第一部分　混凝土面板坝类

高混凝土面板砂砾石坝应用技术创新与发展

关志诚1　王志坚2　范金勇3

（1.水利部水利水电规划设计总院；2.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司；3.新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院）

摘　要：在建的阿尔塔什水利枢纽工程面板砂砾石（堆石）坝坝高164.8m，砂砾石基础覆盖层厚93m，受变形影响的复合坝高已达250m级，大坝总填筑量2725.4m3。工程地处高地震区，其坝体变形控制、大坝防渗体系的可靠性、抗震安全性等备受关注。与国际国内已建同类工程比较，该工程建设的部分关键技术已突破现行设计规范的适用范围，其物料设计与安全性标准、大坝变形控制综合措施、深覆盖层与趾板连接结构、抗震技术等处于世界领先水平。工程建设期技术领先与创新包括：较系统和全面研究砂砾料筑坝工程特性，进行了直径1000mm室内超大三轴试验、现场大型载荷与砂砾料密度试验；采用精细化分析方法和模型试验对高面板坝与砂砾石覆盖层连接防渗结构进行深入研究等；采用智能化施工管理系统，有效控制坝体填筑质量。

关键词：砂砾石；建设；技术；标准；抗震；施工；创新

1　工程建设概况

阿尔塔什水利枢纽位于新疆南疆叶尔羌河干流山区下游河段、喀什莎车县霍什拉甫乡和克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县库斯拉甫乡交界处，是叶尔羌河上的控制性水利枢纽工程，坝址距莎车县120km。坝址断面控制流域面积4.64万km2，多年平均径流量63.79亿m3。该工程是在保证向塔里木河生态供水3.3亿m3的前提下，承担防洪、灌溉、发电等综合利用任务。工程为大（1）型Ⅰ等，水库总库容22.49亿m3，设计洪水标准为千年一遇（洪峰流量13540m3/s）；校核洪水标准为万年一遇（洪峰流量18403m3/s）。正常蓄水位1820.00m，水电站装机容量755MW。枢纽工程由混凝土面板砂砾石（堆石）坝、1号、2号表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1号、2号深孔放空排沙洞、发电引水系统、水电站厂房、生态基流引水洞及厂房、过鱼设施等主要建筑物组成。拦河坝坝轴线全长795.0m，坝顶高程1825.80m，坝顶宽12m，最大坝高164.8m，上游坝坡为1∶1.7，下游坝坡为1∶1.6；混凝土面板坝直接建造于河床深厚（最大厚度93m）覆盖层上；坝址区地震基本烈度为8度，大坝抗震设计烈度为9度，100年超越概率2%的设计地震动峰值加速度为320.6g。截至2018年8月底，大坝已填筑115m，完成填筑工程量95%；一期面板已于2018年5月完成，并展开防渗墙与趾板连接板施工。

2　工程建设难点及问题

阿尔塔什水利枢纽工程高面板砂砾石（堆石）坝坝高164.8m，砂砾石基础覆盖层厚93m，计入地基混凝土防渗墙复合坝高和考虑抗震安全防护等因素，大坝变形控制高度已达250m级。与我国已建同类工程相比，阿尔塔什水利枢纽高面板砂砾石（堆石）坝工程坝轴线长（795.0m），地基为V形深厚覆盖层，存在不均匀变形问题，工程地处较高地震烈度区。如何保证高面板坝抗震安全，如何改善蓄水期基础防渗墙、连接板与面板的变形协调和受力状况，如何预防低部位面板发生挤压破坏、避免由此而导致影响大坝安全的较大量级渗漏，将是所面临的重要的工程技术课题。

在复杂地基、地形、地震背景条件下，提出阿尔塔什水利枢纽工程建设质量控制与保障长期安全运用关键技术问题包括：大坝结构渗透稳定与防渗体系耐久性，挡水建筑物服务期的运行安全；大坝抗震性能与极限抗震能力；工程质量控制、设计新技术应用及成果有效性验证等。

上述内容均涉及工程安全保障体系建设、大坝变形与渗透稳定性控制，以及大坝基础防渗墙+连接板+面板基础趾板变形协调后仍具有防渗有效性的实现等。施工满足质量控制要求，才能明确回答工程建设具有安全性、遭遇灾害时风险的可控性。

3　安全保障的创新理念和控制要素

高面板坝建设的创新理念、设计和施工基本原则与控制要素包括：应进一步提高上游主堆石区整体压缩模量，以有效控制坝体变形，避免较低部位面板发生挤压破坏；减少坝体各堆石区模量比和上游面拉应变梯度，以控制运行期变形量；注重施工工艺与环节的过程控制，设置面板浇筑前预沉降期，保证坝体压实度和变形控制在施工过程中加以实现；分区砂砾石（堆石）颗粒级配应满足坝体渗流控制要求，并有效提高面板防渗体变形协调的适应性，防渗系统设计应考虑提高抗挤压破坏能力和连接结构适应变形能力；采取抗震措施以防止出现大级别震陷或导致面板塌陷局部失效；利用现代监测检测技术，及时反馈各类与施工质量和大坝安全运行信息等。

4　砂砾石料工程特性研究

4.1　筑坝料现场碾压试验及砂砾料大型密度试验

中国水科院岩土所承担了筑坝料现场碾压试验及砂砾料大型密度试验等。试验针对筑坝砂砾料进行了原级配现场大型相对密度试验和接近原级配的室内相对密度试验，研究了砂砾料的相对密度特性，确定了相应特征指标，并用于指导实际工程设计和施工质量控制。主要研究结论为：现场和室内试验的最大、最小干密度与P5含量的规律是相同的；对于最大干密度，现场试验比室内试验要大，两者间的差值随模型级配料的替代量增大而增大，主要是由等量替代后缩尺效应引起的，对于最小干密度，现场试验结果室内试验结果间没有很明显的规律。据此，工程实际采用的筑坝砂砾料碾压标准的最大干密度和最小干密度应以现场试验结果为准，而室内试验的结果可用以验证现场试验结果的准确性。大坝的安全稳定与坝体填筑的密实程度直接相关，而确定上坝砂砾料的相对密度特性指标是保障施工碾压质量的前提。

4.2　超大三轴仪试验

基于阿尔塔什水利枢纽工程的重要性和建设难度，国内重点科研单位和大学进行多项工程应用专题研究。大连理工大学采用国际最大的超大三轴仪（直径1000mm、高2050mm），静态10000kN/动态3000kN，围压0～3MPa，进行了筑坝材料特性尺寸效应三轴试验和模型参数研究，已取得砂砾石坝料试验成果，参数已用于大坝静动力分析计算。

4.3　三维精细化有限元静、动力分析

高坝静、动力计算采用三维精细化有限元，动力计算分析最大网格尺寸小于2m，以模拟高面板坝面板和防渗墙的挤压破坏、损伤、开裂以及坝坡抗震措施效果等，可以精确模拟面板损伤演化，精确考虑了河谷复杂地形等。关于抗震研究：传统动力反应分析方法难以考虑大坝-两岸-地基-基岩的动力相互作用，可能低估大坝的极限抗震能力；针对近场地震动，采用波动输入方法开展数模分析（模拟地震波类型及入射角度，地基辐射阻尼，行波效应），总结近场地震作用下深厚覆盖层上高面板坝动力响应特性。通过现场大型载荷试验，得到了砂砾料的真实载荷P与沉降S关系曲线，由此确定了坝料的变形模量和强度特性参数，也为进一步进行坝料本构模型参数有限元反演分析提供了可靠的基础资料；对原级配砂砾料进行高应力下大尺寸的现场大型直剪试验，得到了能相对真实反映实际坝料剪切性能的剪切强度参数指标。针对深厚覆盖层建设高坝的不同抗震加固措施坝体的地震动力反应、地震永久变形、大坝不同抗震措施的有效性试验与分析计算。

4.4　大坝离心机振动台模型试验

南京水利科学研究院采用离心机振动台模型试验技术，研究了不同地震加速度、不同抗震措施情况下大坝的地震反应、地震变形和极限抗震能力。当覆盖层加速度放大系数约为1时，越往坝顶加速度放大系数就越大；随着基岩输入地震加速度的增加，坝体地震加速度放大系数呈减小趋势，坝顶沉降和坝顶沉陷率增大。地震引起坝坡变形主要是堆石料滚落、浅层滑坡和局部塌陷，且地震加速度越大，坝坡变形越剧烈，滑塌位置越低。在峰值加速度320.6g地震条件下，面板坝坝顶加速度放大系数约为2.6～2.8，坝顶沉降约为290～330mm，沉陷率为0.18%～0.20%。无抗震措施时大坝的极限抗震能力为0.45g，2层钢筋网加固时为0.5g，3层钢筋网加固时为0.55g。试验结果验证了工程抗震措施的有效性，即通过坝体较高部位加固措施可以有效减小坝顶地震沉降和提高坝坡稳定性。

5　大坝填筑标准与变形控制

5.1　填筑标准

阿尔塔什水利枢纽工程高混凝土面板砂砾石（堆石）坝填筑量约1230万m3、爆破堆石填筑量1040万m3，大坝典型剖面见图1。按现行设计规范规定，砂砾石料以碾压参数和相对密度（Dr）作为施工填筑质量控制标准，堆石料以碾压参数和孔隙率（n）作为施工填筑质量控制标准。砂砾石料相对密度Dr≥0.90，经现场砂砾石、堆石现场碾压爆破、大型相对密度等专门论证，对大坝填筑标准进行生产性碾压试验复核和验证，采用32t自行式振动碾可以满足砂砾石填筑区相对密度保证率要求。

5.2　原级配砂砾料利用

工程建设物料利用的特点是：采用C3料场全料，筛除60mm以上颗粒，获得垫层料；筛除150mm以上颗粒，获得过渡料；这样既满足垫层、过渡、主砂砾料互为反滤保护关系，又节约了工程造价和便于施工。

垫层料的设计与填筑，既要满足过渡层与面板之间的变形协调关系，又要保证坝坡的稳定性及低压缩性。坝体垫层料设计水平宽度3m，要求最大粒径不大于60mm，小于5mm颗粒含量为30%～45%，小于0.075mm的颗粒含量少于8%，渗透系数控制在10-3～10-4cm/s，设计相对密度Dr≥0.9。

5.3　坝体变形控制

对于200m级以上高面板坝的变形稳定控制问题，目前的设计准则和相关标准基本适用。变形控制的主要对策措施是要充分了解和掌握筑坝材料的变形特性，解决好大坝两相邻分区材料压实性能差别大、几何形状变化剧烈处的不均匀变形等问题。工程运行检验表明，以砂砾石为主要填筑体垂直变形监测成果均小于堆石体30%～50%，坝体沉降统计值一般为最大坝高的0.4%～0.7%。

肯斯瓦特水利枢纽工程面板砂砾石坝（坝高129.4m），工程于2014年12月开始蓄水，坝体内部（坝轴线处）最大沉降量为37.8cm，截至2018年7月沉降量为38.8cm，变形量很小，目前已趋于稳定。卡拉贝利水利枢纽工程面板砂砾石坝（坝高91.0m），施工控制砂砾石填筑相对密度大于0.85，工程于2017年10月开始蓄水以来，截至2018年8月15日，坝前最高水位1756.21m，最大水头73.21m，坝体累计最大沉降量约20cm，已趋于稳定，坝后量水堰渗流12～18L/s。阿尔塔什水利枢纽工程大坝填筑采用相比上述两工程更大吨位振动碾施工，获得了大体积填筑体施工密实度的有效控制，截至2018年7月初，大坝砂砾料填筑区高程约1772.00m、爆破料区高程约1775.00m，砂砾料填筑区坝高约111m。监测断面坝基最大沉降变形为358mm；坝体砂砾料区监测断面最大沉降变形为274mm；坝体堆石与砂砾料过渡区监测断面最大垂直变形沉降量438mm。以上工程实践表明，随着施工设备与管理的进步，可以获得和实现高面板砂砾石坝变形的有效控制，为200～300m级超高坝建设提供技术支撑和安全理念。

已建的150～200m级面板堆石坝运行情况总体良好，堆石体沉降统计值为最大坝高的0.6%～1.2%，一般为坝高的1%。

6　面板防渗体安全保障设计

6.1　地基与面板连接段设计

基于对大坝变形控制的技术应用与实践检验，以现有的设计水平、技术标准和建设管理经验，建设深覆盖地基面板防渗体砂砾石（堆石）坝防渗体安全在技术上是可控的。阿尔塔什水利枢纽工程深厚覆盖层（93m）墙端与面板坝（164.8m）趾板连接与变形协调处理，是目前世界同类工程最高级别组合，坝基采用一道厚1.2m全封闭垂直混凝土防渗墙。关于防渗墙与趾板的连接，设计的重点是相关连接板结构形式要考虑其蓄水后适应地基与坝体变形能力；阿尔塔什水利枢纽工程面板坝考虑尽量减少连接板数量、采用适应变形嵌缝材料、结构上预留吸收变形空间、在防渗墙和连接板及趾板上采用表面敷设聚乙烯防渗板。

6.2　施工期监测及重点部位监测布置

目前系统性监测的工程资料较少。阿尔塔什水利枢纽工程施工期（截至2018年8月）坝基砂砾石层已沉降约39.0cm，已大于大坝砂砾石填筑体垂直沉降量，应密切关注蓄水后地基变形对大坝防渗结构安全性影响。根据察汗乌苏水电站混凝土面板砂砾石坝（坝高110m）运行期监测资料，工程建在厚约40m的砂砾石覆盖层上，运行期监测砂砾石覆盖层基础沉降约52cm，覆盖层垂直变形占覆盖层厚度的1.1%，防渗墙在竣工和蓄水期的垂直向位移都很小，竣工时和蓄水期顺河向位移分别为3.08cm和6.41cm，最大压应力分别为9.6MPa和13.85MPa；防渗墙和连接板、连接板与趾板间接缝的垂直变位最大值位于连接板与趾板之间为3.9cm，其余接缝变形均小于1.0cm。鉴于阿尔塔什水利枢纽工程大坝地基竖井揭示的砂砾石覆盖层相对密度约0.85，已开展专项研究，要进一步分析连接结构适应综合变形能力及安全性。

阿尔塔什水利枢纽工程大坝覆盖层深厚、建设条件复杂，大坝面板、趾板、连接板的挠曲变形监测可为今后分析和判断大坝运行性状提供直接依据。工程施工期补充和增加监测项目，在连接板一线4个断面基础上，又增设5个变形、渗流渗压监测断面；在一期面板（含趾板）增设安装一套SAA阵列式位移计，并取得初步监测结果，后续二期、三期混凝土面板将延续布设，结合后续监测，可进一步分析SAA阵列式位移计的系统精度对监测成果的影响，以及对混凝土面板坝挠曲变形监测的适用性。

6.3　河床深厚覆盖层防渗与地基加固处理

坝址深覆盖地层复杂，河床基岩面总体呈宽V形。坝址河床覆盖层自左岸向右岸逐渐加厚，基底坡角在16°左右，靠近右岸为一深切的古河槽，其底部宽约15m。覆盖层总体划分为：上层为全新统冲积含漂石砂卵砾石层（Q4）；下层为中更新统冲积砂卵砾石层（Q2），其分界面为河床普遍分布的一层似砾岩的砂卵砾石胶结层。

河床深厚覆盖层防渗处理采用混凝土防渗墙+帷幕灌浆的形式。坝基的防渗混凝土防渗墙最大墙深93m，防渗墙厚1.2m，混凝土为C25W12，上部10m为钢筋混凝土。墙下进行单排帷幕灌浆。

连接面板下充填灌浆：混凝土防渗墙底部深入基岩，在运行期库水的作用下，防渗墙的垂直变形很小，相比河床覆盖层的变形则偏大。为了防止防渗墙与连接板接缝处的垂直变形大而影响止水系统的安全，对连接板的下部10m深度进行充填灌浆，提高其承载力，并有利于变形梯度分配。

6.4　防渗墙施工

采用接头管法，墙体连接部位呈圆弧形，有利于墙体与墙体之间铰接质量控制，浇筑过程中形成较薄的泥皮，有利于改善墙体应力状况。施工过程中严格控制各槽段成槽质量和孔斜。通过正电胶复合泥浆的现场试验配比研究和应用，有效解决了深厚砂砾石覆盖层中成槽固壁问题。

根据地质资料，坝基范围内Ⅱ岩组夹有多层缺细粒充填卵砾石层具极强渗透性，是主要的渗漏通道，造孔时泥浆会大量漏失，严重时会发生槽孔坍塌事故，采取的主要技术有：投置堵漏材料；采用单向压力封闭剂；预灌浓浆及泥浆平衡法。为检查混凝土防渗墙浇筑质量，按照《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL 174—2014）的有关要求，沿轴线布设5个检查孔，采用注水试验、孔内取芯、墙体混凝土强度试验等进行检测。采用孔内注满水经24h观测，观察其下降速度，检查孔水面下降2～5cm，符合要求。孔内取芯检测，5个检查孔岩芯采取率93.3%～93.8%，岩芯呈均长柱状，取出的芯样结构密实、均匀完整，无混浆、夹浆现象，岩芯局部有小气孔，直径1～3mm。墙体混凝土强度试验：通过对芯样随机抽检混凝土强度和抗渗性能试验，检测结果混凝土抗压强度34.7～37.9MPa，抗渗等级W12。

7　大坝抗震标准与措施

7.1　抗震设计标准

阿尔塔什水利枢纽高面板砂砾石（堆石）坝工程抗震设防类别为甲类，抗震设计标准采用100年超越概率2%的地震动峰值加速度设计，同时，采用100年超越概率1%的地震动峰值加速度作为校核标准。即工程除按9度抗震设计烈度进行抗震设计外，还要对在遭受场址最大可信地震时，不发生库水失控下泄的灾变安全裕度进行专门研究。

地震区面板坝的安全超高应包括地震涌浪高度，地震设计烈度为8度、9度时，安全超高应计入坝体和地基在地震作用下的附加沉降。并根据最大震陷率和变形的不均匀程度等评价大坝及防渗体的抗震安全性，重点关注面板及接缝止水的抗震安全性问题，包括地震作用下面板脱空范围，面板的错位变形、挠度、集中挤压破坏以周边缝和垂直缝止水安全性等。按相关规范的要求，阿尔塔什水利枢纽工程地震附加沉陷采用1.65m。

7.2　极限抗震能力

高坝的极限抗震能力，目前没有统一的标准可参照，为此，中国水利水电科学研究院和南京水利科学研究院等单位结合紫坪铺、阿尔塔什等水利枢纽工程高面板（砂砾石）坝的极限抗震能力进行了探索和研究，初步提出了高面板坝极限抗震能力的评价方法。从坝坡稳定、地震永久变形、面板防渗体系安全、地基液化可能性、单元抗震安全性来综合分析大坝的极限抗震能力。

根据研究成果，阿尔塔什水利枢纽工程极限抗震能力评价指标为：坝坡稳定性（拟静力法、有限元法）（0.6～0.65）g，地震残余变形0.65g，面板应力0.60g，周边缝位移（0.60～0.65）g，因此评价工程综合极限抗震能力为（0.60～0.65）g。动力反应和地震残余变形是反映面板坝地震安全性的较为直观因素，与汶川特大地震中的紫坪铺水利枢纽工程混凝土面板坝相比，阿尔塔什水利枢纽工程坝顶最大反应加速度远低于紫坪铺水利枢纽工程混凝土面板坝实测反应加速度（大于1.5g），其面板砂砾石坝震陷率0.39%也远小于汶川特大地震中的紫坪铺面板坝（0.65%）；工程按极限平衡法稳定分析，坝坡在各种运用工况条件下抗滑稳定安全系数均大于规范要求，不会发生失稳破坏，并有一定的安全储备。

7.3　抗震措施

考虑到高面板坝抗震安全性，为提高坝顶抗震性能，阿尔塔什水利枢纽工程高面板砂砾石（堆石）坝均增大坝体填筑结构规模。为降低坝顶地震力作用，坝顶宽度为12.0m，上游坝坡为1∶1.7，下游坝坡为1∶1.6，下游平均坝坡为1∶1.89。根据抗滑稳定分析，在正常蓄水位遇9度地震情况下，下游坝顶局部出现不满足安全系数的表层滑弧。为增强坝体顶部的抗震能力，在上、下游坝坡高程分别为1793.00m、1803.00m、1813.00m布置3层阻滑钢筋网。为防止地震情况下造成破坏，适当提高坝壳料的压实标准，要求砂砾料的相对密度Dr≥0.9，堆石料填筑孔隙率n≤19%；并加强混凝土面板、趾板及坝体各分区间及其与坝基和岸坡的连接。

8　结语

（1）阿尔塔什水利枢纽工程高面板砂砾石（堆石）坝各料区压实指标、面板混凝土性能指标、边坡安全系数等多取规范规定的上限值，基础结构措施有所突破。为满足工程抗震要求，坝顶宽度、下游平均坝坡、坝体较高部位抗震安全防护等均有所加强和提高。

（2）高坝设计与建设首先应避免在较低部位发生面板挤压破坏而导致的有害渗漏；其次是防止中坝段集中变形区发生严重挤压破坏而导致难以恢复其防渗功能；阿尔塔什水利枢纽工程高面板坝已有针对性采取填筑料变形控制、施工环节质量控制、改善面板及其周边缝结构构造措施及配置较有效的放空设施等。

（3）根据多年设计、施工、建设管理经验积累，目前我国面板坝设计技术和坝体施工质量控制已具备建设更高级别混凝土面板砂砾石（堆石）坝的技术条件。近期修建的高面板坝的硬岩堆石和砂砾石的压缩模量均可超120MPa，施工采用的重型振动碾吨位、碾压遍数、体积加水量等措施已处在较高水平；再行提高坝体压缩模量，需进一步改善级配和减小孔隙率，或采用更薄的层厚以进一步增加压实功能。目前，阿尔塔什水利枢纽工程全断面填筑砂砾石区的相对密度基本一致，压缩模量相差不大，大坝运行期变形量基本可控。

（4）阿尔塔什水利枢纽工程建设周期较长，建设难度较大。基于目前对工程建设关键技术的认识，实施过程中存在的问题在所难免。应进一步加强全过程施工质量控制，加强现场监测与检验，加强工程应用科研试验研究，重视工程应用技术发展与创新。

参考文献

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[2] 水电水利规划设计总院.2010年论文集 土石坝技术.北京：中国电力出版社，2010.

[3] 水电水利规划设计总院.2011年论文集 土石坝技术.北京：中国电力出版社，2011.

[4] 关志诚.砂砾石坝建设进展.中国水利，2012，6.

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[6] 国际大坝委员会.混凝土面板堆石坝设计与施工概念.王兴会，胡苏萍，译.北京：中国水利水电出版社，2010.