混凝土面板堆石坝特殊工程地质问题研究

韦橄榄1　史明华2

（1.中国水电工程顾问集团有限公司；2.浙江省水利水电勘测设计院）

摘　要：混凝土面板堆石坝两岸岸坡区的趾板是与其他坝型不同的较为特殊的工程结构。大坝的防渗系统在平面上是向上游凸出的折线形式，特别是在岸坡陡立的河谷坝址区，两岸岸坡区的趾板走向与河岸坡走向交角较小，至使岸坡区趾板地基呈“三角体”形式，存在渗漏、临空区稳定等与其他坝型完全不同的特殊工程地质问题；两岸趾板建基面的开挖有可能导致高陡边坡稳定问题，此为混凝土面板堆石坝特殊工程地质问题之首。深入研究混凝土面板堆石坝的三大特殊工程地质问题，是工程建设所必需的。对当前最流行的混凝土面板堆石坝某些技术问题和设计规范的质疑，正是为了更好地将此类坝型发扬光大跃升台阶推向极致。

关键词：混凝土面板堆石坝；趾板；建基面；岩石风化；水力梯度；高陡边坡；帷幕；渗漏；稳定

1　引言

不同坝型对工程地质条件的要求是有差异的，其存在的工程地质问题也各有不同。例如重力坝和拱坝这类坝型，在坝基和（或）坝肩往往存在岩体受地质结构面控制的抗滑稳定问题，而在当地材料坝这类坝型中，坝基坝肩抗滑稳定问题就基本上不存在；又如当地材料坝这类坝型在坝址区没有天然地形垭口的条件下，往往要开挖岸边式溢洪道，可能存在岸坡大开挖后的高陡边坡稳定问题，而在重力坝、拱坝等坝型中就很少出现岸边式溢洪道高边坡稳定问题。一般来说，同类坝型存在的主要工程地质问题基本类似，但也有差异，例如重力坝与拱坝同为混凝土类坝型，但拱坝的坝肩岩体抗滑稳定问题就较重力坝更为突出；在当地材料坝坝型中，心墙坝的坝基防渗线路就较斜墙坝直观简洁，其防渗工程地质条件的评价差异明显。

坝工建设在实践中不断发展，与时俱进，坝型选择逐渐趋于定型化。例如，数十年前较为普遍的均质土坝，现在基本上再难以进入比选坝型的行列；支墩坝基本上业已被抛弃，20世纪50年代在安徽省成功建设的佛子岭连拱坝和梅山连拱坝（支墩坝的一种），现在已成为绝版坝型；浆砌石坝被混凝土坝替代；黏土心墙坝逐渐被沥青心墙坝所替代；而混凝土面板堆石坝的兴起则使得黏土斜墙坝基本绝迹。现在和今后一个时期内，当地材料坝最具竞争实力的坝型基本定型为混凝土面板堆石坝或（和）沥青混凝土心墙坝。

混凝土面板堆石坝在中国的兴起自20世纪80年代起至今，其发展历程顺畅迅猛，被业界定性为起点高，发展快。30多年来国内成功建设了大量混凝土面板堆石坝，积累了丰富的工程实例，同时，也提供了值得吸取教训的宝贵工程经验。混凝土面板堆石坝以其独特的工程优势和对坝址区自然环境的适应性，逐渐成为许多工程的首选坝型。正因为如此，深入认真研究混凝土面板堆石坝的工程地质问题，探索问题的解决方案，提出符合实际的地质建议，为今后的混凝土面板堆石坝勘测设计建设提供技术支撑，是有意义的，更是工程地质专业的责任。

本文所讨论的混凝土面板堆石坝的特殊工程地质问题，是指对于面板坝之外其他当地材料坝坝型并不存在或不太突出的工程地质问题，而所有当地材料坝类同的其他工程地质问题本文不多赘述。

混凝土面板堆石坝的特殊工程地质问题主要为两岸坝肩岸坡区的三大类工程地质问题：①岸坡区趾板边坡稳定问题；②岸坡区趾板地基渗漏问题；③岸坡区趾板地基在“水楔”作用下向临空区位移变形稳定问题。以上三大工程地质问题在混凝土面板堆石坝的勘测设计施工运行的全过程中都是至关重要的，但却基本上没有被广大工程技术人员所认识或重视，特别是对第②类和第③类问题的研究几乎还没有涉及，当然就更谈不上采取合理的工程措施予以解决了。为此，本文将就以上特殊工程地质问题展开讨论。

2　混凝土面板堆石坝岸坡区趾板边坡稳定问题

2.1　岸坡区趾板边坡的特殊性

混凝土面板堆石坝两岸坝肩趾板地基开挖，必然形成趾板以上开挖边坡，多数情况下都会存在边坡稳定问题，有的甚至形成高陡边坡稳定问题。其他坝型也存在坝肩开挖边坡，但都达不到混凝土面板堆石坝趾板边坡开挖这样的规模。例如拱坝和心墙坝，两岸坝肩仅开挖一个坝肩槽而已，即是重力坝也许坝肩开挖量稍微大一些，但无论如何也不可能达到混凝土面板堆石坝趾板边坡的开挖范围。换句话说，只有混凝土面板堆石坝才对两岸采取大范围大规模的边坡开挖，从而形成特殊的边坡稳定问题。显然，笔者将此类边坡稳定问题定性为混凝土面板堆石坝第①类特殊工程地质问题，并不牵强附会。

某混凝土面板堆石坝岸坡趾板区边坡大开挖见图1，为了修建趾板，在高陡岸坡区摆开了庞大的趾板地基开挖阵势，结果导致边坡失稳事故发生。此类工程的边坡问题十分突出，往往在发现问题严重再深入研究采取措施时，工程已陷入了被动状态！但也有例外，例如笔者在参考文献[4]中的一篇文章《混凝土面板堆石坝两岸趾板边坡问题研究》（第215～222页）就举出了趾板边坡工程优化减少开挖量的工程实例，并提出了边坡优化的技术方向供参考。此工程实例充分说明趾板边坡是可以优化的。

2.2　岸坡区趾板边坡设计的困惑

人们对混凝土面板堆石坝两岸趾板边坡问题的认识应该是深刻的，因为已建或在建的大量混凝土面板堆石坝工程实例太多，其教训可谓刻骨铭心。但是许多工程对于边坡问题的应对措施却令人大跌眼镜！看看那些施工现场，多数属于低水平低层次的大开挖，很少有人认真从根本上去深层次地思考这一问题的实质！参考文献[4]中将实质性问题的原因归结为趾板建基面的地质界定不准确和设计对趾板宽度的误解。多年来更为不可思议的是，设计规范的问题不被人们重视，一直在错误地指导设计，请看以下事实。

混凝土面板堆石坝是舶来品，其设计准则大多也是舶来的。美国权威专家库克关于“趾板宽度应满足水力梯度要求”的定性在工程概念上并不十分清晰，数十年来我们就是照搬照抄，基本上无人从物理意义和工程意义上对这个趾板宽度的规定进行认真研究和理论解释。笔者认为这就是导致趾板边坡大开挖的根本原因之一。《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL 228—2013）第7.0.3条规定，岩石地基上的趾板宽度应按允许水力梯度确定，并给出了一个允许水力梯度表（见表1，即规范中的表7.0.3）。

表1基本上属于参考意义都不具备的废表。首先，表中第二行允许水力梯度不小于20，无穷大就符合不小于20的条件，这有可能是表述上的文字错误，不必追究。我们知道，岩石地基与水力梯度有关的第一要素是岩性，其次才是岩石的裂隙发育程度和风化程度，离开岩性谈岩石的风化程度是没有意义的。岩性好的强风化岩石的力学性质和水理性质都要好于岩性差的弱风化甚至新鲜岩石。例如强风化的正长岩、闪长岩、石英岩等硬岩类，要好于弱风化黏土岩、页岩等软岩类。又如砂性土的允许水力比降0.15～0.5，而长石花岗岩全风化后即成为砂性土，就是这个砂性土的水力比降，与表1中的全风化3～5相差一个数量级，能用吗？石灰岩经化学风化后（全风化）的残积红黏土黏性很大，允许水力比降可以达到4～6。由此可见，不同岩性在同一风化程度条件下抗水渗能力相差甚远，所以表1中这个不根据岩性更不根据岩体中最重要的裂隙发育程度而列出风化程度水力比降表，就基本上属于没有什么实质性意义的一张废表，因为你永远不知道这张表对应的是什么岩性，对照错了你设计的工程一定也是错误的。

当然，规范中还有一些关于岩石可灌性、趾板建基岩体性质等方面的错误表述，也可能误导设计，笔者在参考文献[4]的一篇文章中做了讨论。

2.3　岩石风化程度的非确定性对设计的指导意义

上节重点讨论了岩性才是决定允许水力梯度的第一要素，但即使明确了岩性，按风化程度来进行工程设计仍然是有问题的，这得从岩石风化的等级划分的非确定性说起。

岩石风化程度的评价、风化等级的划分和风化深度的确定大多采用工程地质定性方法，首先是岩性（多指岩石类别）；其次才是岩体结构、岩石颜色、矿物成分、破碎程度、掘进的难易程度等方面，通过综合分析才能确定。显然，此类定性评价划分方法具有随意性，受具体划分者自身的经验、知识结构、对工程的理解等主观因素的影响较大。例如同一现场岩性剖面由不同地质人员去作现场风化界线的确认，会得出不同的结果。尤其当在两个风化等级间存在着渐变关系的时候，划定分界线就更为困难。当然，采用一些对岩石地质性质较为敏感的物理和力学性质指标作为定量评价的依据，结合现场实际情况来划分岩石风化程度，是较为可取的。但是由于岩石的类型千差万别，影响岩石风化的因素也很复杂，各类岩石风化的速度和风化后的形态变化也不同，因此很难建立起一套统一的、定量的划分岩石风化程度的标准。

《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）列出了两个表来划分岩体的风化程度，以区分不同岩性的划分标准。对于灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩等碳酸盐岩类，风化带的划分是按溶蚀风化特征来定的，所以划分为表层强烈溶蚀风化带、裂隙性溶蚀风化带和微新岩体三大类，其中裂隙性溶蚀风化带又进一步细分为上带和下带。然而，碳酸盐岩类仅为众多沉积岩的一个大类，还有许多沉积岩类其风化带的划分仍然存在诸多困难；岩浆岩、变质岩的风化程度受地质构造地形环境影响更甚，某些部位表层就是新鲜岩石没有任何风化，而在某些特殊部位有可能风化带的厚度可达上百米量级。另外，岩石风化后的物理力学性质还与风化作用营力有关，化学风化与物理风化的区别显著，不考虑地质环境特点的风化带划分，也是有可能误导工程建设的。

2.4　趾板地基岩体透水性与水力梯度的关系

岩体中的裂隙有构造裂隙、缷荷裂隙、风化裂隙、层面裂隙、张性裂隙、剪性裂隙等等，都是岩体透水性的重要因素。另外，岩体透水性各项异性明显，基本上取决于裂隙的类别及性状。例如卸荷裂隙往往是张开的，其透水性极强，风化裂隙、张性裂隙、无充填裂隙等都具有很强的透水性；剪切裂隙一般面平直延伸长往往也是良好的透水通道。裂隙的宽度、发育密度、裂隙所处的地质构造部位，也都影响着岩体透水性。岩溶地区除了以上岩体裂隙的类别性状之外，还有岩溶的特殊性，其透水性质与裂隙岩体有本质区别。即是一些埋深很大的地下新鲜岩体，只要有裂隙存在，裂隙性渗水就存在。显然岩体透水性十分复杂，远不是按岩石风化程度就可以确定的。岩体水力梯度与岩体的透水性密切相关，在考虑趾板地基岩体允许水力梯度时必须参考岩体透水性。

2.5　趾板宽度设计的非标准性

国内外部分混凝土面板堆石坝坝高与趾板宽度对照见表2，从表2中能看出趾板宽度的规律性吗？好像就是设计人员随心所欲的随机行为。例如，以国内同为岩溶区的混凝土面板堆石坝水布垭水电站和天生桥水电站一级为例，最大水力梯度水布垭水电站为11，天生桥一级水电站为17，不知是依据的什么标准。表2能说明的是国外相同量级的混凝土面板堆石坝其趾板宽度普遍较国内的要窄，最为夸张的是哥伦比亚的格里纳斯坝（Golillas），120m量级的混凝土面板堆石坝其趾板宽度仅为3m，水力梯度超过38；国内相同量级的面板堆石坝趾板宽度是4～10m。我国的混凝土面板堆石坝设计特点就是趾板宽度大，边坡开挖量大，然而没人能讲出是根据什么地质条件、按照什么原则来设计趾板宽度的，即便是罗列出了水力梯度准则依据，也从来没人研究和讲出他所选择的水力梯度的技术依据。按理来说，允许水力梯度与地质条件岩石性质直接有关，应该由地质工程师提出建议值供设计师考虑，但是没有一个工程的地质勘察报告提出过趾板允许水力梯度的建议值。与地质关系如此紧密的重要地质参数是设计自定的。

任何一个设计方案的决策都应进行方案的比选过程。何况关系到工程施工难度与边坡开挖量的岸坡趾板宽度。然而实际中，设计上无理论依据，无计算公式，没有一本设计报告有趾板宽度的比选方案，规范仅给出一个水力梯度表（表1）还存在错误。当前的做法中相对可靠的方法是根据库克定义再类比一下已建工程，经验性地选取趾板宽度，也是存在问题的。

2.6　岸坡区趾板边坡设计的地质建议

关于岸坡区趾板边坡的稳定性评价，地质工程师的权威性应该是不容置疑的。但是地质工程师只有建议权，永远不能替代设计，这也是基本准则。学术界曾经激烈地争议过凡是与地质打交道的工程边坡、基坑、洞室、基础工程等均由地质工程师来做设计，并换个名称叫“岩土工程”，好像有点道理。因此，在工民建系统中还真有这种体制在成功运行，但是在水利水电工程中从来没有实现过，即使曾有人实施过但也不可能推而广之。《岩土工程规范》（GB 50021）开篇即声明不适合水利水电工程，原因就是水利水电工程自身的特殊性和复杂性与工民建工程相差较大，不是处在同一个等量级的可比工程。所以在水利水电工程中一直沿用水工设计和工程地质这样的传统专业定位，并未跟风改名换姓，是有行业专业特色根基的。

总之，在趾板边坡设计过程中，设计师与地质工程师认真沟通，互相理解专业意义，充分交底。只要设计师充分认识到地质工程师在边坡工程中的不可替代性，就一定能够从地质工程师那里找到边坡工程设计的真谛，这是正解。

3　混凝土面板堆石坝岸坡区趾板地基渗漏问题

通常，趾板地基都要考虑固结灌浆并通过帷幕灌浆来形成地下防渗系统。但是，混凝土面板堆石坝的两岸岸坡趾板地基是很特殊的“三角体”形态，垂直河床方向存在“临空”空间，是岸坡区岩体渗漏的最短路径（见图2）。在对岸坡区趾板地基作固结灌浆和帷幕灌浆时，浆液有可能从临空面泄漏至透水堆石坝体内；蓄水后，这个“三角体”就是最大的渗漏可疑区域。河床区趾板地基是半无限岩体空间体，岩体固结灌浆和帷幕灌浆都可以达到预期效果；而岸坡“三角体”区域与河床半无限区域显然有明显差别，不能相提并论。因此笔者将混凝土面板堆石坝两岸岸坡趾地基“三角体”的渗漏问题列为第②类特殊工程地质问题，依据也是充分的，因为在其他坝型中，两岸防渗区域都不可能形成混凝土面板堆石坝岸坡区的“三角体”形态。

在已建成的和正在建设中的混凝土面板堆石坝工程中，并没有多少人深入研究讨论过这个“三角体”区域的渗漏问题，设计方面并没有针对“三角体”渗漏区域设置监测点，当然也就没有监测资料证实该区域漏水或不漏水。见诸于公开发表的文献中，除了笔者的文章之外，再无针对此问题进行探讨的文字！但是，一些已建工程漏水量较大却找不到原因，笔者强烈建议就从“三角体”区域去考虑，一定可以找到真正的漏水区。

“三角体”是最大的漏水嫌疑区域，除了渗径最短之外，在地质上这个区域的岩体正是岸坡风化缷荷裂隙最发育、岩体破碎程度最剧烈、透水性最强的区域，在施工防渗工程时应该是最为关键的部位。趾板地基的防渗工程又是一个隐蔽工程，做得好一劳永逸，稍有不慎即可能留下工程缺陷，后患无穷。

地质上如何准确评价“三角体”区域的渗漏问题？该区域的防渗工程如何设计？施工工艺如何保证达到设计要求？这三方面都还大有探索空间，也可作为大专院校的研究课题。

4　混凝土面板堆石坝岸坡区趾板地基水楔变形稳定问题

两岸岸坡区趾板地基“三角体”形态区域的迎水面即帷幕上游一侧是水库，岩体中的裂隙特别是一些顺河向陡倾裂隙，蓄水后处于饱水状态，对于外侧临空的“三角体”来说，这些裂隙饱水后就是一个“水楔”；说得更夸张些，这个“三角体”还要承受库水推力，库水推力的大小为水库水位的全水头，全部作用在防渗帷幕上。也就是说，岸坡区趾板地基“三角体”除了存在前述的渗漏质疑之外，更重要的是在“水楔”作用下有向临空区位移的趋势，哪怕是极其微小的位移变形也足以导致渗漏量增加，甚至从根本上动摇趾板地基的稳定性和可靠性。另外，虽然这个“三角体”外侧并非真实“临空”，还有大坝堆石体的掩护，但是大坝堆石体相对于坝肩岩体而言仍然是一个可变形体，并非刚体，因此，坝肩岩体存在向“临空”面位移的趋势是必然的，决不可以掉以轻心。

由于“三角体”向临空区的变形趋势是裂隙水的“水楔”作用，导致的是地质体的变形与位移，所以笔者将此定性为第③类特殊工程地质问题，如有异议欢迎批判或讨论。

“三角体”在水库全水头作用下向临空空间位移变形趋势是存在的，但至今无人研究，也未有加固这一“三角体”的工程措施，可见这些问题一直被忽略不计。真实情况究竟如何？已建工程没有为此问题设计监测点，没有监测资料，很难说明这个“三角体”的稳定性一定有问题或一定就没有问题。那些渗漏量大的混凝土面板堆石坝如果找不到漏水点，也可以考虑一下两岸“三角体”在库水压力作用下产生微小位移开裂后顺裂隙的渗漏问题。

5　倾斜帷幕是解决三大特殊工程地质问题的可行方案

笔者在参考文献[4]所载文章《混凝土面板堆石坝两岸趾板边坡问题研究》中就提出了倾斜帷幕的解决方案（见图3），即改两岸岸坡区垂直防渗帷幕为向山体内倾斜的帷幕。倾斜帷幕首先可以最有效地截断岸坡区顺河向的陡倾裂隙，因为这种裂隙最容易被垂直灌浆孔漏灌；其次是可以有效地增加幕后岩体的厚度，有利于岸坡区“三角体”的稳定性；再次是对幕后“三角体”的渗径有所增加；最后，可以采取贴坡式折线趾板，有效减少岸坡趾板的水平开挖深度，从而有效缩减岸坡开挖范围和削坡工程量。这样一来，倾斜帷幕对解决本文所述的三大特殊工程地质问题都有积极作用。

当然，倾斜帷幕也有不足之处，施工难度大于垂直帷幕，导致帷幕单价上升；贴坡式趾板在灌浆压力下存在抬动稳定问题，需要更多地采取锚固措施以抵抗灌浆压力对趾板的向外侧的推力；接近坝顶和河床区的倾斜帷幕需设置与垂直帷幕相连接的空间扭曲面渐变段，这会增加帷幕工程量。但是倾斜帷幕有不可替代的优点，对解决三大特殊工程地质问题有积极作用，权衡之后，完全可以接受倾斜帷幕的不足之处。

6　结语

混凝土面板堆石坝这种坝型面市以来，以其对坝址区自然环境的适应性和良好的工程性价比而逐渐成为当地材料坝大类中最具竞争力的一种坝型。我国30多年的建设和运行经验表明，总体上是好的，但仍然存在这样那样的工程地质问题，导致设计施工走弯路，有的甚至留下工程隐患。因此，针对混凝土面板堆石坝这种坝型深入研究其特殊工程地质问题，为工程设计建设提供基础技术支撑是必须的。

某些混凝土面板堆石坝两岸趾板高陡边坡稳定问题，一直是困扰设计师的心病，也是地质师评价较为困难的问题。较为可取的设计原则是，充分尊重自然地质环境，尽可能地少对边坡地质结构作人为破坏，采取窄趾板、倾斜帷幕等设计方案，可以有效地减少边坡开挖。关于两岸趾板地基“三角体”区域的渗漏和稳定问题，属于混凝土面板堆石坝的第②类和第③类特殊工程地质问题，也是已建工程的可能隐患，应引起工程界的充分重视。

科技进步和创新离不开质疑，质疑乃科学精神之核心。本文对当前最流行的混凝土面板堆石坝工程某些技术问题的质疑，对设计规范的质疑，也许错误百出，欢迎批评指正。笔者的感悟是我们搞工程对规范只是遵守不会质疑，对权威界定只是崇敬不敢超越，那么工程技术也就不能进步！两院院士潘家铮晚年有一篇著名文章《水利建设中的哲学思考》，在文章中他对自己亲自主持制定的大量设计规范做了深刻反思：“规范妨碍了创新，给科技人员套上了枷锁。规范又为不思进取的人提供了保护伞，出了事，规范还可以作为辩护武器”。此为本文结束语。

参考文献

[1] 关志诚.混凝土混凝土面板堆石坝筑坝技术与研究.北京：中国水利水电出版社，2005.

[2] 韦港，任重阳.试论混凝土面板堆石坝对坝址区自然条件的适应性.人民长江，1987（12）：39-43.

[3] 韦港，任重阳.面板坝对坝址地质条件的适应性研究.人民长江，2012（19）：16-19.

[4] 关志诚.土石坝工程——面板与沥青混凝土防渗技术.北京：中国水利水电出版社，2015.

[5] 肖化文，等.水布垭混凝土面板堆石坝趾板设计.水力发电，2005（6）：15-17.

[6] 马国彦，林秀山.水利水电工程灌浆与地下水排水.北京：中国水利水电出版社，2000.

[7] 潘家铮，何璟.中国大坝50年.北京：中国水利水电出版社，2000.

[8] 潘家铮.水利建设中的哲学思考.中国水利水电科学研究院学报，2003（1）：1-8.