第1章 高土石坝发展及研究现状

1.1 土石坝的发展

1.1.1 概述

土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝，是历史最为悠久的一种坝型，也是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。

中国是建坝最早的国家之一。早在公元前250年，四川岷江即修建了都江堰，创造了竹笼装填卵石筑坝壅水和溢洪的堰。公元前240年，在陕西郑国渠建成30m高的木笼填石坝。公元前34年，在河南泌阳河修建的马仁陂土坝，残坝坝高16m，经历代维修后运行至今。闻名世界的长达百里的洪泽湖大堤为东汉时期开始修筑，后经数次大修，临湖堤段基本用条石砌筑，逐渐形成规模。早期所建的坝，特别是砂质地基上的土坝，因泄洪和渗透稳定两大关键技术问题没有得到解决，大多冲毁殆尽。有的土坝如洪泽湖大堤能够存在至今，靠的是不断维修加固。

由于筑坝经验的积累，以及基本理论如土的强度理论、渗流理论、有效应力原理和固结理论等的创立，才使得近代建造的土石坝更加安全可靠，也逐步推动了现代高土石坝建设技术的发展。因此，土石坝在坝工建设中的比重逐年增加，据不完全统计，全世界所建设的100m级以上的高坝中，土石坝所占的比重呈逐年增长趋势，20世纪60年代占比接近40%，70年代占比接近60%，80年代占比为70%以上，至21世纪初占比增加至80%以上。

土石坝得以广泛发展的主要原因主要如下：

（1）可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量。由于土石坝设计和施工技术的发展，放宽了对筑坝材料的要求，几乎任何土石料均可用来筑坝。

（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。除极少数例外，几乎任何不良地基经处理后均可修建土石坝。特别是在气候恶劣、工程地质条件复杂和高烈度地震区的情况下，土石坝大多时候成为唯一可取的坝型。

（3）大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的压实密度，减小了土石坝的断面，加快了施工进度，降低了造价，促进了土石坝建设的发展。

（4）由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。

（5）高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展，对加速土石坝的建设和推广也起到了重要的促进作用。

近几十年来，我国的土石坝建设取得了举世瞩目的成就。20世纪50年代初，我国的土石坝高度仅40～50m，之后陆续建成当时亚洲第一高的毛家村土坝（坝高82m）以及碧口（坝高102m）、鲁布革（坝高104m）、小浪底（坝高160m）等一批标志性土石坝工程。进入21世纪，我国土石坝筑坝技术有了质的飞跃，在数量、坝高和建设规模等方面都得到前所未有的发展，陆续建成了天生桥一级（坝高178m）、洪家渡（坝高179.5m）、紫坪铺（坝高156m）、水布垭（坝高233m）等200m级高土石坝。2013年建成的261.5m高的糯扎渡心墙堆石坝为当时同类坝型中高度世界第三、亚洲第一。在天生桥一级、水布垭、糯扎渡等世界一流土石坝工程建设中，积累了大量工程经验，我国土石坝筑坝技术有了长足的发展。特别是糯扎渡高心墙堆石坝，其心墙堆石坝坝高261.5m，项目立项时比此前国内已建最高的小浪底心墙堆石坝提升了约100m，许多技术问题超出了现行规范的适用范围，在糯扎渡高心墙堆石坝工程建设中，昆明院经过15年的勘测设计研究工作，在超高心墙堆石坝设计准则、计算分析理论、施工工艺及安全控制技术等方面取得了多项具有中国自主知识产权的创新性成果，使我国堆石坝筑坝技术水平迈上了一个新台阶。

21世纪，在国家西部大开发战略的支持下，一大批水利水电工程将在西南地区水力资源丰富的江河上开工建设，这些筑坝地点大多处于交通不便、地质条件复杂的地区，自然条件相对恶劣，施工困难较多，修建土石坝具有更强的适应性，因此，土石坝工程必将在西部大开发的进程中发挥重要作用。

1.1.2 高心墙堆石坝的发展及建设情况

心墙堆石坝是在坝体中心设置直立的或略偏上游倾斜的防渗体的土石坝，防渗体可以为土料、沥青混凝土、钢筋混凝土等，目前采用较多的为黏土心墙堆石坝。

早期建设的心墙堆石坝，由于没有大型振动碾压设备，堆石大多用抛填法填筑，这样建成的高坝大多都产生裂缝。例如，美国的泥山（Mud Monutain）坝采用抛填式堆石，裂缝严重，不能正常蓄水。我国20世纪60年代初期用抛投式堆石筑成的南谷洞斜墙土石坝，堆石体变形太大使得土斜墙裂缝冲刷，几经修补，数次塌坑，后来铺筑沥青混凝土面板修复，仍裂缝漏水。20世纪60年代末期，振动碾的良好压实效果得到公认，多数高坝的堆石坝壳和砂卵砾石坝壳都采用振动碾压实，大大缩小了填筑堆石料的孔隙率，使得坝体变形减小，逐步控制了裂缝的产生。心墙料的使用范围也逐步扩大，砾质黏土、残积土、风化岩、洪积土、冰碛土等均可用来作为心墙土料。随着重型振动碾的发展及投入使用及建设技术的进步，使得心墙堆石坝建设高度逐渐增加。我国1976年建成的碧口心墙堆石坝，坝高101.8m，是我国第一座现代碾压式堆石坝，砂卵石、石渣、堆石经重型振动碾薄层碾压，密实度高，坝体变形小，且经历了多次地震的考验，至今运行状况良好。此后，1990年建成鲁布革心墙堆石坝（坝高104m）也较为成功。

进入21世纪，我国的心墙堆石坝建设朝着更高的方向发展，2001年建成了小浪底斜心墙堆石坝（坝高154m），2006年建成了瀑布沟心墙堆石坝（坝高188m）。2013年建成的糯扎渡水电站心墙堆石坝坝高达到261.5m（图1.1-1），大量创新性研究成果及成功建设经验大大提高了工程界建设更高心墙堆石坝的信心，当前在建、拟建心墙堆石坝最大坝高达300m级（两河口坝高295m，双江口坝高312m，如美坝高315m）。据不完全统计，在我国西部，目前有近20座水电站（坝高200m以上）将心墙堆石坝作为代表性坝型，表1.1-1列出了设计建设中的几座典型高心墙堆石坝的概况。

1.1.3 高混凝土面板堆石坝的发展及建设情况

混凝土面板堆石坝是用堆石料或砂砾石料分层碾压填筑及用混凝土面板做上游防渗体的坝。面板堆石坝主要由防渗面板、防渗接地结构、堆石坝体等三大部件组成，防渗面板是面板堆石坝的防渗部件，面板通过周边缝与防渗接地结构连接，防渗接地结构主要控制通过地基及两岸坝基的渗流，减小渗水量并使得渗水得到安全排出。堆石坝体则是面板的支撑结构，也是面板的基础，并且要安全排出通过面板及其接缝的渗水。

混凝土面板堆石坝至今已有100多年的历史，按国际面板坝专家库克的统计，国际面板堆石坝的发展可分为以抛填堆石为主的早期阶段（1940年以前）、碾压堆石引入前后且相对停滞的过渡期阶段（1940—1970年）和以薄层碾压为主的现代阶段（1970年以后）。早期的面板堆石坝都是一些木框堆石坝，在木框上游面设置木板防渗，到大约20世纪初开始采用混凝土面板防渗，该时期的堆石大多采用抛填式，抛填层高往往达到10~50m以上，由于孔隙率及压缩性较大，大多产生很大的漏水量，且更高的面板堆石坝的抛填堆石会使得混凝土面板产生结构性的开裂及损坏，因此约75m成为该时期混凝土面板堆石坝的极限高度。20世纪40年代，由于生产的发展需要建设更高的坝，但是由于抛填式面板堆石坝不适用于75m以上高坝，因而转向建设能适应抛填堆石变形的心墙坝，这时期为过渡期。随着碾压堆石的出现，振动碾碾压堆石的低压缩性在实践过程中得到证明，且碾压堆石使得质量较差的岩石也可用于筑坝，至20世纪70年代，碾压堆石完全取代了抛填堆石，进入了碾压堆石时期即现代面板堆石坝时期。现代面板堆石坝的设计表现在碾压堆石趾板和基础灌浆的接地防渗、趾板到坝顶的整体面板、半透水性的垫层料、多道止水的周边缝等。

现代面板堆石坝不仅大大减小了漏水量，而且具有造价低、工期短的特点，在坝型比较中往往占有优势，因此得到了蓬勃发展，1990年以后面板堆石坝开始向200m级高坝发展，图1.1-2为国际面板堆石坝发展示意图。据有关资料，到2008年年底，国外已建坝高30m以上的面板堆石坝约275座，坝高150m以上的约10座。表1.1-2列出了国外部分已建、在建和拟建的150～200m级高面板堆石坝。

我国自1985年开始用现代技术修建混凝土面板堆石坝，起步虽晚，但近几十年来，我国的面板堆石坝建设取得了举世瞩目的成绩。据不完全统计，截至2009年年底，国内已建坝高30m以上面板堆石坝约170座，其中坝高150m以上的约7座，最高的是水布垭坝，坝高233m。已建、在建和拟建150～200m级高混凝土面板堆石坝的初步统计情况见表1.1-2。我国已建面板堆石坝几乎遍布全国各地，涉及各种不利的地形、地质条件和气候条件，工程设计建设总体是成功的，积累了应对各种困难情况的经验和教训。目前，我国面板堆石坝的数量、规模、技术难度都已居于世界前列。

在目前规划的我国西部金沙江、澜沧江、怒江、雅砻江、大渡河、黄河上游及雅鲁藏布江的梯级电站中，有较多的电站将混凝土面板堆石坝作为比选或推荐坝型（表1.1-3和表1.1-4），这些混凝土面板堆石坝的高度均在200~300m级，大多在250m级高度，超过目前世界上最高的水布垭面板堆石坝（坝高233m），因此，我国高混凝土面板堆石坝的建设技术面临着向250m级及以上高度跨越发展的挑战。这一大批250m级高混凝土面板堆石坝的安全建设与运行将成为水利水电工程中被广泛关注的重点。

但应当指出，面板堆石坝属经验坝型，虽然我国面板堆石坝经过近30年的基础理论研究和建设实践，取得了不少宝贵经验，我国200m级高面板堆石坝的设计和施工技术已有探索趋向成熟，但目前仅达到半经验半理论的技术水平，而且已建的200m级高混凝土面板堆石坝较少，运行时间也较短，在大坝建设及运行方面积累的经验较少，还有较多的基础性问题需进一步研究突破。例如，近期建设的几座高面板堆石坝在取得成功及宝贵经验的同时，部分工程出现坝体变形偏大、面板挤压破坏、防渗体系破损、渗漏量较大等问题；再如，现有监测资料表明，高面板堆石坝坝体变形与设计阶段的计算预测值相比经常偏大很多，且稳定时间偏长。有些高面板堆石坝坝在经过十多年的挡水运行后，其变形（尤其是不均匀变形）的量值变化尚未稳定，运行期坝体或面板结构破损的情况时有发生。

上述问题的发生使得目前工程界对于能否安全建成250m级或更高的面板堆石坝表现出了疑虑，在许多适宜建设高堆石坝的坝址，因不能把握250m级以上高面板堆石坝的工程特性和技术可行性，不能直接选择面板堆石坝方案，而选用体积大、施工受天气条件影响、占用耕地较多对环境破坏造成不利影响的心墙堆石坝方案，有的工程在近坝区甚至没有可用的防渗土料，使得水电站经济指标竞争力降低。因此，我国混凝土面板堆石坝的发展面临着从200m级坝高向300m级坝高发展的技术挑战。近几年，我国水利水电工程领域相关设计、科研、建设单位依托正在开展可行性研究工作的古水、茨哈峡、马吉、如美等250~300m级高面板堆石坝，系统地开展了300m级面板堆石坝适应性及安全性等关键技术研究，取得了大量新的研究成果，相信这些研究成果对于指导300m高面板堆石坝建设可发挥积极作用。