这部分力称为动冰压力，这部分作用力对面板的损伤非常严重，可造成面板表面局部脱落和裂缝；第三种破坏力：面板混凝土中的微裂隙水，在冰冻过程中产生内部膨胀力，在消融过程中，形成渗透压力，在两种综合压力反复交替的过程中，出现了由表及里的剥蚀破坏，若任其发展，则破坏加速，称为冻融力。综上所述，动冰压力和冻融力是破坏面板混凝土的主要荷载，在设计过程中应减弱其破坏力，因此严寒和寒冷地区的混凝土面板堆石坝，宜提高裂缝处理标准，以防发生冻融力，同时，国内对高寒地区面板表面涂刷抗冰冻隔离层材料的工程实例日益增多，目的是阻断冰体和面板的直接接触。

因此，建议在高寒地区面板表面涂刷改性沥青、聚脲、水泥基渗透结晶型材料、弹性聚氨酯等憎水隔离层。柯柯亚面板堆石坝面板表层涂刷双组分弹性聚氨酯防水黏结材料，显著提高了混凝土的抗冻性能。新疆JLBLK水电站在死水位以上面板表层涂刷弹性聚氨酯，国内在建工程中，四道沟(坝高80.16 m)、西黑沟(坝高44 m)、马拉台(坝高71 m)均在混凝土表面涂刷弹性聚氨酯防水黏结材料，表4给出了弹性聚氨酯技术要求。

表4 JLBLK面板坝弹性聚氨酯的技术指标Tab.4 The technical index of elastic polyurethane with JLBLK CFRD

5 面板表层止水问题

已建的丰宁水电站、黑龙江莲花坝、吉林小山坝、西藏查龙坝、新疆察汗乌苏坝在早期运行过程中，进入冬季，水位波动区域的面板顶面表层止水系统不锈钢锚栓被拔出、按压表层盖板的角钢被拉弯，甚至拉断、表层橡胶(不锈钢)盖板遭到撕裂、塑性填料被挤出，整个表层止水系统遭遇全方位破坏。

究其原因，如本文第4节所述风浪作用下的动冰频繁碰撞塑性止水，造成不锈钢锚栓的疲劳性损伤，最终松动，库水轻易流入螺栓与螺栓孔的缝隙中，在负温下，水结成冰并在缝隙中膨胀，最终由于这种冻胀导致不锈钢锚栓拔出失效，完全放松了表层止水的固定方式，这是表层止水破坏的第一步。从冰膜向冰盖发展过程中，靠近面板的冰盖受到侧向约束，无法向下游膨胀，势必会沿上游坝坡向防浪墙方向发生移动，在沿面板推顶的过程中，对止水鼓包、角钢产生牵引，使之发生破坏，称为牵引破坏；冬春季节入库径流减小，而发电和灌溉的需求增加，导致库水降低，刚性的冰盖不能随之下降，必然会悬挂在面板表面，在冰盖消融过程中，面板与冰盖接触面率先解冻，冰盖产生向下位移，对角钢、橡胶盖板、产生向下的拖曳，止水必然破坏，称为拖曳破坏；如若库水降落速度加快，冰盖则会出现迅速断裂，在混凝土面板表面发生翻滚、滑移等，会对橡胶盖板、塑性填料产生较大撞击和冲切，称为撞冲破坏。

综上所述，冰盖的牵引、拖曳和撞冲对面板坝表层止水体系破坏巨大，为此，需尽量减小表层止水与冰面的接触面积，即将角钢换成扁钢、采用下沉式塑性止水、减小鼓包表面积延长表层盖板的长度，使用黏接强度更高效的锚固剂。图2给出了目前国内较为认可的高寒地区面板坝表层止水基本结构。

图2 高寒地区面板坝表层止水推荐形式Fig.2 The surface watertight seal recommended of CFRD in high-cold area

6 其 他

虽然是堆石坝，但面板坝在负温条件下仍然不易洒水碾压，部分工程冬季停工，影响了工期，目前的对策是可在冬季提高碾压标准，在暖季对大坝进行大量补水或浸泡来弥补冬季未完成的湿化变形；挤压边墙低标号混凝土因气温过低，强度无法增长，制约了垫层料的施工强度，早期工程使用暖棚供暖，但供热效率低，目前工业用电热毯可供参考使用；早期工程发生了大量的安全监测设备因冰冻发生破坏，这些问题都需要特别对待。

7 总 结

系统总结了国内高寒地区面板坝成功经验和教训，主要结论如下：

(1)区别常规面板坝，高寒地区面板坝主要有以下特殊性：垫层料容易发生冻胀破坏，影响面板稳定；面板混凝土的抗冻、防裂问题突出；库区冰盖对面板的破坏效应显著；常规表层止水难易适应冰盖作用力。

(2)通过限定小于5 mm、1 mm粒径的颗分组成，给出了匹配垫层料排水、防渗双重功能的级配曲线。

(3)面板混凝土应具有高强、高抗冻指标，配合比设计应考虑实施减少水化热温升的措施及掺加防裂材料。

(4)分析研究冰盖对面板混凝土、表层止水的损伤机理，给出了面板、止水防冰冻破坏的对策。

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