覆盖层上高混凝土面板堆石坝设计技术及应用研究

辛 俊 生

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

高混凝土面板堆石坝趾板通常建在坚硬、不冲蚀和可灌浆的弱风化、弱卸荷至新鲜基岩上，但在深厚覆盖层上建坝，若挖除覆盖层把趾板置在基岩上，需要较大的开挖量，并需要把坝基范围内挖除的覆盖层部分采用坝体填筑料回填，导致挖填工程量较趾板建在覆盖层上的面板坝均大幅增加；而且开挖的基坑较深，施工导流难度和基坑排水工程量均大幅度增加。若把趾板建在覆盖层上，便能充分发挥面板堆石坝坝体断面较小和土石坝对坝基的广泛适应性的优势，具有极大的经济优势。目前我国已建成的建在覆盖层上且坝高超过100 m的面板堆石坝已有7座，随着水电开发的推进，未来还有更大的发展空间。

表1 我国已建的覆盖层上高混凝土面板堆石坝

2 趾板建在覆盖层上的面板堆石坝主要特点及工程措施

覆盖层上的面板坝和常规面板坝的最主要区别是前者保留了河床坝基部位覆盖层，由此而造成和常规面板堆石坝的一系列不同。坝基覆盖层会对坝体的沉降、稳定、渗流、应力应变、接缝位移等产生影响，坝体设计时应充分考虑坝基覆盖层对坝体结构产生的影响，采取有针对性的处理措施。

2.1 对坝体沉降及变形的影响和处理措施

坝基保留的覆盖层自身的沉降会对坝体沉降和变形产生显著影响。覆盖层的压缩模量一般都小于经碾压后的坝体填筑料压缩模量，变形持续时间长，在上部坝体荷载和水压等作用下，其沉降变形往往较大，占坝体沉降的比重也较大。察汗乌苏面板堆石坝地基为漂石砂卵砾石层，局部有少量孤石，孤石最大直径约3.0 m，漂石砂卵砾石层分选较差，磨圆较好，漂石直径一般为20～100 cm，最大可达2.0 m，约占20%。天然干密度较高(约2.32 g/cm3)，孔隙率较小；坝体监测成果表明，截至2009年10月某监测断面上最大沉降为53.8 cm，且在该断面上覆盖层顶面沉降值就达37.6 cm。因此，覆盖层上的混凝土面板堆石坝设计，应首先查明坝基覆盖层性状，在充分掌握坝基覆盖层特性的基础上，通过计算分析、工程类比、技术经济比较确定采取的基础处理措施。

为减小坝体沉降和不均匀变形，九甸峡水电站和察汗乌苏水电站对坝轴线上游的坝基覆盖层进行了强夯处理，河口村、那兰和多诺水电站在坝体填筑前对坝基覆盖层进行了振动碾压处理。

由于覆盖层的沉降较大，且无法挖除，通常的强夯、振动碾压等处理方式对覆盖层的影响深度有限，为进一步减小坝体总体沉降和不均匀变形，只能在坝体上或施工程序上采取相应的工程措施。覆盖层上的面板堆石坝宜对坝体的填筑料提出更高要求，可采用更大激振力的振动碾，增加碾压遍数，加水碾压，严格控制填筑施工参数等措施确保碾压施工质量，尽量减小坝体本身的沉降；当条件许可时，也可结合坝体度汛和运行要求，提前对一定高程的坝体进行充水预压，这对减小坝体后期沉降也有一定效果。

2.2 对坝坡稳定的影响

由于坝基保留了覆盖层，覆盖层的抗剪强度通常小于堆石料，因此应对覆盖层上的面板堆石坝坝坡稳定进行分析，必要时可通过适当放缓坝坡，在上下游增设一定高度的压重等措施来保证坝坡稳定安全系数满足规范要求。

2.3 渗流控制

渗流控制是保证覆盖层上面板堆石坝坝体长期稳定安全运行的关键。邓铭江教授在《严寒、高震、深覆盖层混凝土面板坝关键技术研究综述》中总结提出的“一防、二限、三排、四滤”也同样适用于覆盖层上高混凝土面板堆石坝设计，由于覆盖层的可冲蚀性，其甚至更为重要。

“一防”是指坝体的防渗系统。面板堆石坝的第一道防线，位于坝体上游侧，包括坝体的面板、趾板、防渗墙、接缝止水及基础帷幕灌浆。覆盖层上的混凝土面板堆石坝设置混凝土防渗墙防渗也是其区别于一般面板堆石坝的主要特征之一。

“二限”是指面板堆石坝的垫层和面板上游侧填筑的粉土铺盖等限制渗漏系统。面板或接缝止水一旦出现缺陷，上游的粉土铺盖和垫层料可起到限制渗漏的作用。由于面板堆石坝的特性，上游的防渗面板和堆石料、坝基覆盖层刚度差异大，面板堆石坝的防渗系统通常不可避免地会在局部出现一定的缺陷，因此面板堆石坝的垫层料是极其重要的补充防渗屏障，对控制渗流、维持坝体稳定至关重要，施工时应重点关注，确保其达到规范和设计要求的半透水性和级配连续。

“三排”是要求垫层后的坝料有足够的透水性，能够及时排出坝体内的渗透水流，避免雍高坝体内浸润线，对坝体的稳定产生不利影响。这对采用砂砾石筑坝的坝体尤为重要，必要时应设置专门的排水体。

“四滤”是要求坝体各填筑料之间需满足反滤关系。上游的粉土铺盖和垫层料，以及垫层料与过渡料，过渡料与堆石之间应满足反滤关系。同时，对于覆盖层上的面板坝，有必要对其坝基覆盖层采取一定的反滤保护措施。通常在坝基的覆盖层上部填筑一定厚度的垫层料和过渡料，其反滤关系宜通过渗透试验验证。在覆盖层上的面板堆石坝，一旦出现渗漏，大家往往担心坝基覆盖层的渗透稳定问题。其实，覆盖层上的面板堆石坝和心墙坝一样，其覆盖层采用了混凝土防渗墙进行防渗，防渗墙下游坝基也采取了一定的反滤保护措施，如果防渗墙施工质量可靠，下游反滤措施合理，坝基覆盖层的安全性和心墙堆石坝应该是一样的。

2.4 应力应变

对于面板堆石坝来讲，应力应变主要是针对刚性防渗结构的应力应变；对于覆盖层上的面板堆石坝，主要是混凝土防渗墙和混凝土面板的应力应变。

面板堆石坝的防渗墙和心墙堆石坝防渗墙布置位置不同，面板坝防渗墙位于坝体上游侧，防渗墙上下游侧土体高差相差大，受到的土压力不平衡，导致面板坝防渗墙的应力较相同规模的心墙坝大，且通常有一定范围的拉应力，因此面板堆石坝防渗墙通常设置了较深的钢筋笼。比如，那兰水电站防渗墙设置了双层钢筋，多诺水电站在防渗墙顶部15 m范围内设置了钢筋笼。改善面板堆石坝混凝土防渗墙应力变形性状的主要措施还有：在防渗墙材料强度满足要求的前提下，尽量降低混凝土弹性模量，比如九甸峡水电站采用了塑性混凝土防渗墙；合理安排施工工序，先填筑部分坝体，后施工防渗墙，最后施工连接板，在施工工序上尽量减小各个建筑物连接部位的变形差异。

《混凝土面板堆石坝设计规范》对覆盖层上的混凝土面板堆石坝的混凝土面板并未提出特殊要求。事实上，由于覆盖层的存在，坝体的变形要大于常规的面板堆石坝，且其沉降时间较长，混凝土面板设计时宜对面板进行适当的加强；面板浇筑前应预留足够的沉降期，面板顶部的填筑体沉降量宜小于2～5 mm/月。多诺水电站大坝最大坝高仅有112.5 m，但混凝土面板设计时，在面板混凝土中掺入了一定量的微纤维和MgO，以提高混凝土面板的抗裂性能；同时在面板上部高程、周边缝，及分期施工缝一定范围内布置了双层双向钢筋网。

2.5 接缝位移

覆盖层上的面板坝保留了覆盖层，且由于覆盖层的变形，坝体的接缝位移通常大于相同坝高的面板堆石坝，因此，坝体接缝止水设计应根据坝体三维有限元应力应变计算和工程经验类比确定。根据接缝位移的大小，接缝止水按规定进行计算时，需尤其关注的是止水的异型接头，塑性止水保护盖片和铜止水的异型接头均宜在工厂整体加工成型，预埋铜止水后应及时采取保护措施。

由于覆盖层采用混凝土防渗墙防渗，所以防渗墙和坝体的趾板和面板需要进行连接。为适应两者之间的变形，通常在趾板和防渗墙之间采用连接板进行连接，连接板和趾板及防渗墙相连接，连接部位的分缝按周边缝进行设计。

3 工程实例——多诺水电站面板堆石坝设计

3.1 多诺水电站简述

多诺水电站位于四川省九寨沟县境内的白水江次源黑河上，是白水江流域水电梯级开发的龙头水库。电站采用混合式开发，装机容量100 MW，多年平均发电量3.947亿kW·h。电站水库正常蓄水位2 370.00 m，相应库容5 622万m3，调节库容4 915万m3，具有年调节性能。拦河大坝采用混凝土面板堆石坝，坝顶高程为2 374.50 m，坝顶宽度10 m，最大坝高112.50 m，防浪墙顶高程2 375.70 m，上游坝坡为1：1.4，下游坝坡综合坡比1：1.48，下游坝坡设3级马道，两级马道之间高差30 m。

3.2 面板堆石坝坝体分区设计

坝体分区及坝料设计以控制坝体的变形、沉降为主导，尽量减小坝体的不均匀沉降，避免面板开裂的产生及接缝止水的破坏，同时坝体各分区要有良好的级配过渡，满足设计透水要求。根据本工程大坝各区的作用，主要分为上游盖重区(ⅠB)、上游辅助防渗区(ⅠA)、垫层料区(ⅡA)、特殊垫层区(ⅡB)、过渡层区(ⅢA)、主堆石区(ⅢB)、次堆石区(ⅢC)、下游堆石区(ⅢD)、块石护坡(ⅢE)9个区域。坝体典型断面分区见图1。

图1 坝体典型断向分区

3.3 坝基处理

坝址区河床覆盖层厚度一般20～30 m，局部厚达41.7 m。河床部位覆盖层采用挖除含漂卵砂砾石层(第②层)及块碎石土层(第③层)，大坝建基面置于含漂块碎砾石土层(第①层)上。为了改善坝体基础覆盖层的物理力学性能，提高地基覆盖层的干密度、压缩模量，减少大坝不均匀沉降，改善面板垂直缝、趾板周边缝的止水适应性，施工人员对开挖后的大坝覆盖层基础进行振动碾压处理，采用25 t以上振动碾振动碾压10遍。

河床部位覆盖层采用混凝土防渗墙进行防渗，防渗墙顶部和连接板相连，然后连接板下游和河床趾板相连，河床趾板和面板通过周边缝连接。混凝土防渗墙墙厚1.2 m，混凝土标号为C30W12F100，防渗墙底部深入基岩1 m，最大深度约26 m。根据应力应变计算成果，结合已建同类工程经验，在防渗墙顶部一定高程设置钢筋笼。大坝混凝土面板、趾板、防渗墙及帷幕灌浆共同组成大坝完整封闭的防渗体系。

3.4 混凝土面板设计

面板采用C25钢筋混凝土，抗渗标号W12，抗冻标号F150，其厚度按公式“t=0.3+0.003H”(H为计算断面至面板顶部的高度)计算，顶部厚度0.3 m，底部最大厚度0.62 m。面板配筋采用单层双向配筋，置于面板的中部，各向配筋率按0.4%控制，并在周边缝附近20 m、施工缝10 m及面板顶部配置双层双向钢筋，面板垂直缝两侧1.0 m范围内配置双层双向钢筋，以提高垂直缝抗挤压能力。

3.5 接缝止水

(1)面板垂直缝。面板分两期施工，一期面板浇筑高程为2 325.00 m，一、二期面板之间水平缝按施工缝进行处理。面板垂直缝共21条，中部7条为压缩缝，两岸14条为受拉缝。垂直缝间距在中间板受压块宽12 m，受拉块宽8 m。受压板块压缩缝设缝宽1.2 cm，缝内嵌12 mm沥青木板，涂刷乳化沥青，底部设一道“W”型铜片止水，顶部设置SR弧凸型塑性填料，外加三元乙丙复合板并用扁钢固定保护盖。受拉板块拉伸缝不设缝宽，但在缝面涂刷乳化沥青两遍，底部设一道“W”型铜片止水，顶部设置SR弧凸型柔性填料，外加三元乙丙复合板并用扁钢固定保护盖。

(2)周边缝。周边缝设置两道止水，即表层和底部，缝宽1.2 cm。底部设“F”型复合型铜片止水，其下铺橡胶垫片，铜片上置SR止水片，缝内放置橡胶棒，填塞2.0 cm厚沥青木板。缝顶部放置橡胶棒，表层设弧凸状SR柔性填料，外加三元乙丙复合板并用扁钢固定保护盖。

(3)趾板-连接板缝。趾板-连接板缝设置两道止水，即表层和底部，缝宽2.0 cm。底部设“W”型复合型铜片止水，其下铺橡胶垫片，铜片上置SR止水片，缝内放置橡胶棒，填塞2.0 cm厚沥青木板。顶部放置橡胶棒，表层设弧凸状SR柔性填料，外加三元乙丙复合板并用扁钢固定保护盖。

(4)连接板-防渗墙缝。连接板-防渗墙缝设置两道止水，即表层和底部，缝宽2.0 cm。底部设“F”型复合型铜片止水，其下铺橡胶垫片，铜片上置SR止水片，缝内放置橡胶棒，填塞2.0 cm厚沥青木板。顶部放置橡胶棒，表层设弧凸状SR柔性填料，外加三元乙丙复合板并用扁钢固定保护盖。

4 结 语

覆盖层上的面板堆石坝坝基覆盖层采用混凝土防渗墙进行处理，覆盖层的沉降和渗透特性会对坝体产生多方面的影响。设计人员应尤其关注其和常规面板堆石坝的不同，加强坝体结构和坝基处理设计，加强坝基覆盖层的反滤保护和面板及接缝止水设计。

目前已建成的最高混凝土面板堆石坝是水布垭大坝，其坝高233 m，而在覆盖层上的面板坝虽有极大的经济优势，但总体高度仍然不高，已建工程不多，主要原因是坝基的覆盖层会对坝体产生显著影响，其安全性受到一定的质疑。但是，通过采取相应的工程措施，其安全性是能够得到保证的，且众多的工程经验也证明其安全性和其他类型的土石坝是一致的。若能精心设计、精细施工，发挥其良好的经济性，仍然具有很大的发展潜力。