（水利工程专业论文）寒冷地区混凝土面板堆石坝的设计与施工.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果、尽我所知， 除特, 另j j ) j n 以标注和致谢的地方外论艾 i 不包含其他人的研究成粜。与我 一同i ：作的同志对本文所论述的：作的任何贡献均已在论文t | j 作_ r i 埘确的 说n i l - 已致谢二 本论文及其相关资料若有水实之处，由本人承担切丰 ：i 关责任 、 论文作者签名：翌_ 广亟二撕 肛月 h 保护知识产权申明 本人完全r 解饵安理工大学有关保护知识产权的规定即：研究生在 校攻i 实学位期问所取得的所有研究成果的知识产：杖属西安理 ：大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文栩父的成果时署名草位仍然为两安理工大 学无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许：论文被查阅 或借闯；学校可以公布本沦文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文： ( 加密学位论文解密之前后，以匕巾明同样适用) 论文作者签名：囱j 幺盗 导师签名： 学科名称：水利工程 作者姓名：刘文中 指导教师：陈尧隆张建业 摘要 签名： 签名： 混凝土面板堆石坝具有新面小、安全性好、施工方便、造价低等优点，1 3 益 受到工程界韵重槐位子寒冷地区的混凝土面板堆石坝，在旌工过程中，更要具有 钟瑚蜘溅勰缝。如在面板的抗冻耐久性、垫层材料防渗和冻胀特性、坝体填筑与 攀繁龄逮盔幔，导流和度汛与总体进度的协调等方面，寒冷地区混凝土面板堆石坝 均育箕独特之处。 莲花工程位于黑龙江省牡丹江流域，首创了高寒地区修建大型面板堆石坝的 成功记录，解决了一系列嗣内外均无先例的难题。本文总结了施工中积累的先进 经验，重点论述了筑坝材料制备方法、坝体填筑碾压质量保证措施、度汛方案、 混凝土面板施工工艺及质量控制关键点的施工方法等。其中度汛期过水缺口部位 施工工序的优化在同类工程中具有推广价值；利用碎石掺加石粉料满足冬季施工 的经验解决了寒冷地区施工期短的难题，该经验具有普遍的适应性。 本文根据资料所进行的非线性邓肯e - b 模型有限元分析，计算分析了莲花面板 堆石坝坝体的变形性状 同时在计算中，无论施工期或蓄水期，都采用与模型配套 的统一的参数。有限元分析结果与实测结果大体相符，这表明这种计算模型对面板 堆石坝复杂的加载过程有较好的适应能力，同时也表明该坝的有限元分析结果总体 上台理、可信。 关键词：混凝土面板堆石坝，高寒地区，有限元分析，材料制备，施工组织 a b s t r a c t d e s i g n a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fc o n c r e t e f a c e dr o c k - f i l ld a mi nf r i g i dz o n e a u t h o r ：l i uw e n z h o n g t u t o r ：c h e ny a o l o n g a b s t r a c t t h ec o n c r e t ef a c e dr o c k - f i l ld a mi sa t m e h e di n c r e a s i n g l yt o i m p o r t a n c ei n t h e h y d r a u l i cc o n s t r u c t i o nf i e l db e c a u s eo fs o m ea d v a n t a g e ss u c ha s ：s m a l ls e c t i o n ，g o o d s a f e t y ，c o n v e n i e n c eo fc o n s t r u c t i o na n dl o wc o s to fc o n s t r u c t i o ne r e t h ec o n c r e t ef a c e d r o c k - f l ud a m ，w h i c hi sl o c a t e di nt h ec o l da r e a ，d u r i n gc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i sn e e d e dt o h a v ef o c a l i z a t i o na n da p p l i c a b i l i t y f o re x a m p l et h ec o n c r e t ef a c e dr o c k - f i l id a mi nf r i g i d z o n ei sd i s t i n c t i v ei nt e r m so ff r o s tr e s i s t a n c ea n dd u r a b i l i t y , c u s h i o nm a t e r i a ls e e p a g e p r e v e n t i o na n df r o s th e a v e ，a d a p t a b i l i t yo fd a mf i l l i n gw i t hs e a s o nc o o r d i n a t i o na m o n g c o n s t r u c t i o nd i v e r s i o n ，f l o o dd i s c h a r g ea n dt h ew h o l ec o n s t r u c t i o ns c h e d u l ee r e l i a n h u ac o n s t r u c t i o nw h i c hi ss i t u a t e di nm u d a n j i a n gb a s i no fh e i l o n g j i a n g p r o v i n c ef i r s t l yc r e a t e st h es u c c e s s f u lr e c o r do fc o n s t r u c t i o no fl a r g e s i z ef a c e dr o c k - f i l l d a mi nf r i g i dz o n e ，as e r i e so fi n t e r n a la n de x t e r n a lp r o b l e m sn o th a v i n gap r e c o d e n tt og o b yh a y eb e e ns o l v e d a d v a n c e de x p e r i e n c ea c c u m u l a t e di nc o n s t r u c t i o ni ss u m m a r i z e d a n de s p e c i a l l yd a mb a s ee x c a v a t i n ga n dt r e a t i n g ，m a t e r i a lm a k i n g ，q u a l i t ym e t h o df o r d a mf i l l i n ga n df l a t t e n i n g ，p a s s i n gf l o o ds e a s o nm e t h o da n dc o n s t r u c t i o no fc o n c r e t ef a c e a r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a m o n gt h e m ，w o r k i n gp r o c e d u r eo p t i m i z a t i o no fc o n s t r u c t i o n o fp a s s i n gw a t e rg a pi nf l o o ds e a s o ni nt h es a m ec o n s t r u c t i o nc a nb es p r e a d ；u t i l i z a t i o no f e x p e r i e n c et h a tl i m ed u s t s a r em i x e dw i t hm a c a d a mt os a t i s f yw i n n e rc o n s t r u c t i o n d i f f i c u l tp r o b l e mo fs h o r tc o n s t r u c t i o ns t a g ei nt h ec o l da r e ac a nb es o l v e d ，t h i s e x p e r i e n c eh a st h ep o p u l a ra d a p t a b i l i t y b a s eo nd a t a ，d i s t o r t i o nc h a r a c t e ro fl i a n h u af a c e dr o c k - f i l ld a mb o d yh a sb e e n r e a p p e a r e db yn o n - l i n e a rd e n k e ne - bm o d e lf e ma n a l y s i s ；a tt h es a m et i m e ， p a r a m e t e r si nc a l c u l a t i o na c c o r d a n tw i t hm o d e la r ea d o p t e de i t h e ri nc o n s t r u c t i o n 西安理工大学工程硕士学位论文 s t a g eo ri ns t o r a g ep e r i o d r e s u l to ff e ma n a l y s i si sc o i n c i d e n tw i t hf a c ti nt h em a i n a ss h o w st h a tt h i sc a l c u l a t i o nm o d e lh a st h eb e t t e ra d a p t a b i l i t yo fc o m p l i c a t e dl o a d i n go n f a c e dr o c k f i l ld a ma n da l s os h o w st h a tt h i sd a m sr e s u l to f f e m a n a l y s i si sr e a s o n a b l e a n dc o n v i n c e da saw h o l e k e y w o r d s ：c o n c r e t ef a c e dr o c k - f i l ld a m ；f r i g i dz o n e ；f e ma n a l y s i s ；m a t e r i a lm a k i n g ； c o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o n 1 绪论 1 绪论 1 1 本文研究的意义 混凝土面板堆石坝是近二三十年内发展起来的一种坝型。与常规 的粘土心墙堆石坝相比，它具有投资省、工期短、安全性好、就地取 材、施工方便、导流简易、适应性广等优点，受到国内外坝工界的普 遍重视，是极有发展前途的一种新坝型坝“ 。 随着我国水利水电建设的发展，混凝土面板堆石坝成为近十多年 来得到很大发展的一种新的坝型。我国水电资源富冠全球，亟待加速 开发利用，水电建设正方兴未艾。但在高坝中采用土石坝的比例较小， 这除了历史和认识上的因素，也确实存在修建高土石坝时面临的一些 困难，水电富矿地区雨季较长，河流导流流量巨大，峡谷河段缺乏合 适的防渗土料以及断面过大等。混凝土面板堆石坝的问世，恰好在这 方面提供了解决的途径1 。因此，这种坝型在我国得到迅速发展和广 泛应用，并将在今后的坝工建设中成为具有很强竞争力的坝型。 我国修建混凝土面板堆石坝起步较晚，但发展很快，现已广泛应 用于各种用途的水利水电工程中，并在工程设计、施工组织、观测仪器 埋设研究、工程观测及运行维护中积累了丰富的经验。位于寒冷地区 的混凝土面板堆石坝，由于外部环境存在差异，使得面板坝的实施和 运行条件有所不同。这些不同之处，要求在面板坝设计和施工过程中， 更具有针对性和适应性。如在混凝土面板的抗冻耐久性、垫层材料防 渗和防冻胀特性、坝体建筑与季节的适应性、导流和度汛与总体进度 的协调等方面，寒冷地区混凝土面板堆石坝均有其独特之处。 莲花工程位于黑龙江省牡丹江上，处于寒冷地区。我们在该工程 设计、施工配合和施工组织管理过程中，广泛查阅了国内外有关工程 文献资料和专门论著，开展了大量的实验研究工作，将混凝土面板堆 西安理工大学s - 程硕士学位论文 石坝设计和施工的些常规做法与莲花工程实际和旅工有其独特之 处，并在一些方面获得成功。本文针对莲花大坝的设计和施工中的一 些思路和做法进行总结。 1 2 混凝土面板堆石坝的发展及研究概况 混凝土上面板堆石坝是以堆石或砾石为支撑结构，并在其上游面 设置混凝土面板为防渗体的堆石坝，是土石坝的主要坝型之一。这一 坝型在世界筑坝史上出现较早，1 9 世纪中叶起源于美国，开始采用抛 填堆石加木面板防渗，以后改用混凝土面板。到2 0 世纪6 0 年代末引 入振动碾，进行薄层碾压堆石旖工，使坝体密实而较少变形，这一坝 型才得到报快的发展，迄今已建成许多高坝，设计和拖工技术址王r 趋 成熟o “。由于这一坝型较传统的石坝车目比具鲁很多优点，所以受到团 内卦坝工界的普遍重视，成为许多f 程的首选坝型。 我围从2 0 傲纪6 0 擎代玎蛤，修建r 哆撇填式混敏上丽扳堆石 坝，但没有得到更多发展。自从把混凝上面板堆石坝筑坝技术列入国 家“七五”科技攻关项目以来，才有较大的发展。这种坝型在我困的 建设和发展，已积累了丰富的实践经验和成套的科研试验成果，短时 间内在数量上、规模上、高度上和难度上，部达到了当前的国际水平。 自开始建筑堆石坝以来，随着经验的积累，新型施工机械的制成 和投入使用，堆石坝的设计和施工技术以及坝的结构形式，都得到不 断的发展。其发展过程大概分为三个阶段，即1 9 世纪及2 0 世纪早期 为抛填堆石阶段：自1 9 4 0 年开始的2 5 年内，从抛填堆石向碾压堆石 的过度阶段；1 9 6 5 年以后推广碾压堆石的现代阶段“。 现阶段新型面板堆石坝与6 0 年代以前的面板堆石坝相比较，主要 改进之点为： 1 过去面板堆石坝堆石需从采石场挑选大块石，石料利用率很低。 现代面板堆石坝各区对堆石料要求级配不同，采石场开采的石料几乎 2 1 绪论 全部利用。除垫层与过渡层外，一般粒径为0 3 0 5 m 范围，小于5 r a m 的粒径占1 5 2 5 ，小于0 2 r a m 的粒径不多于1 0 。这种堆石坝由 采石场洞室爆破或排孔爆破都可得到，地下工程和岸边溢洪道开挖料 除全风化以外，几乎都可利用。 2 过去面板堆石坝的堆石料由1 0 多米高的栈桥上抛投并用水枪 冲实，其孔隙率只能达到3 1 3 6 ，各层下部的大石压缩性很高。现 代面板堆石坝的堆石料用重型振动碾压实，分层铺填厚度为1 o m 左右， 碾压时洒水，可达到较高密实度，孔隙率能降低到2 0 2 5 或更小。 堆石体的总沉降绝大部分在施工期完成，蓄水竣工后的沉降都在0 5 以下，其运行更为可靠。另外采用碾压堆石后，由于其密实度增加， 改善了堆石体的力学性能，故有些质量较差的软弱或风化岩石也可以 用于筑坝。而砂砾石料在分层压实以后，其强度可与堆石相当，而压 缩模量远高于堆石，也是面板坝的良好材料，使用也日益广泛口1 。 3 过去面板堆石坝面板以下为特大块石码砌的硬垫层，后改变为 均匀的碎石垫层，再由较粗的级配碎石垫层改变到现代常用的级配碎 石垫层，其功能由单一的对面板起支撑和整平作用，到起第二道防渗 线的作用。这种演变也是现代混凝土面板堆石坝的标志之一。垫层与 过度层的水平总宽度最小的仅为4 m 左右，用重型振动碾压实，分层铺 填厚度为0 4 0 5 m 左右，压实后的孔隙率应达到2 0 一2 2 或更小。 4 过去混凝土面板用竖向和水平向伸缩缝分成方块，现在面板的 浇筑改用滑模施工，取消水平伸缩缝，水平缝视施工需要设置或不设。 面板厚度由过去的t = o 3 + f o 0 0 6 5 o 0 0 7 5 ) h 减薄为现代的 t = o 3 + ( 0 0 0 2 0 0 0 3 ) h ，式中t 以i n 计，h 为计算断面至面板顶部的垂 直距离，以i i l 计，中低坝可采用等厚面板。另外周边缝和靠近两岸部 分的面板垂直缝，要特别注意做好止水，一般设两道止水片，并设缝 口塑性填料 2 6 o 5 过去混凝土底座的结构型式的截水齿槽式，现改进为趾板式底 西安理工大学工程硕士学位论文 座。趾板式底座是厚度与面板相当或略厚的薄板，起防渗作用，并兼 作灌浆盖板，这样对趾板地基的要求和选择就有了更多的灵活性。 我国修建现代混凝土面板堆石坝始于本世纪8 0 年代中期，最早开 建的是西北口水库大坝，高9 5 米；而最早建成的是关门山水库大坝， 高5 8 5 米，于1 9 8 8 年建成。到1 9 9 6 年已完成的有2 7 座，在建的有 3 9 座，其中在建的水布垭混凝土面板堆石坝最大坝高达：2 3 3 米，拟建 的仅1 0 0 米以上的高坝还有1 0 余座0 3 。 这些混凝土面板堆石坝几乎覆盖了我国的各个区域，与国外相比 虽然起步较晚，但发展很快，已成为世界上修建混凝土面板坝最多的 国家之一。建设过程中，在引进、消化和吸收国外经验的基础上，积 累了丰富的经验，并结合国内具体情况，在技术上有所创新和发展， 如无轨滑模、低标学碾压砂浆固坡、喷混凝土面板、挤压式边墙施工 技术等。还结合工程实践，进行了大鼍科技攻关和重点科研工作。取 得了l 三顿的成果，数计午n 施工技术已h 趋成熟。 如卜所述，混凝土面板堆石坝在国内外发展如此之快，这是有其 自身在技术上和经济上的优势所决定的。其特点可归纳如下： 1 2 1 安全可靠性方面 ( 1 ) 具有良好的抗滑稳定性 在坚硬岩基或密实沙砾石层上的面板堆石坝，具有良好的抗滑稳 定性，很少发生堆石体失稳而破坏的事例。从面板堆石坝的结构上来 分析，坝体堆石体全部在面板下游，水荷载作用于面板，整个堆石体 重量及面板上部水重均在抵抗因水荷谶作用所引起的水平推力。水荷 载作用所引起的水平推力大致为堆石体及部分水重的1 7 左右，而水荷 载的合力在坝轴线以上传到地基中，因此倾覆和水平滑动的可能性是 不存在的。 在坝坡稳定方面，已建成的面板堆石坝，现在常用的坝坡是1 ：1 3 或1 ：1 4 ，大致相当抛填堆石的自然休止角，大大低于堆石的内摩擦角， 4 1 绪论 因此其稳定是有保证的。现代面板堆石坝一般都不进行稳定分析，而 是按照已建工程用类比法选定坝体坡度。 此外，由于堆石体为自由排水材料，在堆石体内不可能形成浸润 和孔隙水压力，也是对稳定性十分有利的方面。 ( 2 ) 具有很好的渗流稳定性 由于堆石是非冲蚀材料，在有渗透水流通过时，不会因细颗粒被 带走而发生类似土体的管涌等渗适破坏问题，因此不存在渗透稳定问 题。特别是现代的碾压堆石，堆石填筑一般采用“进占法”施工，大 块石跌落在每层底部，而小块石及细料则滞留在每层的上部，充填表 面坑洼及堆石体的空隙。每层石料出现分离，形成层状堆石，有较好 的透水性。同时碾压堆石本身密实度高，粗粒组成的骨架比较稳定， 其细粒含量远不能填满粗粒间的孔隙，即使有游离的细粒被带走或在 粗粒孔隙内移动的现象，也不会影响骨架的稳定性，或因此带来较大 变形。大量事实已证明，尽管面板堆石坝施工期挡水或面板漏水有大 量水流透过堆石体，但不会因渗透水流而产生显著沉降c 2 1 。 ( 3 ) 具有良好的抗震性 由于面板堆石坝的整个堆石体都是干燥区，因此不会因地震而产 生附加的孔隙水压力，而降低堆石抗剪强度和整体稳定性，不会造成 堆石体液化和坝坡失稳；由于堆石体已压实到密实状态，地震也只能 使坝体产生一些微小的永久变形，是面板坝可以承受的。在非常强的 地震作用下，混凝土面板也可能开裂，而引起漏水量增加，但这种漏 水不会威胁坝体总的稳定性，因为渗过面板裂缝的漏水量因垫层反滤 作用很容易得到控制，从而安全渗过堆石体。 ( 4 ) 坝体的变形l i e d , 现代面板堆石坝的变形很小，而且稳定得很快，施工期可完成绝 大部分沉降变形，剩余值也在蓄水后头3 年基本完成，而抛填堆石在 多年后仍有一定沉降，因此刚性面板不能适应抛填堆石的变形，但能 西安理工大学工程硕士学位论文 适应碾压堆石的变形。已建碾压式面板堆石坝中沉降变形最大的是巴 西阿里亚坝，高1 6 0 m ，施工期沉降量达3 5 8 0 m m ，为坝高的2 2 3 ， 而蓄水3 年后沉降量已基本稳定，并接近2 0 0 m m ，为坝高的0 1 3 n 。 1 2 2 施工和经济性方面 1 施工导流和度汛方面 面板堆石坝可以利用未完成的部分坝体在没有浇筑面板而有保护 的情况下直接挡水或过水，且能保证坝体的安全。面板堆石坝的这一 优点极大地方便了施工导流和度汛，并保证坝体施工期的安全，在有 可能的条件下，可在上游修建一低围堰，便可进行河床段趾板的施工 和灌浆。同时在一个枯水期内将坝体全断面或上游临时断面抢筑至度 汛高程，将上游坡面进行固坡处理后，即可挡水度汛，达到全年旋工。 在较宽阔的河床内，当全断面抢筑至度汛高程工程量太大，币。f j i 能在 - 个枯水蝴内完成时，可以在坝体填筑至一定高程后由全河床或局部 龙i 分流鄙分施上：洪水，州时栗圾隆f 游坝坡锚鼓钢筋酬或铺盖特犬 块石等防冲措施。至于采取何种度汛方式，需要进 j = 技术经济全面比 较后做出选择。国内的西北口、莲花和天生桥一级等坝，采用施工期 坝面过水度汛方案；而株树桥、成屏一级、东滓等工程采用挡水度汛 方案i t 4 。 2 利用当地材料方面 面板堆石坝各个施工工序，如趾板、灌浆、坝体填筑、面板浇筑 等，均可独立进行，工序间干扰少，便于机械化施工作业。施工受气 候条件的影响小，年工作目数增加。堆石体内部及坡面均可根据需要 留植工道路及灵活分块分缝，因此面板堆石坝更有利于提高施工强度 和质量，加快施工进度，在提前发电和总工期方面占有优势。另外对 后期的加高十分方便，可以实现分期施工。 面板堆石坝可以充分利用当地材料筑坝，从而大量节省水泥、钢 材和木材，减少场外运输量，这样受材料供应和运输等条件的制约较 1 绪论 小，便于加快施工，这样受材料供应和运输等条件的制约较小，便于 加快旅工。施工中还能充分利用枢纽建筑物的开挖料和软岩料，做到 “料尽其用”。利用当地材料一般都较经济，而面板堆石坝在这方面具 有更明显的优势，是所有土石坝型中断面最小的一种，坝坡陡，底宽 小，可相应减少泄水、输水建筑物的长度，使枢纽布置更为紧凑。面 板堆石坝可以少用或不用防渗土料，从而少占耕地。 关门山水库原设计为双曲拱坝，因水泥无法供应而长期未能建成， 后经比较改为面板堆石坝，节省投资约1 6 。提前工期一年。天生桥 一级大坝，曾对心墙堆石坝与面板堆石坝进行比较，后者可节省土石 方堆筑量达2 7 。株树桥大坝曾对混凝土重力坝、粘土斜墙堆石坝及 混凝土面板堆石坝三种坝型进行投资比较，若面板堆石坝为1 时，则 混凝土重力坝为1 2 1 ，粘土斜墙堆石坝1 1 0 “。 综上所述，面板堆石坝在工程量、投资、工期和提前受益等方面， 其综合经济效益往往处于明显的优势。 3 运行维修方面 起防渗作用的混凝土面板，位于大坝表面，即使出现一些裂缝， 也比较容易维修和加固。在不放空水库的条件下，可利用水下电视进 行检查和潜水作业维修。不少工程实践证明，向位于水下面板渗漏点 铺撒粉砂、煤渣等，可有效地减少渗漏量，必要时也可以在面板表面 覆盖沥青油毡、橡皮板等，防止面板渗漏。如出现严重渗漏，也可放 空水库进行全面维修，经防渗处理后的大坝，仍能正常运用。 4 适应性方面 面板堆石坝对坝址地形、地质条件及各种类型的工程都有较好的 适应：陛，使这一坝型有广泛的应用领域。 面板堆石坝适用于种种河谷地形，在已建的面板坝中，既有位于 峡谷地区的，如安其卡亚、塞沙那和西北口等，也有位于宽阔河谷地 区的，如阿里亚、萨里亚、萨尔瓦兴那、天生桥一级和莲花等。在没 7 西安n r 大学工程硕士学位论文 有合适的岸边溢洪遒位置时，对流量不大的河流，还可以采用坝面泄 洪的布置方案。 面板坝对坝址地质条件也能较好适应，其对坝址地质条件的要求 主要是选择合适的趾板线。国内外许多工程的趾板基础为强风化岩石、 砂砾石覆盖层、残积土等，只要经过适当处理都可安全运行。如萨尔 瓦兴那坝、普卡罗、柯柯亚和铜街子等工程堆石体地基除坝轴线上游 1 3 坝底宽以外，清基要求也可相应放宽，河床冲击层中只要没有软弱 夹层，且比较密实的情况，也可不必挖除。坝基有断层、泥化夹层等 情况，也可用上游封闭、下游铺反滤层处理，以保持渗适稳定。对于 地震烈度高的坝址，选用面板坝比选用土心墙坝或其他坝型更合适。 面板堆石坝堆石填筑受雨季或寒冷季节影响小，混凝土面板堆石 坝运行中具有较好的抗冻性，较能适应寒冷地区的冻融条件。黑龙江 省的莲花面板坝，最低气温达零下4 3 。5 度，目甜运融趺况良好。躐减 的奁觌坝，畦十高寒地区，海援岛程4 3 8 8 求，池已建成”。 抽水蓄能电站上、下库的坝型选择，面板坝可以认为是较为优越 的方案。由于混凝土面板既是防渗体又是一种护面，较能适应抽水蓄 能电站库水位昼夜周期性地大幅度涨落，如美国的卡宾溪、新芳草地 等，中国的广州抽水蓄能电站上库( 滴称广蓄上库) 、十三陵抽水蓄能 电站上库( 简称十三陵上库) 、天荒坪等。 面板堆石坝还特别适应于扩建加高和分期施工。由于防渗体在上 游表面，便于与加高部分的连接，加高时不影响上游坡水下部分工程 施工时仍照常蓄水。后期加高相当于施工期的分期施工。同时面板坝 也适应于混凝土土坝、心墙坝等各种坝型的加高扩建。如美国新国库 坝是在原混凝土重力坝的基础上，由5 6 米加高到1 5 0 米的；中国的横 山坝是在原粘土心墙沙砾石坝的基础上，由4 8 6 米加高到7 0 2 米的； 巴拿马的福蒂纳坝是在原6 5 米坝高加高到1 0 5 米坝高的“。 2 坝址选择及枢纽工程布置 2 坝址选择及枢纽工程布置 混凝土面板堆石坝的坝址选择和枢纽布置，与其他类型的土石坝类 似，一般都根据当地的地形、地质、水文、气象、建筑材料等因素，经 过多方案的技术经济比较后择优选定坝址、坝线，并确定枢纽布置方案。 本章仅针对面板堆石坝的特点，对其特性进行简单的阐述。 2 1 坝址选择 2 1 1 地型条件 从国内外已建工程来看，各种不同形状的河谷，只要做适当处理， 都可以修建面板堆石坝。当然对河岸比较平顺、两岸近似对称的河谷是 更为有利的，如巴西的阿里亚、中国的天生桥一级等面板堆石坝。对一 岸有台地或漫滩等情况，只要在设计中适当处理，也可选作面板堆石坝 坝址，如中国的莲花面板堆石坝。而对于河床部分不平整、坝基范围内 存在起伏不平的高地，或岸坡变化不规则，有局部峭壁或倒悬体的情况， 由于容易引起坝体不均匀沉陷，而有可能导致面板裂缝，或致使周边缝 附近面板产生较大变形，破坏周边缝的止水结构而产生渗漏。因此在拟 定坝轴线时，必须对河床及两岸地形予以充分重视。我国西北口和关门 山工程，对两岸峭壁及倒悬体，在趾板附近进行了削坡处理o “”1 。 面板堆石坝与其他土石坝一样，有无便于布置溢洪道的适当位置， 是坝址地形条件的一个重要因素。坝址附近如有适当的垭口，可利用地 形布置开敞式溢洪道，如中国的莲花、关门山等坝属于这一类型。若无 此条件，溢洪道可以直接布置在较缓的一侧岸坡上。有的在堆石表面设 置管道的形式，如克罗蒂坝；有的还采用在坝下基岩上设置引水管道的 形式，如中国的山口坝；也有用隧洞泄洪的面板坝。这种灵活多样的泄 洪形式，使面板雄石坝坝址地形条件的适应性更为广泛“1 。 2 1 2 地质条件 西安理工大学工程硕士学位论文 面板坝坝址选择的关键，是要选择一个合适的趾板位置。一般要求 建基于岩石地基上，并要求岩石坚硬、非冲蚀性和可灌性好。但近期修 建的一些面板坝对地基要求已有所放宽，可以利用一些地质条件较差的 坝址。国内外许多工程曾利用强风化岩石、残积土、沙砾石层作为趾板 基础，经过专门设计和精心施工后，都能正常运行。在选择坝线时，还 可以进行少量调整，使趾板线避开不利的地质因素，处于最为有利的位 置。尽管如此，对坝址范围内的地质条件，还应该予以足够的重视，特 别是趾板基础。初步设计阶段，必须彻底查清该部位的地质构造，以便 使趾板定线及灌浆设计工作更符合客观实际。 近期修建的面板坝，对坝基要求有所放宽，只要没有土层、淤泥或 软粘土层、易液化的砂屡、低强度的泥化夹层等软弱层存在，一般都能 满足稳定要求，并使坝断面在合理范围。如河床砂砾石，如无软弱夹层 存在，沉积义鞍密实，则叫以少挖或沓拦：下游坝体范围内的岸坡风化 料垃积物，也i r 以不全部清除等。 安尽量选择防渗条件较好的坝址对扶岩地区的岩溶渗漏问题更耍 慎重对待，能避开的尽量避开，不能避开的查明后要谨慎处理，以免后 患。其他如顺河向的断层和张开裂隙，其填弃物被高水头击穿后也会发 生大量渗漏。 从岩层产状来说，最好将坝址选在横向谷内，岩层走向与河谷交角 大些为好，这对边坡稳定和渗流条件都较好。 另外当坝址选择中遇到不利地形条件时，不要轻易放弃，列入比较方案， 可以用工程措旌予以改造利用，如设高混凝土挡墙、高趾墙，布置成混 合坝型等，做一定研究后再定取舍。中国的小干沟坝、卡浪谷尔坝，委 内瑞拉的雅肯布坝、马来西亚巴昆坝等，均采取了此种做法凹。 2 1 3 施工条件 面板坝的施工条件主要应考虑石料开采和运输条件。要考虑坝址附 近有无足够的宜用于筑坝的石料( 包括砂砾料) ，以及利用建筑物开挖料 1 0 2 坝址选择及枢纽工程布置 的可能性。过去认为理想的坝料，应是新鲜、坚硬、抗风化能力强的火 成或沉积岩，但是推广碾压堆石坝以来，对坝料选择的余地更为宽广， 不限于硬岩开采石料，有些抗压强度不太高的岩石、软硬相间的岩层、 建筑物挖方的石料、砂砾石料等均可使用。近代实践也证明：利用砂岩、 板岩等强度较低的岩石，也可建成运行情况良好的面板坝。与之相反， 硬度和强度过高时，钻爆工作困难，效率低，费用高，爆落石料细料少， 块度大，棱角尖利，不易压实，对运输和碾压机具损坏严重，因此并不 很有利。 石料场的地形极为重要，最适合于料场爆破开采的地形是丘陵状山 体，有利于分台阶开采和布置运输线路。陡坡峭壁，将会给石料开采带 来很大困难，影响开采强度，很难满足坝料的级配要求。 石料场位置以距坝0 5 3 k m 为宜，过近影响坝体施工，过远则会增 加石料运输费用。坝址附近，最好能有适当的场地，以布置生活及施工 辅助设施。此外，对外交通也应予以足够的重视。 2 2 枢纽工程布置 以面板堆石坝为主体的水利水电枢纽工程布置，与一般土石坝相同。 枢纽建筑物一般包括拦河坝、泄水建筑物、引水发电系统以及过木、过 鱼、航运等建筑物。枢纽布置就是将这些建筑物的位置进行优化选择， 在适应当地地形、地质、水文、水工、施工等具体条件的情况下，达到 既安全又经济的目的。这些建设物中最重要的是挡水建筑物的安排。根 据不同地形条件，这些建筑物的布置有分散布置和集中布置两类。 2 2 1 分散布置 枢纽建筑物根据坝址区地形条件，分别布置于适当部位，有的相距 较近，也有的相距甚远，这种布置方式属予分散布置。例如：在适当高 程垭口部位布置溢洪道，在山体较薄、地质条件较好的部位布置引水、 发电隧洞及厂房。这一布置方式的优点是施工互不干扰，运行比较完全， 西安理工大学工程硕士学位论文 不至因溢洪道或隧洞超标准泄流或失事而危及大坝安全；其缺点是施工 管理不便。哥伦比亚的安奇卡亚坝和中国的天生桥一级、莲花、关门山 等坝，均为分散布置汹 。 2 2 2 集中布置 建于高山峡谷中的大坝，在不具备分散布置的地形条件时，则可采 用集中布置。如溢洪道可布置在较缓一侧岸坡上，输水洞及电站工程， 则可布置于另一侧。中国的西北口坝和巴西的阿里亚坝均属集中布置形 式。 阻上两种布置形式都应注意枢纽建筑物有效挖方的充分利用和土石 方的挖填平衡，大量幂j 用开挖料上坝，以取得好的经济效益。因此以往 枢纽布置中以开挖最小取得经济效果的做法就不再适应，有可能采用大 开挖的枢纽布置方案。天生桥一级面板堆石坝，坝体积为1 7 8 0 万m 3 ， 将澈洪道布罱在右岸远离坝头的灰岩融蚀槽谷内，评挖晕迭1 7 6 4 山m ， 其中1 5 2 ( ihm 3 用于筑坝和蛐i 棍凝土骨料，解决j 坝体堆伍晌主要料 源，混凝上量增加不太多，达到了最为经济的要求。卜三陵抽水誉能电 站上池面板坝，坝体方量2 5 5 万r n 3 ，全部由池盆开挖石料土填筑而成， 其中包括大量风化岩，没有从专门料场开采。在面板坝坝顶设置不设闸 门的溢洪道问题，正在引起坝工设计者的重视。在特定条件下，坝面设 置正常的或非常的溢洪道是允许的，可以方便枢纽布鼍。国外已有一些 成功实例可作参考，如1 9 8 7 年在印尼拉威西建成的巴图皮斯坝，就是一 次大胆的尝试。该坝高3 2 米，直接在坝上设置了一个自溃式的非常溢洪 道，作为泄放千年以上洪水之用，其泄量为8 0 0m 3 s 。1 9 9 1 年建成的澳 大利亚克罗蒂坝，是一座坝高8 2 米的坝顶溢流式面板坝。当最大洪水时， 宽1 2 2 米坝面溢洪道的泄量为2 4 5m 3 t s ，这时水位升高可限制在5 米以 内。曾在1 9 9 3 年溢流，不过还是未经设计流量考验，大坝观测表明其运 行性状是良好的阻“。 3 混凝土面板堆石坝设计 3 混凝土面板堆石坝设计 面板堆石坝技术，是在不断总结工程实践经验的基础上发展起来的， 是一门实践性的科学。迄今为止，国际上还没有完全符合面板堆石坝实 践的完整的设计理论。几乎所有的面板堆石坝的设计，都是参照已成的 经验，结合坝址区的地形、地质等实际条件而确定的。国外已修建了上 百座面板坝工程，我国到1 9 9 6 年已完成的有2 7 座，绝大部分都在成功 地运行着，在建的有3 9 座，其经验和教训完全可以作为面板坝设计和施 工的依据。我国面板堆石坝的发展经历了引进、消化、实践和总结的过 程，还结合工程实践进行了大量科技攻关和重点科技攻关课题，从理论 到实践都取得了相当的发展，为设计和施工提供了科学依据。 3 1 坝体设计 3 1 1 坝体设计 1 坝体剖面设计 坝体轮廓由坝顶及上、下游边坡构成。设计面板坝时应选择稳定、 经济的坝体剖面，其尺寸取决于坝高、坝体材料性质、地基情况以及施 工和运行条件。 ( 1 ) 坝项宽度 面板坝坝顶宽度一般由坝的高度、坝顶结构、抗震、防汛管理、交 通要求和施工场地要求等因素综合确定，并要求有坝顶防浪墙。国外近 年修建的高面板坝，坝顶宽度多为1 0 1 2 米，如巴西的辛戈坝( 1 4 0 米) 和泰国的考兰坝( 高1 3 0 米) 坝项宽度均为1 0 米，巴西的塞格雷多坝( 高 1 4 5 米) 坝项宽度为1 2 米。我国已建面板坝，坝高小于1 2 0 米的坝项宽 度多为5 8 米，而以坝项宽度8 米居多。如考虑汛期防汛管理的要求， 坝项宽度也以不小于8 米为宜。当有抗震要求时，也应适当加大坝顶宽 度。如按7 度设防的天生桥一级面板坝( 高1 7 8 米) 、按8 2 度设防的黑 西安理工大学工程硕士学位论文 泉面板坝( 高1 2 3 5 米) 、按8 5 度设防的大桥面板坝( 高9 1 米) 都采用 1 2 米，按7 度设防的珊溪面板坝( 高1 3 0 米) 和古洞口面板坝( 高1 2 0 米) 均采用坝项宽度1 0 米等“。 ( 2 ) 防浪墙 国内外的面板坝普遍都在其顶部上游侧设置不透水的挡墙，即防浪 墙。防浪墙延伸到两岸与坝头基岩或结构物相连接，形成完整的防渗系 统。因此，它是坝体防渗结构的一个组成部分。 面板坝一般采用较高的防浪墙，这样可以减少堆石填筑方量，降低 造价。在各种形式的防浪墙中，大多采用“l ”形钢筋混凝土防浪墙。之 所以采用高防浪墙，是因为高防浪墙所节省的堆石费用将大子建造防浪 墙的费用，坝越高节省的堆石量愈多。有时为了进步节省堆石方量， 可在坝顶下游一侧另设挡墙，如成屏一级坝的防浪墙商5 2 5 米，在坝顶 下游倒另设高4 米的挡墙，j 再成坝顶“垂直戴帽”结构，致使坝体填筑 方蹙节约达”。加高防浪螭也是挑商坝体的措施之一，萨尔阢兴娜j ! f l 在施工过程中决定将坝顶加高6 米就是采用高8 米防浪墙并在坝顶下 游侧加设2 6 米高的挡墙来实现的。 防浪墙与面板间的接缝应按周边缝处理，止水结构必需可靠。因堆 石体在自重和水荷载作用下产生蠕变，竣工后还会继续发生沉降及水平 位移，坝体填筑时耍预留填筑超高。 ( 3 ) 坝坡 面板堆石坝坝坡往往是根据工程类比来选定。由于堆石坝料具有较高的 抗剪强度，特别是考虑非线性强度理论时，低应力区的强度指标更高， 这对浅层滑动的稳定性有利。 建造在岩基上的面板坝，当筑坝材料为抗压强度高、质量良好的堆 石料时，上、下游坝坡可采用1 ：1 3 1 ：1 4 。对于特别高的大坝，其坝 坡应进行专门论证确定，这主要是因为在高应力状态下，坝料的抗剪强 度有所降低。 1 4 3 混凝土面板堆石坝设计 当用质量良好的天然砾石料筑坝时，上、下游坝坡可采用1 ：1 5 1 ： 1 6 。 当采用软岩填筑时，或坝体下游部分采用任意料时，坝坡应适当放缓。 当坝体部分或全部建造在覆盖层上，或坝体坐落在节理产状不利或 有软弱面的岩石地基上，坝坡稳定受地基控制，应适当放缓n ”。 面板坝坝坡参照已建工程类比选定，一般不做稳定分析，当坝基存 在着不利结构面、软弱夹层或覆盖层，或坝体内有软岩堆石区，或施工 期堆石体过水，另外位于强地震区时，必须进行相应的稳定分析。 3 1 2 筑坝材料及坝体分区 1 筑坝材料 近来现代混凝土面板堆石坝有许多新的发展，在筑坝材料方面，也 有所突破。在堆石材料方面，由于采用薄层碾压菔工方法，改变了抛填 堆石时期对岩块强度及尺寸的严格限制，使用含有适量细颗粒的级配堆 石。岩石强度范围也很广，除硬岩外，还在经过认真论证的情况下使用 饱和抗压强度小于3 0 m p a 的软岩堆石料。用砂砾石作为坝主体材料的面 板坝也日益增多，并用于一些高坝，以充分利用压实砂砾石压缩性远低 于堆石的特性，减小高坝变形量，改善其运行性状。 据不完全统计，国内外已建和在建的碾压式混凝土面板堆石坝有1 0 0 座 左右，其中使用堆石料( 包括软岩料) 的有8 7 座，使用砂砾石的1 3 座， 可以看出筑坝材料发展的趋势。 2 坝体分区 堆石坝体是维持面板堆石坝稳定的主体结构，它体积大，用料多、 旋工周期长。做好堆石体的规划设计是缩短工期、降低造价和安全运行 的重要保证。堆石坝体在自重、水荷载及其它荷载作用下，坝体内部各 部分的应力、应变状态各不相同，并因堆石体内各部分与混凝土面板的 相对位置不同，各部分变形对面板的影响也有差异。在进行堆石体剖面 设计时，应充分根据枢纽附近的各种材料的工程性质及每种材料可能对 西安理工大学工程硕士学位论文 面板工作产生的影响，将其合理地应用到坝体剖面不同的部位上去，即 依据可能提供的当地材料及其性质，来规划设计坝体剖面分区，因材设 计。 坝体填筑材料的分区原则一般为： ( 1 ) 各区坝料之间应满足水力过渡的要求，从上游向下游坝料的渗 透系数递增，相邻区下游坝料对其上游区有反滤保护作用，以防止产生 内部管涌和冲蚀。 ( 2 ) 从上游到下游坝料变形模量可递减，以保证彗水后坝体变形尽 可能小，从而减小面板和止水系统遭到破坏的可能性。 ( 3 ) 充分合理利用枢纽的开挖石渣，以达到经济的目的。 混凝土面板堆石坝坝体材料分区已趋于标准化，一般从上游向下游 分为垫层区、过度区、主堆石区及下游堆石区。1 0 0 米以上的高坝，宣在 面板上游面下部设土质斜墙镧盖及其盖重匿。 3 。l 。3 垫层区设计 垫层区最甜采用均匀的，j 、石米填筑，要求垫层料灏粒必须坚硬，最 大粒径2 0 0 3 0 0 m m ，同时剔除5 0 m m 或2 5 m m 以下的细颗粒，提供一 个完全由粗颗粒组成的垫层区，以确保石块之间紧密接触。而1 9 7 1 年建 成的塞沙那坝首次使用级配料取代均匀粒料来填筑垫层。该坝设计者认 为，通过面板接缝的渗漏不会冲蚀细颗粒，从丽也不存在进一步导致面 板沉降的可能性，强调了其施工的方便性和经济性。随着坝高的不断增 加，一些专家又对垫层料提出防渗要求，要求垫层料应为半透水料，渗 透系数要达到1 0 。3 1 0 4 c m s 左右。考虑到在面板浇筑之前，在施工期垫 层应能挡水度汛，在运用期，一旦面板或接缝漏水时，可以限制进入坝 体的渗透流量，从而起到第二道防渗线的作用。为此，垫层料的最大粒 径有逐渐减小的趋势。近期修建的一些面板坝，垫层区的最大粒径有的 小至8 0 r a m 甚至5 0 r a m 。为满足半透水性的要求，必须设法提高细粒含 量，机轧碎石尚不能满足要求时，还要掺以石屑或人工砂等，也有的在 3 混凝土面板堆石坝设计 碎石中掺入部分砂砾料c 3 , s 3 1 4 过渡区设计 过渡区用于垫层区和主堆石区之间的过渡，其目的在于防止垫层中 的细料在渗透水流作用下流失，而导致渗透破坏。这就要求过渡料与垫 层料间必须满足反滤原则，特别是在两区的接触界面上。但面板坝的渗 流不同于一般土石坝，不可能形成稳定渗流区，另外各区材料级配良好， 不均匀系数一般在8 以上。因此，对过渡区的反滤要求在特定情况下可 以适当放宽。过渡区的水平宽度，现大都采用等宽3 米，以满足机械化 施工的要求。当采用1 米厚的薄垫层时，过渡区应适当加厚，通常取5 米，即垫层与过渡层之和达到6 米。当主堆石料与垫层料之间能够满足 反滤层间关系时，就不必设置过渡层。关门山坝在