第三节　高混凝土面板堆石坝设计新理念的工程应用

高混凝土面板堆石坝安全设计新理念应用于巴贡（Bakun）、公伯峡、猴子岩、马吉等高混凝土面板堆石坝工程。［12，16，17，18］

一、设计新理念在巴贡坝的应用［12］

巴贡（Bakun）水电站位于马来西亚沙捞越（Sarawak）州中部拉让江（Rajang）支流巴鲁伊（Balui）河上，水电站总装机容量2400MW，保证出力1771MW，年发电量155.17亿kW·h，水库总库容440亿m3，是马来西亚最大的水电站。Bakun坝坝高203.5m，为世界第二高坝，2008年7月底大坝基本完工，2008年11月21日水库下闸蓄水。该工程原由德国咨询公司设计，德国设计的Bakun坝的坝体分区断面如图1-24所示。图中的3C中间堆石区为杂砂岩＋30%页岩，3D中心堆石区为杂砂岩＋50%页岩。

在该工程复工后中国水利水电集团公司中标，西北勘测设计研究院承担该工程主体的设计，南京水利科学研究院承担该工程科学研究工作。基于变形协调新理念的变形安全设计理论进行大坝设计提出的坝体分区如图1-25所示。

Bakun坝三维有限元法计算结果对比如表1-11和图1-26至图1-36所示。

从表1-11和图1-26至图1-36可以看出Bakun坝若采用德国设计方案，竣工期和蓄水期坝体沉降分别为376.4cm和406.4cm，比我国变形协调设计方案的坝体沉降要大63%和66%；坝体蓄水期向上游水平位移和向下游水平位移分别为20.3cm和79.2cm，比我国变形协调设计的坝体水平位移要大34%和62%。一期填筑区顶部和中部坝体变形很不协调，坝体沉降差达到4.55×10-2，一期面板浇筑后随着坝体的继续填筑，面板顶部与垫层区的法向位移差达到113.5cm，很可能造成垫层区裂缝、面板脱空甚至面板挠曲应力裂缝，河谷中央面板最大压应变670×10-6，超过Mohale坝发生面板混凝土挤压破坏时的压应变，很可能也发生面板挤压破坏。

我国变形协调设计的Bakun坝的坝体变形则比较协调，坝体沉降差仅为3.18×10-2，减小了51%，小于从天生桥一级坝垫层裂缝推断出的允许沉降差5×10-2。一期面板浇筑后随着后期坝体填筑面板顶部与垫层区的法向位移差只有71.0cm，减小了60%，从而大大减小了面板脱空现象，避免了面板产生结构性裂缝。我国变形协调设计的Bakun坝河谷中央面板最大压应变只有619×10-6（不设置新型止水）和540×10-6（设置新型止水），分别减少了8%和24%。都小于从Mohale坝得到的允许压应变650×10-6，从而避免了面板混凝土挤压破坏。

Bakun坝安全监测设置周全，3个监测断面设置了26个坝体内部变形测点，55个面板挠度测点、28个面板应力测点、31个面板脱空测点、16个周边缝位移测点和29个垂直缝位移测点。实测结果说明：坝体沉降和面板轴向应变的计算值与实测值相当一致，Bakun坝坝体与面板应力变形性状良好，没有产生垫层裂缝、面板挤压破坏等问题，坝体变形和面板挠度小。表明Bakun坝采用变形协调理念的设计是成功的。

二、设计新理念在公伯峡坝的应用［16，17］

公伯峡水电站工程位于青海省循化撒拉族自治县和化隆回族自治县交界处的黄河干流上，距循化县城25km。是以发电为主，兼顾灌溉、供水的一等大（1）型工程。水库正常蓄水位2005.00m，设计洪水位2005.00m，校核洪水位2008.28m。水库总库容6.3亿m3，电站装机容量1500MW。

大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程2010.00m，最大坝高132.20m，上游坝坡1：1.4，下游坝坡为1：1.5～1：1.3，并设有10.0m宽的“之”字形上坝公路，大坝下游综合坝坡为1：1.79。由于河谷狭窄、大坝右坝肩与电站进水口衔接处及左坝肩与溢洪道衔接处分别设有38m和50m的高趾墙。

基于变形协调设计新理念，为实现公伯峡坝变形安全、采用三维有限元法计算对于坝体填筑和面板浇筑形象进度对面板堆石坝应力变形性状的影响进行了计算分析和比较，共进行了四个方案的计算：①方案一，大坝填筑临时度汛断面，面板分二期施工。在坝体上游侧填筑临时挡水断面，临时挡水断面顶高程为1956.00m；面板分二期施工，一期面板顶面高程1960.00m，二期面板浇筑高程1960.00～2005.50m。②方案二，大坝全断面均衡填筑，面板分二期施工。③方案三，大坝全断面均衡填筑，面板一次施工，不考虑坝体流变。④方案四，大坝全断面均衡填筑，面板一次施工，考虑坝体流变。根据筑坝材料的静动力特性试验，参考类似工程，确定了公伯峡坝料的静动力计算参数。静力特性计算参数如表1-12所示，动力特性计算参数如表1-13所示，公伯峡面板堆石坝应力变形计算结果如表1-14和表1-15所示。

从上述应力变形计算结果可以看出：坝体填筑和面板浇筑的形象进度对坝体和面板的应力变形性状有显著的影响。

（1）坝体填筑形象进度对坝体变形影响较大，若采用临时度汛断面填筑坝体时，坝体最大沉降140.9cm，向下游水平位移22.7cm，向上游水平位移13.2cm；若采用全断面均衡上升填筑坝体时坝体最大沉降103.6cm、向下游水平位移11.9cm、向上游水平位移4.9cm。坝体变形显著减小、有利于变形安全。

（2）若采用分期浇筑面板，前期面板浇筑后坝体继续填筑，使得先期填筑的坝体底部向外变形，顶部向下变形，坝体继续填筑时面板变形与坝体变形不同步协调，会产生面板脱空和面板裂缝。公伯峡坝一期面板浇筑后坝体填筑到不同高程时一期面板顶部附近坝体3个不同高程结点的变形矢量如图1-37所示。从图可知：随着坝体持续填筑加高、面板顶部附近的坝体发生较大的沉降，并向坝内有一定的水平位移，从而导致一期面板顶部（高程1960.00m）向下约十余米长的面板可能脱空。

对比面板分期施工和面板一次施工（不计流变）的计算结果可以看出，面板一次施工时面板的挠度、坝轴向位移、顺坡向和坝轴向压应力均减小，顺坡向拉应力有所增加，但拉应力值很小，最大为0.34MPa，且范围很小，不会影响面板的正常工作，面板一次性施工改善了面板的应力变形性状，因此公伯峡坝采用面板一次施工方案。

（3）为了使面板变形与坝体变形同步协调，因此坝体全断面填筑到坝顶后，坝体预沉降5个月，待坝体沉降变形相对稳定后再进行面板混凝土的一次性施工，以减少面板浇筑施工后面板变形与坝体变形的变形差，避免面板顶部脱空和发生结构性裂缝。

（4）减轻面板与面板垫层之间的约束，以减轻或避免两岸坝肩附近面板产生拉应力裂缝以及河谷中央面板产生挤压破坏。首先对挤压边墙表面进行修正找平，对挤压边墙之间的错台用水泥砂浆进行修补整平。为了尽可能减小挤压墙对面板的约束，对其表面喷了乳化沥青（将沥青和柴油按3：1的比例拌匀，通过高压风将乳化沥青喷涂到坡面上），厚度为0.5～1mm。

（5）面板一次性浇筑施工的技术创新。公伯峡坝面板顶部厚度为30.0cm，底部最大厚度为70cm，面板表面积5.8万m2，单块最大长度约218m，面板混凝土设计标号为C25、W12、F200，二级配。钢筋单层双向居中布置，钢筋间距为20cm×20cm，保护层厚10cm。面板基础为挤压混凝土边墙，边墙混凝土标号为C25。公伯峡坝面板浇筑的气候条件恶劣，坝址以上流域属寒湿类高山气候，坝址处多年平均气温为8.5℃，一年之中寒潮出现频繁，平均13.6次，最大温降14.2℃，年冻融循环次数为77.2次。

采取了下列面板一次浇筑到顶的施工创新技术：①优化混凝土配合比，降低砂料细度模数，用粉煤灰等量替代细砂，以增加混凝土的和易性；②提高混凝土坍落度，以增加混凝土的流动性；③罐车运输混凝土，做好保温措施，减少混凝土坍落度损失；④覆盖EPE卷材形成半封闭溜槽入仓；⑤及时清理飞石；⑥人工用铁锨沿垂直缝和周边缝均匀布料，避免骨料集中现象，人工振捣；⑦无轨滑模跳槽浇筑。

三、设计新理念在马吉坝的应用［18］

我国西部蕴藏着丰富的水能资源，金沙江、澜沧江、雅砻江、大渡河、怒江、黄河上游等河流上经济可开发且环境友好的大型水电站均有多座，坝址区河道坡降很陡、坝高都在300m级，地势险要、交通闭塞，若选用混凝土坝，水泥、钢筋等建筑材料运输量大，造价高；若选用心墙堆石坝，征用深山峡谷非常少有的耕地，对当地民生、环境和水土保持造成严重影响，因而混凝土面板堆石坝往往成为最有竞争力的坝型。

300m级超高混凝土面板堆石坝如何应对和实现变形协调显得更加重要，采用数值分析方法对于马吉混凝土面板堆石坝变形规律进行研究，以期为300m级超高混凝土面板堆石坝的建设提供技术支撑。

1.马吉坝应力变形计算

马吉水电站是怒江流域龙头水库之一，直接影响着该流域水电能源基地的形成和规模，马吉水电站正常蓄水位相应库容47亿m3，装机容量4200MW。马吉水电站混凝土面板堆石坝最大坝高270m，坝顶长740m，上游坝坡1：1.4，下游坝坡1：1.5，坝址区河谷呈V形，两岸岸坡基本对称，左岸坡度40°～60°，右岸坡度35°～60°，局部有高50～100m悬岩陡壁，坝址主要分布混合花岗岩、混合片麻岩等。总工期8年4个月，大坝填筑工期4年2个月，面板分4期浇筑。

筑坝材料（垫层料、过渡料、主堆石料和次堆石料）采用邓肯（Duncan）E—B模型。计算参数分别选用已建最高的水布垭面板堆石坝（坝高233m）筑坝材料试验得到的计算参数（称为设定参数）和马吉坝筑坝材料试验得到的计算参数（称为试验参数）。前者是为了研究坝体分区对坝体和面板应力变形性状的影响而选用的，因为水布垭坝主堆石料与次堆石料模量系数K有较大差别，设定参数如表1-16所示。

马吉坝垫层料、主堆石料和次堆石料的比重试验和最大干密度试验结果如表1-17所示，考虑到超高面板堆石坝坝体变形对面板的变形和应力的影响更为显著，坝体压实标准宜高于中高面板堆石坝，主堆石区与次堆石区的变形模量和压实标准宜相近，因此马吉坝筑坝材料大型三轴压缩试验试样制备干密度取最大干密度，垫层料、主堆石料和次堆石料相应的孔隙率n分别17.3%、21.0%和21.4%。马吉坝坝高270m，大坝堆石体处于高应力条件下，为此进行周围压力σ3为3.0MPa的大型三轴压缩试验，试验结果和计算参数如表1-18所示。

室内试验所用试料最大粒径只有筑坝材料的1/10～1/16，大型三轴压缩试验必然存在缩尺效应，参照鲁布革坝白云岩堆石料修正系数0.71，株树桥坝灰岩堆石料修正系数0.65，考虑到马吉坝筑坝材料混合花岗岩的岩性好，新鲜，颗粒不易破碎，因此模量系数等的缩尺效应修正系数取0.9，修正后采用的计算参数（称为试验参数）也列于表1-18之中。

开发了面板堆石坝网格加密自动生成软件GEODAM-CAD，对坝体、趾板和面板进行精细模拟以满足研究坝体分区对变形性状影响的要求，单元总数45739个，坝体填筑、面板浇筑和分期蓄水共分60级。同时又开发了巨型网格加速计算技术，改进方程组的迭代算法，缩短了计算时间。马吉坝和坝基三维有限元网格如图1-38所示。

2.坝体分区对大坝应力变形性状的影响

马吉坝坝体分区是垫层区水平宽度4m，过渡区水平宽度5m，主堆石区与次堆石区的分界线是向下游1：0.2斜线，次堆石区顶面高程1544.80m，底面高程1345.00m，其下游边坡1：1.4。标准剖面见图1-34所示，从图1-34可知这可能是马吉坝次堆石区的最大范围，简称为工况1。为了使坝体分区对面板堆石坝应力变形性状的影响，计算比较了两组7个工况的不同分区，如表1-19和图1-39所示。也就是说，将计算工况1、工况4、工况3、工况2相比较，可以看出在次堆石区顶面高程不变的情况下，主、次堆石区分界线从1：0.2逐渐变缓至1：1.0、次堆石区范围逐渐减小的影响，将计算工况4、工况5、工况6、工况7相比较，可以看出次堆石区顶面高程从1544.80m逐渐降低至1460.00m、次堆石区范围逐渐减小的影响。

（1）坝体分区对坝体变形性状的影响。在工况1、工况4、工况3、工况2各计算工况作比较时，以计算工况1时坝体变形最大值比例因子设定为1.0，在工况4、工况5、工况6、工况7各计算工况作比较时，以工况4时坝体变形最大值比例因子设定为1.0，各计算工况竣工时和蓄水至正常水位时的坝体变形最大值比例因子如表1-19所示。

从表1-16可以看出：

1）次堆石区范围越小，坝体沉降和水平位移越小，虽然竣工时坝体向上游水平位移比例因子反而增大，实际水平位移仅从16cm增大到22cm，其增量很小，这是因为次堆石区范围减小时坝体水平位移趋于均匀，向下游水平位移减小的缘故。

2）次堆石区上游坡变缓比次堆石区顶面高程降低对于减小坝体沉降的作用要显著，这是因为坝体最大沉降一般都发生在坝轴线略偏向下游堆石区的0.6倍坝高的部位，上游坡变缓，这部位的主堆石所占比例明显增大。

3）马吉坝开工第6年6月一期面板挡水，坝前水位1376.49m，第7年4月开始填筑高程1462.00至高程1505.00m之间坝体，第8年6月坝前水位1383.08m，该年11月二期和三期面板挡水，即高程1462.00m以上坝体都是在坝前蓄水条件下填筑的，因此在水荷载作用下主堆石区尤其顶部1/3坝体向下游位移。

（2）坝体分区对面板挠度的影响。为了便于分析坝体分区对面板挠度的影响，同样将计算工况1时面板挠度最大值比例因子设定为1.0，各工况竣工时和蓄水至正常水位时面板挠度最大值的比较如表1-20所示。

从表1-20可知，次堆石区范围越小，面板挠度越小，次堆石区顶面高程降低比次堆石区上游坡变缓对于面板挠度减小的贡献要大些，这与面板挠度最大值发生在三期面板（高程1450.00～1520.00m之间）有关，典型的面板挠度分布（工况4）如图1-40所示。次堆石区顶面高程降低使马吉坝上部坝体全部由主堆石料填筑，对减小面板挠度有较显著的作用。

3.筑坝材料对大坝应力变形性状的影响

为分析筑坝材料对大坝应力变形性状的影响，现将采用设定参数（表1-16）和试验参数（表1-18）的计算结果对比列于表1-21。

从表1-21可以看出筑坝材料特性对混凝土面板堆石坝的应力变形性状有显著影响，马吉坝次堆石料采用当地混合花岗岩堆石料，质地新鲜坚硬，模量系数K是水布垭坝的灰岩堆石料模量系数K值的1.58倍（并已进行缩尺效应修正），因此用马吉坝筑坝材料试验参数计算得到坝体变形（沉降与水平位移）只有采用水布垭坝参数的0.57～0.74倍。坝体变形的减小也导致面板变形和应力的减小，由于主堆石料的模量系数只相差1.25倍，因而面板变形与应力的差别也较坝体变形的差别要小些。

总结反演分析200m级高混凝土面板堆石坝的成果时可以看出，根据原型观测资料反演分析得出的施工压实质量较好的堆石料的模量系数K只有筑坝材料试验得到的模量系数0.56～0.78，平均0.70左右。本次分析研究的设定参数恰好是马吉面板堆石坝筑坝材料试验参数的0.87（垫层料）、0.72（主堆石料）和0.57（次堆石料）。可以说表1-21中设定参数的预测值在一定程度上可以表征马吉面板堆石坝的性状。

4.筑坝材料流变特性对大坝应力变形性状的影响

筑坝材料的流变特性采用南京水利科学研究院提出的指数函数型流变模型来表述：

最终流变εf由最终体积流变εvf和最终剪切流变εsf组成，最终体积流变εvf与周围压力σ3有关：

最终剪切流变εsf与应力水平Sl有关：

根据水布垭、公伯峡等多座工程的经验选取垫层料、过渡料和堆石料的流变模型计算参数分别是b取（4～7）×10-4、c取（7～8）×10-3、d取（5～7）×10-3，考虑筑坝材料流变特性的计算结果也列于表1-21之中，蓄水至正常水位时不考虑流变影响和考虑流变影响情况下坝体水平位移分别如图1-41和图1-42所示。

（1）筑坝材料的流变对于坝体变形有显著的影响，考虑流变影响蓄水至正常水位时坝体沉降最大值212.0cm，比不考虑流变影响的坝体沉降最大值要大39cm，流变变形占总变形量的22.6%，流变也使坝体向下游水平位移有所增加，但是增加幅度较小。

（2）超高混凝土面板堆石坝施工工期长，面板分期浇筑、大坝分期蓄水、顶部坝体在分期蓄水以后继续填筑，这就导致顶部坝体向下游水平位移较大，马吉坝顶部坝体向下游位移，中下部坝体向上游位移，出现“鼓肚”性状，如图1-41和图1-42所示，200m级高面板堆石坝（天生桥一级、巴贡）已经发现类似现象。超高面板堆石坝这种变形规律会更明显，并且筑坝材料的流变将使蓄水以后坝轴线上游部分坝体“鼓肚”现象持续发展。

（3）蓄水后3年，筑坝材料流变使坝体最大沉降量继续增大到234.0cm，此时流变变形占总变形量35%左右。坝体水平位移也有类似现象，考虑流变影响后，蓄水时坝轴线下游部分坝体向下游最大水平位移21.2cm，蓄水后3年此值增加到22.3cm，分别比不考虑流变影响的蓄水时坝体向下游最大水平位移增加1.1cm和2.2cm。由此可见，对于300m级面板堆石坝而言，流变对坝体水平位移的影响比对坝体沉降的影响要小得多。流变对坝体应力分布影响也不大，主应力值略有增大。

（4）筑坝材料的流变特性使坝体变形增大，坝体与面板之间摩擦力也会有所增大，导致面板的变形和应力有所增大，垂直缝和周边缝的位移也有所增加。

考虑流变蓄水时面板挠度增加6.5cm，蓄水3年后面板挠度增加7.3cm；考虑流变蓄水时面板轴向位移增加0.2～0.6cm。考虑流变蓄水时和蓄水3年后的面板应力都略有增加，考虑流变面板顺坡向应力蓄水时增加1.1MPa（压应力）和0.2MPa（拉应力），考虑流变蓄水3年后分别增加1.3MPa（压应力）和0.3MPa（拉应力）；考虑流变蓄水时面板坝轴向应力增加0.8MPa（压应力）和0.3MPa（拉应力），考虑流变在蓄水3年后分别增加1.0MPa（压应力）和0.4MPa（拉应力）。

考虑流变后垂直缝的张开量和周边缝三向变位有所增加，垂直缝张开量最大值增加10.9mm（考虑流变蓄水时）和15.9mm（考虑流变蓄水3年后）；考虑流变蓄水时周边缝张开量最大值增加1.5cm，沉降量最大值增加0.6cm，剪切位移最大值增加0.5cm。

5.200m级高面板堆石坝性状的佐证［19，20］

对我国200m级高面板堆石坝的性状进行统计分析，提出了高混凝土面板堆石坝坝体沉降特征值Cs、坝体水平位移特征值CD、周边缝位移特征值CDS和面板垂直缝位移特征值CDV的概念与表达式。马吉面板坝的筑坝材料是质地新鲜坚硬的混合花岗岩堆石料，要优于洪家渡坝，河谷形状也优于洪家渡，洪家渡坝主堆石区与下游堆石区的筑坝材料和压实标准都比较接近，并采用特别碾压区使坝体各区变形协调，因此可以基于洪家渡坝性状特征值来预估马吉坝的性状，取马吉坝的坝体沉降特征值Cs为0.40×10-4，坝体水平位移特征值CD为12.0×10-4，周边缝位移（模）的特征值CDS为1.8×10-4，垂直缝位移特征值CDr为0.5×10-4，相应地可以预估得到马吉坝竣工时坝体沉降291.6cm，蓄水期向下游水平位移32.4cm，周边缝位移的模97.2mm，垂直缝位移27mm。与表1-21所示的计算值（设定参数）比较接近。

6.超高面板堆石坝设计新理念要点［18，20］

（1）坝体分区、筑坝材料特性特别是其流变特性是影响超高混凝土面板堆石坝应力变形性状的主要影响因素，坝体的变形协调以及坝体变形与面板变形之间同步变形协调更为重要。

（2）筑坝材料特性是决定超高混凝土面板堆石坝应力变形性状的主要因素，因此用比较试验来确定其缩尺效应，用长期流变试验和反馈分析相结合的方法确定其流变特性，不仅考虑运行期流变而且考虑施工期填筑分量与时间分量的耦合流变作用都是必要的和重要的。

（3）合理选择主堆石料和次堆石料、适当提高下游堆石区的填筑标准、使上、下游堆石区的变形模量相近，全断面均衡填筑甚至下游堆石区适当高于上游堆石区等都是达到坝体变形协调的有效措施。

（4）超高混凝土面板堆石坝坝轴线上游部分坝体变形的“鼓肚”性状会导致面板开裂、值得重视。上部1/3左右坝体采用变形模量较高的坝料，待坝体变形基本趋于稳定时才浇筑面板以及设置面板永久水平缝等都是减小或避免超高面板堆石坝的混凝土面板出现挠曲应力裂缝的有效措施。