1、混凝土面板堆石壩一一富有競爭力的壩型世界混凝土面板堆石壩的發展歷程混凝土面板堆石壩,是以堆石或礫石為主體材料、上游以 混凝土面板作為防滲體的一種土石壩型。據美國壩工專家介紹，用石料筑壩早在古代已有，但一般認為，堆石壩發源于美國的加利福 尼亞州。堆石壩的發展過程可劃分為三個階段，即1 8 5 01 9 4 0年，以拋填堆石為特征的早期階 段;1 9 4 01 9 65年，從拋填堆石到碾壓堆石的過渡階段;1 9 6 5年以后推廣碾壓堆石的 現代階段。早期階段，在1 9世紀中葉的1 8 7 0年，美國加利福尼亞人在塞拉山上，用拋填堆石加木面 板作防滲，筑起了世界上第一座木面板堆石壩。至U1 9 0

2、0年混凝土面板堆石壩成為一種典型 的堆石壩。在1 9 2 01 9 4 0年間，美國建成了許多3 0米以上的面板堆石壩，而且，壩越 來越高，如19 3 1年建成的鹽泉壩，高達1 0 0米。在這一階段，因采用拋填堆石方式，堆石松散不密實，壩體變形大，混凝土面板出現裂縫嚴 重，導致壩體嚴重滲漏。雖然安全并不成問題，但大量滲漏是人們不希望發生的。因此，在本 世紀4 0年代至5 0年代，出現了一個停滯時期，基本沒有再修建較大的面板堆石壩。19 5 8 年，英國修建的庫契壩，首次引入了振動碾壓實壩體堆石。層厚0.6米，先用1 0噸平碾壓平, 再用3 .5噸振動碾壓實，結果,3 8米高的壩只沉降了1 .

3、9厘米，從而開始了由拋填堆石向碾 壓堆石的過渡。到U1 9 6 5年，則完成了由拋填堆石到碾壓堆石的過渡,這標志著堆石壩開始 進入現代階段。碾壓堆石層厚一般不超過2米，用振動碾壓實，作為壩的主要結構。薄層碾壓堆石壩體密實而較少變形，使混凝土面 板的工作狀況大為改善,從而使這種壩型又重新崛起，日益成為常用的壩型，并向更高的壩 發展。19 7 1年，澳大利亞建成的高1 1 0米的塞沙那壩，奠定了現代混凝土面板堆石壩的技 術基礎。從1 9 8 9年巴西建成的壩高1 6 0米的阿里亞壩,1 9 8 5年哥倫比亞建成的壩高1 4 8 米的薩爾瓦興娜壩，至U1 9 9 3年墨西哥建成的壩高1 8 7米的阿

4、瓜米爾巴壩，迄今世界已建 成眾多高混凝土面板堆石壩，其設計和施工技術也日趨成熟，使其逐步發展成為一種富有競 爭力的新壩型。據1 9 9 8年不完全統計,1 9 6 6年以后建成和在建的碾壓式混凝土面板堆石壩,全世界約有 1 8 0座，其中高于1 0 0米的約有3 0座。目前，混凝土面板堆石壩一個明顯的趨勢是建設重點向發展中國家轉移，而在歐美發達國家 則幾乎沒有進展。中國混凝土面板堆石壩居世界先進水平中國修建堆石壩是2 0世紀5 0年代以后才開始的。如5 0年代修建的四川獅子灘重力拋填堆 石壩，6 0年代修建的貴州貓跳河一級木面板拋填堆石壩，以及廣東南水黏土斜墻定向爆破 堆石壩等工程。直到7 0

5、年代才修建了壩高超過1 00米的云南魯布格和陜西石頭河土質心墻 堆石壩。中國最早的拋填式混凝土面板堆石壩是1 9 6 6年建成的貴州貓跳河二級百花水電站大壩, 壩高4 8.7米，以后陸續修建了南山、三渡溪和浙江羅村水壩,但壩高都沒有超過6 0米，且 大壩基本上是按傳統經驗進行設計的。中國以現代技術修建碾壓式混凝土面板堆石壩是從1 9 8 5年開始的。最早開工建設的是湖 北省西北口水庫大壩，壩高9 5米；而最早建成的是遼寧關門山水庫大壩,壩高5 8.5米，于1 9 8 8年建成。據初步統計，至U2 0 0 0年，中國混凝土面板堆石壩已建成的有5 1座，在建的3 3座，其中，壩 高在1 0 0米以

6、上的有1 9座。已建成的最高壩是天生橋一級水電站大壩,壩高1 7 8米；在建 的最高壩是水布埡水電站大壩，壩高2 3 3米。可以說，混凝土面板堆（礫）石壩幾乎覆蓋了中國的各個區域，北到黑龍江，南到廣東和廣西, 西到新疆和青海，東到浙江和福建，各省都有這種壩型。中國在混凝土面板堆石壩的建設實踐過程中，從引進和消化吸收國際先進技術開始，積累了 豐富的經驗，并結合國內具體情況進行再開發,在技術上有所創新和發展，如在無軌滑模、低 標號碾壓砂漿固坡、封縫塑性填料、面板混凝土配合比、壩體材料的靈活運用等方面都豐 富了原有的知識寶庫。同時，還結合工程實踐進行了大量的科技攻關和重點科研工作，取得 了豐碩成果，

7、并及時轉化為生產力。過去，設計只憑經驗，沒有計算方法，如今通過試驗研究, 不僅有了計算方法，還有了計算程序，施工技術也日趨成熟，分別制定了設計導則和施工規 范，指導和規范面板壩建設的健康發展。目前，不論是量大面廣的中小型工程，還是大型水利 水電樞紐，只要條件合適，都將這種壩型作為主要比較方案，過去那種與混凝土壩相比，土 石壩常處于劣勢地位的狀況已有根本性改變。混凝土面板堆石壩在中國之所以得到如此廣泛和深入的發展短期內在數量、規模和難度方 面都達到當前國際先進水平，除其本身的優越性外，各級行政和技術領導及政府主管部門的 支持和提倡以及各級學術組織和廣大科技人員的努力也是極其重要的因素。“七五”和

8、“八 五”期間，都將混凝土面板壩列入了國家重點科技攻關課題，自然科學基金會也將其列為重 點資助項目，水利部和原電力部也都列了眾多科研課題，組織全國科技力量，結合具體工程, 進行了系統的科研工作，從理論到實踐都取得了相當的進展。中國水力發電工程學會混凝土 面板堆石壩專業委員會等學術團體，團結了一批熱心于研究和推廣面板壩的老專家和科技 人員，組織了一系列學術交流活動，還出版了學術刊物、專著和論文集等，多次舉 辦培訓班，積極傳播面板壩技術知識,對推廣面板壩發揮了積極的促進作用。然而，中國在混凝土面板壩的發展歷程中，也曾有過挫折和教訓。主要的有兩次，即西北口壩 混凝土面板的嚴重裂縫和溝后混凝土面板砂礫

9、石壩的潰決。據壩工專家介紹混凝土面板堆 石壩作為土石壩的一種新壩型，其比較優勢已毋庸置疑，且設計和施工技術也日趨成 熟，但目前，仍存在面板裂縫。嚴重的地基和壩體滲漏、砂礫和堆石作的塌滑等很多問題,有 待今后進一步研究解決。中國混凝土面板壩的成功經驗從事混凝土面板堆石壩試驗研究和技術咨詢2 0多年的中國水科院教授級高工蔣國澄在總 結中國高混凝土面板堆石壩建設時說，中國取得了六個方面的經驗。在混凝土面板裂縫防治 方面。對因溫度、濕度等環境因子變化而引起的混凝土裂縫,通過從優選原材料及配合比、 嚴格控制施工質量、加強新澆混凝土的養護、選擇有利澆筑時間等方面采取措施已基本上 得到控制。對裂縫機理、影響

10、因素的理論分析和應力分析等都得到了可資實用的研究成果。 對結構性裂縫,主要是防止不均勻變形，如能在壩體填筑后一定時間，待堆石體沉降基本穩 定后再澆筑面板，可避免大部分結構性裂縫。在混凝土面板堆石壩的滲流控制方面。強調墊層區第二道防滲線的作用對墊層區的要求更 加嚴格。要求墊層料級配連續，以得到自滲透穩定的墊區，并可對細粒土起反濾作用，滿足接 縫滲水的自愈要求。在砂礫石層上的混凝土面板堆石壩地基處理方面。中國有許多混凝土面板堆石壩坐落在砂礫 石覆蓋層上，其地基處理大致有將覆蓋層全部挖除、趾板開挖后置于基巖上而壩體建基于砂 礫石層上、趾板置于砂礫石層上而用混凝土防滲墻處理地基等三種方式。在接縫止水方

11、面。 結合2 3 3米高的水布埡混凝土面板堆石壩的要求,研究適合于2 0 0米級高壩的止水結構和 材料，對傳統的三道止水有以下改進的思路。一是認為底部銅止水片仍為基本的止水構件,并對銅止水片的體形、尺寸進行了理論分析和 室內模擬試驗，提出了設計計算方法。有的工程還試用過不銹鋼波形止水。二是認為中間塑料（或橡膠）止水帶因能夠承受的水壓力不超過1 0兆帕，對高壩不適應，而 且對面板混凝土澆筑質量有相當影響，而傾向于省去。三是在表面止水方面，研究開發了塑性填料，取得了良好的效果。在導流與度汛方面。根據具體問題,開發了擋水度汛和過水度汛兩種度汛方案。在施工技術的改進方面。一是無軌滑模。改進設計了一套重

12、量較輕、配套配置比較簡單、施 工效率約為有軌滑模的3倍、澆筑靈活、轉移安裝和操作都比較方便的無軌滑模系統。二是墊層上游坡面保護。采用噴混凝土或噴砂漿、噴乳化瀝青、碾壓砂漿等多種措施其中 以人工鋪設低標號碾壓漿技術使用最為普遍。此法施工簡單，不需要專門設備，質量穩定，速 度快，造價低。三是反滲問題。要求存在反向水壓力條件時，壩內設自流排水或抽排系統，消 除反向水壓力對墊層和面板的不利影響，而在填筑上游鋪蓋前封堵，或在上游鋪蓋填筑到一 定高程時封堵。四是壩體填筑質量控制。大壩堆石體填筑質量控制方法采取以控制填筑參數為主、挖坑檢查 干密度為輔的所謂“雙控”措施。現代混凝土面板堆石壩的特點現代混凝土面

13、板堆石壩與傳統的堆石壩相比較,主要特點有以下幾個方面：一、薄層碾壓堆石。在堆石壩施工中引入振動碾，對堆石體進行薄層碾壓，是對傳統厚層拋 填堆石的一大發展。一方面可以得到密實而較少變形的壩體解決早期面板壩因過大變形導 致面板開裂、止水失效而大量漏水的問題；另一方面可以使用料場開采的全部有級配的石料 上壩，而且可以使用軟巖、砂礫石等過去認為不可能使用的材料以提高壓實密度，補償材料質量的不足。薄層振動碾壓拓寬了壩體使用物料的范圍使充分利用開挖料上壩成 為可能。二、滑模澆筑混凝土面板。現代的混凝土面板是豎向分為長條的澆筑塊,用滑模快速澆筑的。 條塊間的接縫除周邊縫以外都不設可壓縮填料，而設置各種類型的

14、止水，條塊間保持硬性接 觸，以免接縫中填料的變形而使周邊縫變形加大。面板水平縫一般視施工需要設置，有時也 可不設。三、級配墊層料。直接位于混凝土面板之下的墊層料從早期的由大塊石砌筑的硬墊層改為均 勻的碎石墊層，再由較粗的級配碎石墊層改變到現代常用的細級配碎石墊層，其功能由單一 的對面板起支承和整平作用，到起第二道防滲線的作用，在面板或接縫萬一漏水時，可限制 入滲量，并能起反濾作用，截留隨滲透水流帶入縫中的泥沙，使縫隙淤塞而自愈。這種演變也 是現代混凝土面板堆石壩的標志之一。四、薄型趾板。現代的薄型趾板被視為地基防滲結構和壩體防滲面板的連接部件而不是一 種受力結構，因此結構大為簡化，既不設嵌固入

15、基巖的齒槽，也不需要設置支承面板的底座， 而只用厚度與面板相當或略厚的薄板,起防滲作用，并兼作灌漿蓋板。這樣對趾板地基的要求 和選擇就有了更多的靈活性。混凝土面板堆石壩的三大優勢混凝土面板堆石壩能在不長的時 期內得到迅速發展，是其本身在技術上和經濟上的優越性決定的。其優勢可歸納為安全性、 經濟性和適應性三個方面。一是安全性。首先它有良好的抗滑穩定性。由于整個堆石體都位于水荷載下游其自重與作用在面板上的 水荷載的水平分量，對1:1. 3的壩坡來說，垂直重量和水平推力之比將大于6 : 1 ,水荷載合 力也將傳遞到壩軸線上游的壩基上，不存在傾覆的可能性。而且堆石壩是排水材料，堆石體 內不存在浸潤線和

16、孔隙水壓力，對穩定有利。其次它不存在滲流破壞問題。由于堆石料是非沖蝕性材料，有滲透水流通過時，細顆粒不會 帶走，即使帶走一些極細顆粒，也不會影響骨架穩定，所以不存在管涌等滲透穩定問題。峽谷 地區的心墻壩，因壩殼及兩岸的約束而在心墻內產生拱效應，嚴重的可使有效應力為零而發 生“水力劈裂”所致的水平裂縫,但面板堆石壩不存在這種“水力劈裂”問題。第三是抗震能力較強。根據壩體結構實際震害情況，混凝土面板堆石壩具有良好的抗震性 能。其主要依據是：由于面板壩的整個堆石體都是干燥區，因此不會因地震而產生附加的孔 隙水壓力，而降低堆石坑剪強度和整體穩定性；由于碾壓堆石已達到密實狀態，地震只能使 壩體產生小量的

17、永久變形，是可以承受的；在非常強的地震作用下，混凝土面板可能開裂, 而引起滲流量增加，但不會威脅到壩的整體穩定。第四是變形特性有利。現代碾壓堆石的變形量是很小的，而且穩定得很快，施工期可完成絕 大部分沉降變形，剩余值也可在蓄水后頭3年基本完成。二是經濟性。一是與心墻堆石壩比較，目前高土石壩的主要壩型是混凝土面板堆石壩及土質心墻堆石壩。 兩者相比較，混凝土面板堆石壩的斷面小，壩體填筑方量可減少3 0 %左右，而且因壩坡陡、 底寬小，可相應減少泄洪和輸水建筑物長度，使樞紐布置更為緊湊，而且不用防滲土料，從 而少占耕地。混凝土面板堆石壩可以利用未完成的堆石體擋水或過水度汛從而簡化導流和 度汛。壩料堆

18、石可以全年施工，不受冬天雨天影響。堆石體內部可以靈活分塊分縫，在坡面 布置施工道路。這種壩型還有利于提前蓄水受益和分期施工。如在建的天生橋一級水電站， 在初級階段的比較中顯示，混凝土面板堆石壩與土質心墻堆石壩相比較,可節省投資1 . 5億 元，并縮短工期11 . 5年。二是與混凝土壩相比較，在施工方面，面板壩的施工機械和工藝流程都較混凝土壩簡單，使 用大容量土石方機械可以達到很高上壩強度，具備快速施工條件，發電工期和總工期都較混 凝土壩縮短。修建面板壩主要使用當地材料，可以節省水泥、鋼材等外來材料，節省運輸費 用，其經濟效益相當可觀。1 9 8 8年建成投產的關門山水庫大壩，原設計為雙曲拱壩，因水 泥不能保證供應而長期未能建設。后改為混凝土面板堆石壩節省水泥1 . 8萬噸。鋼材5 0 0 噸、木材4 0 00立方米，節省投資16 %，