堆石坝筑坝施工技术研究

何小雄

（中国水电建设集团十五工程局有限公司）

摘　要：本文简要回顾了堆石坝的发展历程，介绍了堆石坝填筑施工的关键技术及技术创新成果，包括提高坝体压实质量、连续均衡填筑施工、填筑质量控制新技术、上游垫层料固坡新技术、面板混凝土防裂新技术、坝料开采新技术、缺陷修复技术、坝基深厚覆盖层处理技术等，同时提出了未来堆石面板坝需要研究解决的关键技术问题。

关键词：面板堆石坝；施工技术；研究

1　概述

1.1　堆石坝发展历程

初期建设阶段（1950—1970年）：20世纪50年代，中国先后修建了一批土坝，坝高一般都在50m以下，坝型绝大多数为均质土坝或土质心墙砂砾坝，地基处理主要采用黏土截水槽或上游铺盖方案，基本上依靠人力配合少量轻型机械施工。进入1958年，各地建坝数量直线上升。同一时期柱列式混凝土防渗墙技术、槽段式混凝土防渗墙技术陆续成功使用，这对土石坝深厚砂砾层地基防渗处理是一大突破。进入70年代，土石坝施工技术进步明显：挖掘机开采、汽车运输在坝料填筑中逐渐占据主导地位，振动碾压逐步进入堆石料碾压领域。

这一段时期有代表性的碾压土石坝是松涛水库均质土坝（坝高80.1m）、岳城水库均质土坝（坝高53m）、毛家村水库心墙砂砾坝（坝高82.5m）、密云水库白河斜墙坝（坝高66m）、碧口水库心墙坝（坝高101.8m）等。定向爆破堆石坝的代表是南水水库供水工程，坝高80.2m；石砭峪水库工程，坝高82.5m；已衣水库工程，坝高90m。这一段时间也修建了一些抛填堆石坝，如猫跳河水电站二级混凝土面板堆石坝，坝高47.8m，1966年建成。

新时期发展阶段（1980—1990年）：新时期土石坝施工技术的发展以重型土石方机械及振动碾等大型施工设备的成功实践为主要标志，使土质心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝成为现代高土石坝的两种主导坝型。用振动碾薄层碾压可以得到密实而变形较小的堆石体，解决了混凝土面板堆石坝因抛填堆石的大量变形而导致的面板断裂、接缝张开和大量渗漏的问题，从而使这种坝型重新兴起。同时，振动压实可使爆破开采的堆石料全部上坝，也使大粒径的砂砾（卵）石填筑大坝成为可能，对软岩料也可用提高压实密度的方法弥补岩块强度的不足。振动凸块碾、平板振动器等压实工具也逐步得到应用，不断拓宽着适用防渗料的范围。振动碾的使用提高了土石坝的安全性、经济性和适用性。坝料无轨运输的优越性和高效率使机车运输坝料的有轨运输方式逐渐消失。

这一段时期的代表性工程有石头河水库土石坝（坝高114m）、鲁布革水电站风化料心墙坝（坝高104m）、小浪底水利枢纽斜心墙堆石坝（高154m）等。

1.2　高堆石坝建设阶段

进入21世纪以来，我国的土石坝建设成就举世瞩目。一批高土石坝、超高土石坝的相继建成和动工修建，标志着我国的土石坝施工技术已经进入世界先进水平的行列。截至2018年竣工和在建的150m以上的高土石坝共21座（我国已建在建150m高度以上混凝土面板堆石坝见表1）。

高堆石坝施工所使用的运输车吨位和挖掘机、装载机斗容随填筑规模而增大，碾压设备大都采用了较大激振力的重型振动碾，冲击式压实设备开始应用。施工设备的配套选用更加科学规范。坝料使用规划、坝体填筑分区以及坝料加工技术水平有了明显的提高。测试手段和观测设备的埋设技术都有同步发展。混凝土面板堆石坝上游填筑护坡技术不断改进，陆续出现了几种不同的固坡形式。面板混凝土防裂研究不断深入并取得良好效果。施工面板前对坝体的沉降把握趋于理性。由于施工技术的进步，土石坝施工期的水流控制手段、深覆盖层地基处理水平都达到了一个新的高度。

2　堆石坝施工技术研究

（1）坝体填筑施工的技术研究。

1）优选重型碾压设备，坝体压实质量逐步提高。近年来修建的100～200m级高混凝土面板坝，由于采用了大质量碾磙且激振力较高的振动碾以及相关配套措施，压实孔隙率已普遍优于20世纪末期发布的面板坝设计规范中建议的填筑标准。其中200m级几座高坝都控制在20%以内，在天生桥水电站（坝高178m）的基础上降低了2%。

苗家坝水电站，针对抗压强度大于210MPa的硬岩，研究采用了32t重型碾的压实技术，应用效果良好，实测干密度大于2.22t/m3。

董箐水电站（坝高149.5m），通过现场实验，在坝体上部55m范围内研究采用了冲碾碾压技术，堆积体总量200万m3，效果良好。

2）连续均衡进行坝体填筑施工。坝体全断面连续均衡上升，有利于减少坝体各部分之间的不均匀变形，提高坝体抗变形能力。随着高坝建设经验的不断积累，这一方面的认识日趋统一。

公伯峡水电站混凝土面板堆石积坝高132m，共计完成各种坝料填筑450万m3。平均填筑强度30.05万m3/月，最大填筑强度52.4万m3/月。坝体填筑施工由于采取了由上游向下游平起连续填筑的流水作业，以及对利用料存渣场的强化管理，采用新的质量检测方法，长面板一次施工等措施，实现了坝体均衡压实，协调变形的良好效果。施工期总沉降小于0.5%。该项目也是我国高原寒冷地区混凝土面板堆石坝建设的一个成功范例。

3）土石方调配动态平衡系统的开发和应用。优化的土石方调配方案不仅有利于降低施工成本、加快施工进度，还可以通过提高土石方的直接上坝率、减少弃料和料场开挖量等途径，也有利于保护生态环境。在以往的土石方调配实践中，多是凭借管理者经验进行规划和管理，存在一些考虑不周而影响工程进度和成本的现象，难以达到优化调配的效果。

水布垭水电站施工中开发了土石方优化调配与管理系统。通过在工程实践中的应用，实现了土石方调配的优化施工，保证了高强度、均衡的坝体填筑施工，最终实现了工程进度、质量、施工成本、环境保护等目标较为理想的效果。其中表现之一是，开挖料中的有用料几乎100%用于上坝，直接上坝率达到86.23%。

溧阳抽水蓄能电站开发了混凝土面板堆石坝施工动态仿真系统。该系统能够真实地反映坝体施工过程，具有土石方动态调配、填筑模拟计算、机械配置优化、结果统计分析、填筑面貌动态显示、三维动画显示等多种功能。

4）坝体填筑质量控制采用新的技术手段。附加质量法（又称激振波测量法），是检测堆石体密度是一种快速、无损检测新方法，能适用于不同粒径组成的堆石体。该方法在小浪底水利枢纽壤土斜墙堆石坝、洪家渡水电站面板堆石坝、水布垭水电站面板堆石坝、糯扎渡水电站心墙堆石坝等工程中运用的结果表明，测试精度能够满足堆石体密度检测工作需要，并能做到单元工程的全过程控制。

GPS实时过程监控系统，对碾压机械行走轨迹及行进速度进行监控，实现坝体填筑碾压实时、连续和自动控制，良好的可视化界面，在减少现场施工和监理人员工作量、提高施工效率的同时，有效地保障了坝体填筑质量。水布垭面板坝、糯扎渡心墙坝等工程采用了这一监控系统。

全质量检测法（又称压实变形检测法）在洪家渡、泰安等水电站工程中用于填筑质量检测，效果不错。这是一种在坝料碾压后，按方格网测量节点部位的压实沉降量（取平均值），与事先试验率定数据对比，以检测碾压质量的方法。

K50法（K30）又称小型荷载板检测方法，它是一种检测土石料填筑质量的新方法，在公伯峡、湖北潘口等水电站工程中用于填筑质量检测，效果良好。K30、K50值是采用圆形钢板进行小型荷载试验得到的地基系数值。在坝料的碾压试验时，对不同的坝料分别进行干密度和K30、K50试验，经过对试验结果的统计分析，确定出满足设计密度（或压实度、孔隙率）等要求的K30、K50值，最终确定该种坝料填筑时的压实控制指标。

5）对坝体施工分期分区的认识明显提高。施工实践表明，坝体分期填筑其高差不宜过大，过大的高差不利于坝体的协调变形。为此按《混凝土面板堆石坝施工规范》（DL/T 5128—2009）的要求，坝体堆石区纵、横向分期填筑高差不宜大于40m。公伯峡水电站混凝土面板堆石坝等工程采取多种措施，实现了坝体全断面均衡上升的平起施工，水布垭水电站混凝土面板堆石坝分区最大高差为32m，洪家渡水电站混凝土面板堆石坝最大高差小于40m，三板溪水电站混凝土面板堆石坝经反复论证后，采用分区填筑高差最大为45m。水布垭坝采用先行填筑下游区的施工安排，这有利于提高坝体的抗变形能力。总之，填筑施工应尽量平起连续，可以后高前低。

有数座高于150m的高坝，在综合协调度汛、关键工期节点等因素前提下，采取相应措施，将坝体分期填筑高差尽量控制在较小幅度（30m左右）。面板分期施工时，先期施工的面板顶部填筑应有一定超高，这可减少后期坝体沉降对面板的不利影响。这一超高一般工程都控制在10m以上。对于超高坝，面板的顶部高程应低于填筑面20m以上。

6）混凝土面板堆石坝垫层料上游面固坡技术创新多、推广快。我国在面板堆石坝建设开初的一二十年里，垫层料上游坡面的固坡施工基本上采用的是削坡法，鉴于削坡法施工比较繁琐，加之雨季施工时，坡面会被流水冲蚀等原因，垫层料固坡希冀寻求更为经济、安全的施工方法。经过论证，公伯峡水电站工程在借鉴巴西筑坝经验的基础上，于2002年用自己研制的挤压边墙机实现了混凝土边墙固坡方法的施工。挤压式边墙施工法以其能够保证垫层料的压实质量和提高坝面的防护能力，以及施工简便等特点，很快得到了广泛认可，并迅速得到推广。截至目前，国内外已有近百座混凝土面板堆石坝采用了这项施工技术，水布垭水电站超高坝也在其中。

翻模固坡施工技术是采用带楔形板的翻升模板，锚固在垫层料中，垫层料初碾后，拔出楔形板，灌注薄层砂浆，再进行终碾，实现垫层料填筑与固坡一次成型，完成后即具备度汛挡水条件。该技术在吉林双沟混凝土面板堆石坝（坝高110m）成功应用。

移动边墙固坡技术是在我局新疆察汗乌苏面板坝（坝高110m）施工中首次研发并成功应用。施工时先将预制的混凝土移动边墙安置就位，在其内侧摊铺垫层料，碾压合格后进行第二层边墙的安置和垫层料填筑；边墙只安置三层，第四层边墙则是拆除吊装第一层墙体安设。随后采用反铲辅以人工削除三角多余体垫层料和进行坡面整理，坡面砂浆固坡视坝体上升速度协调施工。

（2）面板混凝土防裂技术研究。

1）面板施工时坝体预沉降期的选择更加理性。《混凝土面板堆石坝施工规范》（DL/T 5128—2009）提出：坝体预沉降期宜为3～6个月，面板分期施工时，其上部填筑应有一定超高，这是对面板坝施工经验教训的总结。

当前，对于预沉降期的控制还有几种不同做法作为辅助控制手段（双控制）：一是按面板顶部处坝体沉降速率3～5mm/月控制；二是在对应坝体主沉降压缩变形完成以后（由沉降过程线可知），安排面板混凝土施工；三板溪水电站工程设计要求5个月的预沉降期，实际施工中的预沉降期达到6～7个月，并以浇筑前面板顶部处坝体沉降速率小于5mm/月这两项指标进行控制。公伯峡坝面板开始施工时，预沉降期4个多月，且坝体处于次沉降压缩变形期。

2）提高混凝土质量的技术手段增多。对于面板混凝土的温度和干缩裂缝的控制，许多工程都在优化采用高效减水剂、引气剂、减缩剂、增密剂等外加剂外，还掺加聚丙烯类纤维或钢纤维、添加粉煤灰、硅粉等改性措施以改善混凝土的性能，混凝土配合比的设计水平不断有所提高，混凝土面板裂缝趋于减少，尤其是在严寒地区效果更为明显。

在积石峡水电站混凝土面板施工时，通过优选能提高混凝土极限拉伸值的外加剂、掺增密剂，优化配合比等措施，将混凝土机口坍落度控制在2～4cm，并采用多种方式缩短混凝土的入仓时间，养护时采用温水养护，大大地减少混凝土收缩和干缩裂缝。面板裂缝共计71条，其中大于0.2mm的裂缝仅4条。

（3）因地制宜制定河道水流控制方案。进入21世纪以来修建的高坝，相当重视坝体施工中对河道水流的控制，各个项目都能根据环境和自身条件采取适宜的水流控制度汛方式，以期取得最优的技术经济效果。

公伯峡水电站工程充分利用上游水库协助调蓄洪水的条件，经两个水库联调等分析研究，对度汛洪水流量进行了调整，为全年高围堰度汛创造了条件，实现了基坑的全年施工，为坝体全断面平起、连续、快速施工奠定了基础，坝体变形较为均衡。积石峡水电站混凝土面板堆石坝（高101m）基于同样的条件采取了全年高围堰度汛的方式。吉林台水电站混凝土面板堆石坝（高157m）也采用了“围堰全年挡水，导流洞过水”的方式，上下游围堰均为土石不过水围堰，上游围堰最大高度33m。苗家坝面板堆石坝，2008年实施截流，采用围堰全年挡水度汛方式进行基坑施工和坝体填筑，围堰高度28m。“导流洞过流、断流围堰、争取基坑全年施工”的度汛方式是21世纪以来，我国高土石坝建设的一个新特点。

（4）开采堆石坝料采用洞室爆破技术取得进步。通过专题试验研究和许多工程实践表明，在地形、地质和安全条件允许的情况下，采用洞室爆破也可获得合格的坝料。10余年来，在精心设计和施工试验的前提下，许多高、中土石坝采用洞室爆破方式开采堆石坝料取得了较好的技术经济效果，如甘肃西流水、湖北鹤峰、云南林口、新疆恰甫其海、浙江珊溪、福建芹山、陕西涧峪、湖北陡岭子等水电站土石坝工程。

计算机模拟爆破试验方法已开始应用，洪家渡等水电站工程有益的探索和实践。

（5）混凝土面板坝重视实施有效的反渗排水。我国面板坝施工中曾出现过多次因下游水位高于上游水位而导致的反向渗水破坏垫层、固坡层甚至混凝土面板的事故，反渗问题的预防和处理引起了各方面的普遍重视。经过多年来的不断实践和经验总结，解决这一问题的方法已经成熟，有关要求也亦纳入相关规范中。消除反向水压的有效措施是在坝内设置自由或强制排水系统。强制排水系统排水能力应满足设计要求并确保正常运行，只有当上游铺盖填筑高程超过坝内最高反向水位时，排水设施方可封堵。

天生桥水电站混凝土面板堆石坝采用2m×2m钢筋笼反渗水压力井，经连通的钢管向上游自由排水，必要时结合井内抽排；洪家渡水电站混凝土面板堆石坝采用直径150mm花钢管外包纱网，埋设至ⅢB料区自由排水，取消了集水井，两者均取得了良好效果。

（6）高原高寒干旱条件下堆石坝快速施工技术取得突破。我国西部、北部多座沥青混凝土堆石坝和高混凝土面板堆石坝、土心墙堆石坝的建成和开工建设，为高原高寒区土石坝的快速施工进行了有益的实践，施工过程中还对施工人员的负面影响和设备效率的不利影响进行了研究分析，积累了丰富的高原高寒区施工经验。

（7）混凝土面板缺陷修复技术。面板混凝土裂缝的修复，根据裂缝的性质和规模一般采用下列三种方法处理：宽度小于0.2mm的裂缝可在缝表面涂水泥色聚脲弹性体防水涂料；宽度大于0.2mm的裂缝可采用水溶性聚氨酯化学灌浆，弹性环氧砂浆嵌槽处理；其他类型的裂缝采用复合密封止水板及三元乙丙复合板做表面粘贴封闭处理。

株树桥水库1992年竣工，是我国第一批混凝土面板堆石坝型的项目之一，水库运行后，大坝渗漏量较大。采用的修复方案是：对于周边缝的表面止水采用能适应较大变形的表面金属弧形止水；对面板与堆石体之间已有脱空现象，采用长斜孔水下斜孔灌浆，从坝顶往下在面板下面打几十米孔，最长到100m，再灌水下柔性混凝土，辅助防渗。检测表明，灌注效果良好，达到了充填面板脱空部位和垫层料加密的要求。

三板溪水电站混凝土面板堆石坝坝高185.5m，水库蓄水后发现渗漏量增大，通过检测确认位于一期、二期面板水平分缝处发生挤压破损。采用的修复处理方案为：对连续12块一期、二期施工缝有损坏的面板，对其表层翘起和剥落的混凝土凿除，并对凿除后的混凝土进行修整平直，然后采用强度等级为C35、黏结剂的附着力为1～2级、水下黏结强度大于2.5MPa的PBM混凝土进行水下填补修复，回填混凝土表面布置一层双向ϕ4@100钢筋网，保护层厚度为3cm。采用上述方法修复后，大坝渗流量明显减小。

（8）深覆盖层处理技术不断步上新台阶。用混凝土防渗墙、帷幕灌浆等手段进行一般深度覆盖层的防渗处理，我国已有多年的经验积累，20世纪90年代以后，高坝深覆盖层处理技术水平快速提高，包括灌浆自动记录仪和GIN法控制技术，新型防渗墙用混凝土配比研制、冲击反循环钻机研制，防渗墙快速施工工艺研究及液压双轮铣的引进消化研制等。防渗墙的施工方法已由单一的钢绳冲击钻机发展为冲击反循环钻机、抓斗、液压铣槽机，创造了钻—抓、铣—抓、铣—抓—钻等新的施工方法。攻克了墙段连接拔管法的技术难关，最大拔管深度突破了100m，我国的混凝土防渗墙施工技术已达到国际领先水平。

1）混凝土面板堆石坝深覆盖层基础面处理的主要方法。基础换填法：主要处理工艺方法如下：用挖掘机将覆盖层清除至较为结实砂砾石层（通过原位坑挖坑试验确定开挖深度，干密度指标要求大于等于设计值），然后在表面铺设一层过渡料，将基础面找平，再用25t以上重型振动碾碾压密实（碾压6～8遍），碾压完后检测覆盖层的干密度。达到指标要求后，在面上先分层填筑厚度垫层料，再填筑过度料，最后填筑主次堆石料。

强夯法：用挖掘机将覆盖层清除至较为密实的砂砾石层（通过原位坑挖坑试验确定开挖深度，干密度指标要求不小于设计值），然后在表面铺设一层过渡料，将基础面找平，再采用强夯机对基础面进行夯实处理，强夯处理完成后，挖坑检测地基层的干密度指标。达到设计指标要求后，先将表面用推土机整平，再用25t自行式振动碾碾压6～8遍。表面处理完成，并达到指标要求后，在面上先分层填筑垫层料，再填筑过渡料，最后填筑主堆石料、过渡料和垫层料。

2）防渗墙的施工。防渗墙施工时段应保证与基础处理、坝体填筑相协同。当坝体填筑后，随着坝体的升高，对河床覆盖层产生压力，势必导致河床覆盖层的变形，覆盖层变形后，必然对趾板、连接板、防渗墙产生一个附加荷载，导致趾板、连接板、防渗墙的变形，如果处理不当，可能会对防渗墙产生破坏，从而导致坝体在河床部出现漏水的情况，严重影响到大坝的整体安全。因此，在施工过程中，必须认真合理的安排好坝体填筑与趾板、防渗墙、连接板的施工时间，确保防渗体的安全。

3）局部无坚实基础倒坡的填筑处理方法及对坝体沉降的影响。以九甸峡水电站为例，九甸峡水电站大坝两岸坡非常陡峭，左岸坝坡设计开挖坡比为1∶0.1，趾板后坡坡比为1∶0.3，右岸坝坡设计开挖坡比为1∶0.2，趾板后坡坡比为1∶0.3～1∶0.5。高程2120.00m以下两岸坡基本呈直立状，局部为倒坡；由于九甸峡水电站大坝是建在覆盖层上的，因此，建基面以上的倒坡是没有坚实基础的，不能采用浆砌块石或补浇混凝土进行倒坡处理，同时，由于边坡极高也不能采用削坡方式进行处理。

根据设计要求，九甸峡水电站大坝局部无坚实基础的倒坡采用低压缩料进行回填：在倒坡下采用低压缩料分层填筑碾压密实，在外侧形成顺坡后进行其他堆石体的填筑。建基面处理基本采用机械结合人工施工，先将表面清理整平，然后采用25t振动碾或小型振动碾将建基面碾压密实。机械不能进入的地方则采用人工夯实。坡面处理全部采用人工，将坡面上的坡积物、松动的石块等全部清理撬挖干净，达到设计要求为止。

3　未来堆石面板坝要研究解决的关键问题

（1）废弃料利用。随着高混凝土面板堆石坝的发展，对填筑坝料的要求越来越高，相应弃料增多，破坏环境，容易形成泥石流，且增加工程成本。积石峡水电站混凝土面板堆石坝坝体填筑几乎全部采用利用料填筑，效果良好。混凝土面板堆石坝在确保大坝变形要求的前提下，通过改善大坝分区、提高压实要求、加大断面等形式，尽量使开挖弃料得到合理利用，已降低成本，保护环境，达到节能减排的目的。

（2）降低混凝土面板费用。混凝土面板作为面板堆石坝防渗体，为了使其达到防渗要求，在大坝压实标准要求、混凝土防裂、混凝土养护、变形缝止水、表面止水等方面费用较大，每平方米面板费用千元以上。尽管如此，大坝工后沉降引起的裂缝不可避免，导致大坝渗水量加大。可研究采用一种柔性材料作为防渗材料，和混凝土面板联合形成面板防渗体，混凝土面板仅作为护坡作用，对防裂要求降低。有可能降低混凝土面板费用，且提高防渗效果。

（3）数字化施工技术推广应用。该项技术通过在施工过程中配备综合检测系统、机载计算机报告系统、基于数字绘图的全球定位系统以及选择性反馈控制系统等设备，来实现对堆石坝过程质量状况实时监控，同时，还能通过对综合检测系统、记录的数据文档、控制系统所反映出的结果进行整合分析，及时合理的对施工工艺进行调整。数字化施工系统目前主要选用GPS技术实现对施工机械的引导和控制。该项技术已在水布垭水电站、瀑布沟水电站、糯扎渡水电站、长河坝水电站、两河口水电站、黔江水利枢纽、奴尔水利枢纽等工程取得了很好成果，随着我国水利水电工程的发展，该项技术具有很好的推广价值。