辛 俊 生

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

高混凝土面板堆石壩趾板通常建在堅硬、不沖蝕和可灌漿的弱風化、弱卸荷至新鮮基巖上，但在深厚覆蓋層上建壩，若挖除覆蓋層把趾板置在基巖上，需要較大的開挖量，并需要把壩基范圍內(nèi)挖除的覆蓋層部分采用壩體填筑料回填，導致挖填工程量較趾板建在覆蓋層上的面板壩均大幅增加；而且開挖的基坑較深，施工導流難度和基坑排水工程量均大幅度增加。若把趾板建在覆蓋層上，便能充分發(fā)揮面板堆石壩壩體斷面較小和土石壩對壩基的廣泛適應性的優(yōu)勢，具有極大的經(jīng)濟優(yōu)勢。目前我國已建成的建在覆蓋層上且壩高超過100 m的面板堆石壩已有7座，隨著水電開發(fā)的推進，未來還有更大的發(fā)展空間。

表1 我國已建的覆蓋層上高混凝土面板堆石壩

2 趾板建在覆蓋層上的面板堆石壩主要特點及工程措施

覆蓋層上的面板壩和常規(guī)面板壩的最主要區(qū)別是前者保留了河床壩基部位覆蓋層，由此而造成和常規(guī)面板堆石壩的一系列不同。壩基覆蓋層會對壩體的沉降、穩(wěn)定、滲流、應力應變、接縫位移等產(chǎn)生影響，壩體設計時應充分考慮壩基覆蓋層對壩體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，采取有針對性的處理措施。

2.1 對壩體沉降及變形的影響和處理措施

壩基保留的覆蓋層自身的沉降會對壩體沉降和變形產(chǎn)生顯著影響。覆蓋層的壓縮模量一般都小于經(jīng)碾壓后的壩體填筑料壓縮模量，變形持續(xù)時間長，在上部壩體荷載和水壓等作用下，其沉降變形往往較大，占壩體沉降的比重也較大。察汗烏蘇面板堆石壩地基為漂石砂卵礫石層，局部有少量孤石，孤石最大直徑約3.0 m，漂石砂卵礫石層分選較差，磨圓較好，漂石直徑一般為20～100 cm，最大可達2.0 m，約占20%。天然干密度較高(約2.32 g/cm3)，孔隙率較小；壩體監(jiān)測成果表明，截至2009年10月某監(jiān)測斷面上最大沉降為53.8 cm，且在該斷面上覆蓋層頂面沉降值就達37.6 cm。因此，覆蓋層上的混凝土面板堆石壩設計，應首先查明壩基覆蓋層性狀，在充分掌握壩基覆蓋層特性的基礎上，通過計算分析、工程類比、技術(shù)經(jīng)濟比較確定采取的基礎處理措施。

為減小壩體沉降和不均勻變形，九甸峽水電站和察汗烏蘇水電站對壩軸線上游的壩基覆蓋層進行了強夯處理，河口村、那蘭和多諾水電站在壩體填筑前對壩基覆蓋層進行了振動碾壓處理。

由于覆蓋層的沉降較大，且無法挖除，通常的強夯、振動碾壓等處理方式對覆蓋層的影響深度有限，為進一步減小壩體總體沉降和不均勻變形，只能在壩體上或施工程序上采取相應的工程措施。覆蓋層上的面板堆石壩宜對壩體的填筑料提出更高要求，可采用更大激振力的振動碾，增加碾壓遍數(shù)，加水碾壓，嚴格控制填筑施工參數(shù)等措施確保碾壓施工質(zhì)量，盡量減小壩體本身的沉降；當條件許可時，也可結(jié)合壩體度汛和運行要求，提前對一定高程的壩體進行充水預壓，這對減小壩體后期沉降也有一定效果。

2.2 對壩坡穩(wěn)定的影響

由于壩基保留了覆蓋層，覆蓋層的抗剪強度通常小于堆石料，因此應對覆蓋層上的面板堆石壩壩坡穩(wěn)定進行分析，必要時可通過適當放緩壩坡，在上下游增設一定高度的壓重等措施來保證壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

2.3 滲流控制

滲流控制是保證覆蓋層上面板堆石壩壩體長期穩(wěn)定安全運行的關(guān)鍵。鄧銘江教授在《嚴寒、高震、深覆蓋層混凝土面板壩關(guān)鍵技術(shù)研究綜述》中總結(jié)提出的“一防、二限、三排、四濾”也同樣適用于覆蓋層上高混凝土面板堆石壩設計，由于覆蓋層的可沖蝕性，其甚至更為重要。

“一防”是指壩體的防滲系統(tǒng)。面板堆石壩的第一道防線，位于壩體上游側(cè)，包括壩體的面板、趾板、防滲墻、接縫止水及基礎帷幕灌漿。覆蓋層上的混凝土面板堆石壩設置混凝土防滲墻防滲也是其區(qū)別于一般面板堆石壩的主要特征之一。

“二限”是指面板堆石壩的墊層和面板上游側(cè)填筑的粉土鋪蓋等限制滲漏系統(tǒng)。面板或接縫止水一旦出現(xiàn)缺陷，上游的粉土鋪蓋和墊層料可起到限制滲漏的作用。由于面板堆石壩的特性，上游的防滲面板和堆石料、壩基覆蓋層剛度差異大，面板堆石壩的防滲系統(tǒng)通常不可避免地會在局部出現(xiàn)一定的缺陷，因此面板堆石壩的墊層料是極其重要的補充防滲屏障，對控制滲流、維持壩體穩(wěn)定至關(guān)重要，施工時應重點關(guān)注，確保其達到規(guī)范和設計要求的半透水性和級配連續(xù)。

“三排”是要求墊層后的壩料有足夠的透水性，能夠及時排出壩體內(nèi)的滲透水流，避免雍高壩體內(nèi)浸潤線，對壩體的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。這對采用砂礫石筑壩的壩體尤為重要，必要時應設置專門的排水體。

“四濾”是要求壩體各填筑料之間需滿足反濾關(guān)系。上游的粉土鋪蓋和墊層料，以及墊層料與過渡料，過渡料與堆石之間應滿足反濾關(guān)系。同時，對于覆蓋層上的面板壩，有必要對其壩基覆蓋層采取一定的反濾保護措施。通常在壩基的覆蓋層上部填筑一定厚度的墊層料和過渡料，其反濾關(guān)系宜通過滲透試驗驗證。在覆蓋層上的面板堆石壩，一旦出現(xiàn)滲漏，大家往往擔心壩基覆蓋層的滲透穩(wěn)定問題。其實，覆蓋層上的面板堆石壩和心墻壩一樣，其覆蓋層采用了混凝土防滲墻進行防滲，防滲墻下游壩基也采取了一定的反濾保護措施，如果防滲墻施工質(zhì)量可靠，下游反濾措施合理，壩基覆蓋層的安全性和心墻堆石壩應該是一樣的。

2.4 應力應變

對于面板堆石壩來講，應力應變主要是針對剛性防滲結(jié)構(gòu)的應力應變；對于覆蓋層上的面板堆石壩，主要是混凝土防滲墻和混凝土面板的應力應變。

面板堆石壩的防滲墻和心墻堆石壩防滲墻布置位置不同，面板壩防滲墻位于壩體上游側(cè)，防滲墻上下游側(cè)土體高差相差大，受到的土壓力不平衡，導致面板壩防滲墻的應力較相同規(guī)模的心墻壩大，且通常有一定范圍的拉應力，因此面板堆石壩防滲墻通常設置了較深的鋼筋籠。比如，那蘭水電站防滲墻設置了雙層鋼筋，多諾水電站在防滲墻頂部15 m范圍內(nèi)設置了鋼筋籠。改善面板堆石壩混凝土防滲墻應力變形性狀的主要措施還有：在防滲墻材料強度滿足要求的前提下，盡量降低混凝土彈性模量，比如九甸峽水電站采用了塑性混凝土防滲墻；合理安排施工工序，先填筑部分壩體，后施工防滲墻，最后施工連接板，在施工工序上盡量減小各個建筑物連接部位的變形差異。

《混凝土面板堆石壩設計規(guī)范》對覆蓋層上的混凝土面板堆石壩的混凝土面板并未提出特殊要求。事實上，由于覆蓋層的存在，壩體的變形要大于常規(guī)的面板堆石壩，且其沉降時間較長，混凝土面板設計時宜對面板進行適當?shù)募訌?；面板澆筑前應預留足夠的沉降期，面板頂部的填筑體沉降量宜小于2～5 mm/月。多諾水電站大壩最大壩高僅有112.5 m，但混凝土面板設計時，在面板混凝土中摻入了一定量的微纖維和MgO，以提高混凝土面板的抗裂性能；同時在面板上部高程、周邊縫，及分期施工縫一定范圍內(nèi)布置了雙層雙向鋼筋網(wǎng)。

2.5 接縫位移

覆蓋層上的面板壩保留了覆蓋層，且由于覆蓋層的變形，壩體的接縫位移通常大于相同壩高的面板堆石壩，因此，壩體接縫止水設計應根據(jù)壩體三維有限元應力應變計算和工程經(jīng)驗類比確定。根據(jù)接縫位移的大小，接縫止水按規(guī)定進行計算時，需尤其關(guān)注的是止水的異型接頭，塑性止水保護蓋片和銅止水的異型接頭均宜在工廠整體加工成型，預埋銅止水后應及時采取保護措施。

由于覆蓋層采用混凝土防滲墻防滲，所以防滲墻和壩體的趾板和面板需要進行連接。為適應兩者之間的變形，通常在趾板和防滲墻之間采用連接板進行連接，連接板和趾板及防滲墻相連接，連接部位的分縫按周邊縫進行設計。

3 工程實例——多諾水電站面板堆石壩設計

3.1 多諾水電站簡述

多諾水電站位于四川省九寨溝縣境內(nèi)的白水江次源黑河上，是白水江流域水電梯級開發(fā)的龍頭水庫。電站采用混合式開發(fā)，裝機容量100 MW，多年平均發(fā)電量3.947億kW·h。電站水庫正常蓄水位2 370.00 m，相應庫容5 622萬m3，調(diào)節(jié)庫容4 915萬m3，具有年調(diào)節(jié)性能。攔河大壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程為2 374.50 m，壩頂寬度10 m，最大壩高112.50 m，防浪墻頂高程2 375.70 m，上游壩坡為1：1.4，下游壩坡綜合坡比1：1.48，下游壩坡設3級馬道，兩級馬道之間高差30 m。

3.2 面板堆石壩壩體分區(qū)設計

壩體分區(qū)及壩料設計以控制壩體的變形、沉降為主導，盡量減小壩體的不均勻沉降，避免面板開裂的產(chǎn)生及接縫止水的破壞，同時壩體各分區(qū)要有良好的級配過渡，滿足設計透水要求。根據(jù)本工程大壩各區(qū)的作用，主要分為上游蓋重區(qū)(ⅠB)、上游輔助防滲區(qū)(ⅠA)、墊層料區(qū)(ⅡA)、特殊墊層區(qū)(ⅡB)、過渡層區(qū)(ⅢA)、主堆石區(qū)(ⅢB)、次堆石區(qū)(ⅢC)、下游堆石區(qū)(ⅢD)、塊石護坡(ⅢE)9個區(qū)域。壩體典型斷面分區(qū)見圖1。

圖1 壩體典型斷向分區(qū)

3.3 壩基處理

壩址區(qū)河床覆蓋層厚度一般20～30 m，局部厚達41.7 m。河床部位覆蓋層采用挖除含漂卵砂礫石層(第②層)及塊碎石土層(第③層)，大壩建基面置于含漂塊碎礫石土層(第①層)上。為了改善壩體基礎覆蓋層的物理力學性能，提高地基覆蓋層的干密度、壓縮模量，減少大壩不均勻沉降，改善面板垂直縫、趾板周邊縫的止水適應性，施工人員對開挖后的大壩覆蓋層基礎進行振動碾壓處理，采用25 t以上振動碾振動碾壓10遍。

河床部位覆蓋層采用混凝土防滲墻進行防滲，防滲墻頂部和連接板相連，然后連接板下游和河床趾板相連，河床趾板和面板通過周邊縫連接?；炷练罎B墻墻厚1.2 m，混凝土標號為C30W12F100，防滲墻底部深入基巖1 m，最大深度約26 m。根據(jù)應力應變計算成果，結(jié)合已建同類工程經(jīng)驗，在防滲墻頂部一定高程設置鋼筋籠。大壩混凝土面板、趾板、防滲墻及帷幕灌漿共同組成大壩完整封閉的防滲體系。

3.4 混凝土面板設計

面板采用C25鋼筋混凝土，抗?jié)B標號W12，抗凍標號F150，其厚度按公式“t=0.3+0.003H”(H為計算斷面至面板頂部的高度)計算，頂部厚度0.3 m，底部最大厚度0.62 m。面板配筋采用單層雙向配筋，置于面板的中部，各向配筋率按0.4%控制，并在周邊縫附近20 m、施工縫10 m及面板頂部配置雙層雙向鋼筋，面板垂直縫兩側(cè)1.0 m范圍內(nèi)配置雙層雙向鋼筋，以提高垂直縫抗擠壓能力。

3.5 接縫止水

(1)面板垂直縫。面板分兩期施工，一期面板澆筑高程為2 325.00 m，一、二期面板之間水平縫按施工縫進行處理。面板垂直縫共21條，中部7條為壓縮縫，兩岸14條為受拉縫。垂直縫間距在中間板受壓塊寬12 m，受拉塊寬8 m。受壓板塊壓縮縫設縫寬1.2 cm，縫內(nèi)嵌12 mm瀝青木板，涂刷乳化瀝青，底部設一道“W”型銅片止水，頂部設置SR弧凸型塑性填料，外加三元乙丙復合板并用扁鋼固定保護蓋。受拉板塊拉伸縫不設縫寬，但在縫面涂刷乳化瀝青兩遍，底部設一道“W”型銅片止水，頂部設置SR弧凸型柔性填料，外加三元乙丙復合板并用扁鋼固定保護蓋。

(2)周邊縫。周邊縫設置兩道止水，即表層和底部，縫寬1.2 cm。底部設“F”型復合型銅片止水，其下鋪橡膠墊片，銅片上置SR止水片，縫內(nèi)放置橡膠棒，填塞2.0 cm厚瀝青木板?？p頂部放置橡膠棒，表層設弧凸狀SR柔性填料，外加三元乙丙復合板并用扁鋼固定保護蓋。

(3)趾板-連接板縫。趾板-連接板縫設置兩道止水，即表層和底部，縫寬2.0 cm。底部設“W”型復合型銅片止水，其下鋪橡膠墊片，銅片上置SR止水片，縫內(nèi)放置橡膠棒，填塞2.0 cm厚瀝青木板。頂部放置橡膠棒，表層設弧凸狀SR柔性填料，外加三元乙丙復合板并用扁鋼固定保護蓋。

(4)連接板-防滲墻縫。連接板-防滲墻縫設置兩道止水，即表層和底部，縫寬2.0 cm。底部設“F”型復合型銅片止水，其下鋪橡膠墊片，銅片上置SR止水片，縫內(nèi)放置橡膠棒，填塞2.0 cm厚瀝青木板。頂部放置橡膠棒，表層設弧凸狀SR柔性填料，外加三元乙丙復合板并用扁鋼固定保護蓋。

4 結(jié) 語

覆蓋層上的面板堆石壩壩基覆蓋層采用混凝土防滲墻進行處理，覆蓋層的沉降和滲透特性會對壩體產(chǎn)生多方面的影響。設計人員應尤其關(guān)注其和常規(guī)面板堆石壩的不同，加強壩體結(jié)構(gòu)和壩基處理設計，加強壩基覆蓋層的反濾保護和面板及接縫止水設計。

目前已建成的最高混凝土面板堆石壩是水布埡大壩，其壩高233 m，而在覆蓋層上的面板壩雖有極大的經(jīng)濟優(yōu)勢，但總體高度仍然不高，已建工程不多，主要原因是壩基的覆蓋層會對壩體產(chǎn)生顯著影響，其安全性受到一定的質(zhì)疑。但是，通過采取相應的工程措施，其安全性是能夠得到保證的，且眾多的工程經(jīng)驗也證明其安全性和其他類型的土石壩是一致的。若能精心設計、精細施工，發(fā)揮其良好的經(jīng)濟性，仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>