混凝土面板堆石坝的发展现状及发展趋势浅议

摘要：混凝土面板堆石坝是以堆石为受力主体，上游混凝土面板为防渗主体的一种堆石坝，常简称为“面板堆石坝”或“面板坝”。现代混凝土面板堆石坝具有断面小、安全性能好、对地基要求低、可简化导流、施工方便、工期短、受气候影响较小、造价低等诸多优点。日益受到坝工界的重视，并成为有较强竞争力的坝型。

关键词：面板 堆石坝 发展

中图分类号： TV641 文献标识码： A 文章编号：

1.1混凝土面板堆石坝的发展

混凝土面板堆石坝的发展大致经历了三个阶段：①早期(1870～1940年)抛填堆石阶段；②过渡期(1940～1970年)由抛填堆石向碾压堆石发展；③现代阶段(1970年后)以薄层碾压堆石为主要特征，同时在坝体结构及施工技术上有很大的改进，并向高坝发展【1～2】。

堆石坝是在1870～1900年间于美国加利福尼亚发展起来的。在加利福尼亚塞拉山的淘金矿山上需要蓄水以备淘金使用，而当地适合于筑坝的材料是岩石和树木，从而促使抛填堆石坝的兴起。塞拉山上第一座坝为木面板抛填堆石坝，后来逐渐过渡到采用混凝土作防渗面板，并于1895年在加利福尼亚修建了第一座采用混凝土面板的堆石坝【3】，到1900年后，混凝土面板坝基本上成为一种典型的堆石坝。因当时堆石的施工方法均采用抛石填筑，辅以高压水枪充实的简单压实工艺，堆石体的密实度很差，变形模量较低，因而沉降量和水平位移均较大。

二十世纪40年代，随着筑坝高度的增加，刚性混凝土面板不能适应抛填堆石体的大变形而开裂，导致较大渗漏量的问题日益严重，因此，混凝土面板堆石坝未能推广普及。设计者把研究和实践的重点转移到以土料作防渗体的堆石坝上来。土料具有很好的柔性，能适应堆石的变形。1958年建成的Quoich坝，采用振动碾振动压实的方式填筑，其后观测到的施工期最大沉降仅1.9cm，表现出良好的性态。

进入二十世纪60年代，随着大型土石方施工机械，尤其是大型振动碾的出现，面板堆石坝出现了转机。1960年著名土力学家太沙基提出采用碾压堆石修筑面板坝的构想。他认为，碾压堆石变形很小，可以改善面板堆石坝混凝土面板的工作状况，因而可以建更高的面板坝，堆石体也可以使用较软弱的岩石。从此，面板堆石坝堆石体的填筑施工，均采用薄层碾压的施工方法，至1965年，基本完成了由抛填堆石向碾压堆石的过渡【4～5】。由于具有如上所述的技术和经济上的优越性，在此后的数十年里，混凝土面板堆石坝在全世界范围内得到了广泛的应用，相应的设计理论和施工技术也得到了不断的发展和完善。

现代面板坝的发展呈现了以下几个方面的特点：①堆石体采用振动碾薄层碾压填筑，从而提高了坝体的密实度，减小了变形。并使现场开挖料和料场开采石料、爆破料、砂砾石料均可上坝。②面板垫层及其材料的粒径、级配优选，碾压技术得到很好的研究，为面板提供良好的支撑。③混凝土面板的厚度趋于减薄，一般采用d=0.3+0.003H（H为坝高，单位为m)。④重视面板接缝和周边接缝的止水结构的设计改进，使接缝能适应较大变形而不漏水。⑤用混凝土趾板作为面板的基座，以平面趾板锚固于岩基，其下进行固结灌浆和帷幕灌浆，使坝顶防浪墙、面板、趾板、灌浆帷幕组成完整、有效的防渗体系。⑥设计工作仍以经验性为主，加强了试验研究和原型观测。⑦对特殊自然条件如寒冷地区、覆盖层基础等进行研究，取得了这些条件下建造面板坝的经验。

1.2混凝土面板堆石坝的研究现状

随着混凝土面板堆石坝的发展和坝工界认识的不断提高，该坝型的设计也在逐步走向成熟，特别是在世界上己建成了几座较高面板堆石坝，如澳大利亚的Cethana坝、巴西的Foz do Areia坝和哥伦比亚的Alto Anchicaya坝等，且运行情况良好，曾使人们对面板堆石坝的认识和设计水平的提高起过重要的作用，也积累了一定的工程经验。但也有该坝型溃坝和严重破坏，不能正常运行的沉重教训。如哥伦比亚的格里拉斯面板坝，由于周边缝止水结构的严重破坏，水库不能正常运行，迫使放空库水进行修补；我国西北口坝的面板严重开裂；沟后砂砾石面板坝溃坝等。

a 试验研究

坝料的试验研究主要是对其变形特性的研究，即在满足坝体各部位及整体安全的基础上充分利用各种堆石坝料，并对坝体剖面进行合理分区，降低工程造价与投资。试验大体上包括压缩试验、三轴试验等。如Marsal R.J对堆石坝在平面应变条件下的变形特性进行了试验研究。Charles J.A和张启岳等人分别进行堆石三轴试验均得出了堆石的强度包线不符合摩尔一库仑破坏准则的结论。另外，近年来离心模型试验开始用于研究面板坝的工作性状，分析这种坝的稳定性，观测堆石体和面板蓄水前后的变形特征等。

b 稳定分析

实践表明堆石体具有较高的强度，可以维持较陡的边坡，粗颗粒形成的骨架能很好地保持其渗透稳定性。且水压力作用于上游坝坡，由于坝体自重及面板上的水重所产生的抗滑力远大于水平推力，所以一般不存在整体滑动问题。己建面板堆石坝工程尚无整体失稳的事例。因此在我国《混凝土面板堆石坝设计规范（SL228-98）》中规定，坝坡参照已建工程选取，一般可不进行稳定分析。当存在下列情况之一时，必须进行相应的稳定分析：①坝基存在软弱夹层或坝基砂砾石层中存在细砂层、粉砂层或粘性土夹层+；②坝址位于地震设计烈度为8度、9度的坝；③施工期堆石坝体过水或堆石坝体用垫层挡水度汛、且挡水水头较高时④坝体内有软岩堆石料填筑；⑤地形条件不利。并规定稳定计算的最小安全系数应符合《碾压式土石坝设计规范（SDJ 218-84）》的规定。

c 应力变形分析

现代面板堆石坝尽管密实度和变形模量较早期面板坝有很大提高，但变形仍是很主要的问题，对高坝及其覆盖层地基上的坝尤为如此，堆石坝体的应力变形等的分析，对指导这类坝的设计具有重要意义。

面板堆石坝的应力变形计算分析对象可分为两类：一类是防渗墙、面板、趾板、挡墙和防浪墙等，都是混凝土结构或钢筋混凝土结构，可以简单的采用线弹性模型来代表；另一类是坝体和覆盖层，它们是堆石、砂砾石、砂卵石等粗粒料，其应力变形特性具有非线性、压硬性、剪缩性和剪胀性等特点，应运用堆石料的本构模型代表。

d 原型观测

原型观测主要用于研究已成工程的运行情况，同时又能为其它工程提供依据，反过来验证理论分析的合理性与可靠性，帮助人们进行更细致的分析。目前，大坝原型观测主要集中在堆石体、面板与周边缝的变形、渗流量及温度变化等方面。