浅议中国面板堆石坝发展与展望

摘要： 本文对中国的混凝土面板堆石坝的发展历程进行回顾和总结，回顾我国面板堆石坝取得的进展，总结我国面板堆石坝的一些经验，并就我国堆石坝的发展与应用做出展望。

Abstract: In this paper, we reviewed and concluded the development history of China's Concrete Faced Rockfill Dam(CFRD), looked back to the progress of CFRD in China, summed up experience from the programmes of CFRD, and then made outlook of the development and application of CFRD in China.

关键词： 混凝土面板堆石坝；数值分析；水利工程施工；发展与展望

Key words: concrete faced rockfill dam；numerical analysis；hydraulic engineering construction；development and prospect

中图分类号：TV641.4+3 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）22-0096-01

1混凝土面板堆石坝的发展

混凝土面板堆石坝（CFRD，或简称面板堆石坝）是以碾压堆石体（含垫层区、过渡层区、主堆石体和次堆石体）为支承结构，并在其上游表面设置混凝土面板（含面板下的趾板和灌浆帷幕）为防渗结构的堆石坝。这种坝型与一般土坝相比，具有抗滑、抗渗稳定性好，施工方便，坝体经济等特点，因而是一种极具竞争力的坝型。

混凝土面板堆石坝的问世要追溯至19世纪中叶修建与美国加利福尼亚州金矿地区，它的发展经历了三个阶段：第一阶段（1850-1940年），为抛填石阶段，这个时段坝高未超过60米；第二阶段（1940-1965年），是抛填石向碾压堆石的过渡阶段，由于抛填堆石的变形很大，导致混凝土面板裂缝和大量漏水，因此，面板堆石坝的发展没有得到更多推广普及；第三阶段（1965年以后至今），主要是以碾压堆石为特征，将大型振动碾运用于坝体堆石体碾压，从而大幅降低了坝体的变形，防止了面板破坏形成渗漏的破坏。

2我国混凝土面板堆石坝的发展

我国最早的抛填式混凝土面板堆石坝是1966年建成猫跳河二级百花水电站大坝，高48.7m，系抛填堆石，坝轴线上游有干砌石垫层，上游坡1：0.6，混凝土面板支撑在埋入基岩的混凝土基座上。由于抛填堆石的变形很大，导致混凝土面板裂缝和大量漏水，因此这种坝型没有得到发展。1985年开始，我国开始建设现代碾压式混凝土面板堆石坝。最早开工建设的是西北口水库大坝，坝高95m，而最早建成的是关门山水库大坝，高58.5m，1988年建成。随后，我国的面板堆石坝得到了快速发展。其中代表性的有成屏一级（高74.6m），洪家渡（高182.3m）、乌鲁瓦提（高135m）、紫坪铺（高159m）,天生桥一级（178m）和水布垭等（233m），其中水布娅是世界上最高的面板堆石坝。

本文总结了几点我国混凝土面板堆石坝的明显进步：

2.1 坝体材料的合理分区早期经验认为下游堆石的变形对面板性状没有影响，因而在坝体材料的分区上，凭经验，做出分区。这是不正确的，下游堆石弹性模量较低，变形较大，进而与下游堆石间的大量不均匀变形将在面板内形成较大的拉应力，成为引起面板裂缝的重要因素之一。并且，坝体材料的合理分区将有利于施工的合理、投资的经济。因而现在将通过应力应变分析方法，对坝体材料的分区合理性进行分析，有利于坝体的应力应变。

2.2 数值分析方法的进步面板堆石坝数值计算分析相对较为简单，初期主要以线弹性分析和平面分析为主，但是堆石体在高应力下体现出明显的非线性、压硬性、剪涨性以及应力引起的各向异性。对于此坝型采用线性分析方法是不合适的。早先在我国推广采用的是非线性模型，这以邓肯―张为代表，邓肯―张有两个问题：一是计算所得的坝体水平位移很大；二是计算所得的面板拉应力区域和拉应力值明显偏大。因而邓肯―张得到更广发应用，并且积累了相当大资料经验。但邓肯―张模型不能体现堆石体的剪涨性、各向异性，因而沈珠江院士根据邓肯和剑桥模型的特点推出了双屈服模型，这是岩土方面的重大进步。

2.3 施工方面大型振动碾的使用使得坝体的沉降明显减小，改善了坝体的应力应变；挤压变强施工技术的使用，使得接缝处施工大为改善，并保证了面板的防渗性能。

3经验与教训

面板堆石坝在中国的发展历程也给我一定的教训，最典型是以下几种事件：

1993年8月7号，沟后水库砂砾石面板堆石坝发生溃决，这是国际坝工史上首次同类型坝的溃决，其破坏机理受到广泛关注。目前，认为事故破坏前坝体上部已形成溃决口口门，上部坝体已被面板和上流高挡墙的渗透水所饱和，丧失渗透稳定性。

株树桥面板堆石坝面板的塌陷以及天生桥面板堆石坝的大量结构性裂缝提示我们绝不能对混凝土面板堆石坝的应力应变掉以轻心。给我们有这样几点启示：①要进一步加强混凝土面板堆石坝溃决机理的研究，在此沟后面板坝溃决之前，这块研究几乎是空白，而现在这个方面并没有突破性进展地研究。②坝体材料要合理的分区，坝体材料分区的合理直接影响坝体的应力应变。③采用分层碾压填筑，提高填方的压实密度，减小不均匀沉降。④加强反渗问题的研究，根据堆石体的分区,每一区的级配及渗透性都是从上游向下游渐增的，这对于控制由上游向下游的渗流是很有效的,但不能防止自下游向上游的渗水压力破坏垫层料及上游保护层，甚至破坏已浇筑的混凝土面板。

4展望

4.1 由于堆石体材料本身力学特性的复杂性，堆石体的应力应变关系很难准确确定。进一步加快堆石体材料模型研究，对于提高计算精度有很大意义。

4.2 目前，动静力分析面板大多采用线弹性模型，然而，混凝土材料在复杂应力状态下的应力应变关系不是直线性关系，在抗压强度的30%～50%范围内，其应力应变关系才可视为直线，合理的体现出这一性质值得研究。此外，面板与堆石体之间的接触单元，还有待研究。

4.3 可以预测，建立在覆盖层上的混凝土面板砂砾石堆石坝在今后将会得到快速发展，因此，面板堆石坝在抗震、泄洪、止水结构和材料、严寒和干旱大风地区的面板防裂等方面都有一些高难度的课题有待于深入研究，以期取得更好的发展。

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