水布埡混凝土面板堆石壩主要技術創新及應用

熊澤斌 曹艷輝

摘要：水布埡面板堆石壩最大壩高233.0m，為當前世界已建最高面板堆石壩。為確保大壩長期穩定運行，通過包括國家“九五”國家科技攻關等一系列的研究與實踐，在筑壩材料性能及試驗方法、壩體變形控制、防滲系統結構和材料、施工與質量控制、原型觀測等方面取得了多項創新成果，并成功應用。水布埡工程形成的系統性超高面板壩筑壩技術，改變了面板壩僅靠經驗和類比設計的模式。逾13。的運行監測表明，大壩最大沉降僅2.65m，最大滲漏量僅66L/s，大壩結構安全，運行狀態良好。

關鍵詞：面板堆石壩，變形控制，防滲結構，接縫止水，安全監測，水布埡水電站

中圖法分類號：TV641.4文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.enki.slsdkb.2020.02.008

1 概述

水布埡面板堆石壩為目前世界上已建成的最高面板壩，最大壩高233.0m。在工程立項時，當時已建最高面板壩為墨西哥阿瓜米爾帕（Aquamilpa）壩（187m），在沒有200m級面板壩設計、施工規范和工程經驗的條件下，要設計、建造一座233m高的世界最高面板壩，極具挑戰性。需要解決超高面板壩設計理念、高應力條件下大壩填料力學特性、高面板壩變形控制技術、高性能面板混凝土、適應大變形的止水結構及高面板壩的新型監測手段等一系列重大技術難題。為此，經過國家“九五”科技攻關、工程前期設計科研和建設過程中的專項研究，取得了一批創新性成果并成功應用于工程實踐，在面板壩筑壩材料性能及試驗方法、壩體變形控制、防滲系統結構和材料、施工與質量控制、大壩性狀監控及安全評價等方面均有重大創新和突破，形成了一整套超高面板壩筑壩關鍵技術。通過水布埡工程的實踐，超高面板壩建設已形成了成熟的理論及成套的技術，并成功應用。水庫蓄水運行13a來，大壩的監測結果表明大壩的應力、變形、滲漏量等各項性態指標均在設計控制范圍內，大壩的工作狀態安全，且運行良好。水布埡混凝土面板堆石壩成為中國面板壩建設領先于世界的標志性工程。

2 工程概況

水布埡水電站位于湖北省清江中游河段恩施州巴東縣境內，是國家“十五”期間的重點建設項目，是清江干流梯級開發的龍頭電站，水庫正常蓄水位400.0m，死水位350.0m，水庫總庫容45.80億m³，為多年調節水庫，具有發電和防洪并兼顧其他綜合利用等綜合效益，是華中電網骨干調峰調頻電站。水布埡壩址上距恩施市117km，下距清江第二梯級隔河巖水電站92km。樞紐主要由面板壩、右岸引水式地下廠房、左岸開敞式溢洪道和右岸放空洞組成。樞紐布置見圖1。

水布埡鋼筋混凝土面板堆石壩位于清江中游一段“S”形河道的腰部，大壩兩側岸坡總體上呈不對稱的“V”字形，左岸岸坡平均坡角52°，右岸岸坡平均坡角35°，是目前世界上已建成的最高面板壩，最大壩高233.0m，最大壩前作用水頭約200m，大壩抗震按Ⅶ度設防。大壩壩頂高程409.0m，壩頂寬度12m，壩軸線長675m。大壩上游壩坡1：1.4;下游設有“之”字型馬道，馬道寬4.5m，局部壩坡1：1.25，綜合壩坡1：1.4。大壩堆石體填筑工程量1464萬m³，上游鋪蓋62萬m³，總體積1526萬m³，混凝土面板面積13.7萬m²，各類接縫總長12500m。大壩填筑于2006年10月上旬完成，水庫于2006年10月中旬開始蓄水。

左岸開敞式溢洪道最大下泄流量為18280m³/s，相應單寬流量204m³/（s·m）。右岸引水式地下電站總裝機容量1840MW（4x460MW），年平均發電量39.84億kW·h。右岸放空洞最大擋水水頭154m，最大操作水頭110m，最大下泄流量1600m³/s。

3主要技術創新

水布埡面板壩被列入我國“九五”科技攻關的依托對象，在水布埡面板壩論證和建設過程中，建設各方對筑壩材料的性能及試驗方法、壩體變形控制、大壩防滲系統結構和材料、施工與質量控制、大壩原型觀測等進行了系統的研究論證，并成功應用于水布埡超高面板壩，形成了較為系統的高面板壩設計體系，有力推動了我國和世界面板壩建設的發展。

3.1 壩料性能及試驗方法

（1）筑壩材料的工程特性研究。高應力下筑壩材料的選擇及其工程特性研究是面板壩設計的基礎。在國內外研究現狀的基礎上，對堆石料母巖的物理力學特性、爆破級配特性和堆石料的現場壓實特性進行了研究，并對堆石料工程特性的試驗方法進行了探索;在此基礎上，對堆石料的工程特性系統性地進行了多年的試驗研究，確定了堆石料的壓縮特性、強度與變形特性、濕化特性以及堆石料與面板的接觸特性等，并提出了相應的設計指標。

（2）對面板壩流變特性進行了系統研究。對堆石料的流變特性采用大型高壓應力控制式三軸儀進行了系統性試驗研究，首次提出了以下堆石料的流變規律：堆石料的流變量只與最終應力狀態相關，與應力歷史、本級的應力增量大小無關;在雙對數坐標系下，“流變量”的時間曲線呈很好的線性關系。不同堆石材料在不同應力狀態下的流變呈現相同規律，從而提出了堆石料的“九參數流變模型”及模型參數。

（3）首次在面板壩應力變形分析中引入了“面板子模型技術”。面板壩壩體的三維尺度遠大于面板厚度，針對這一特殊結構形式，在面板壩的數值分析中首次引入“子模型法”，可合理模擬面板垂直縫、周邊縫等接縫處的應力變形不連續性，并采用大部分范圍內面板的法向應力約等于對應水頭作用下的水壓力作為判別面板壩數值分析成果是否合理的最低標準。“子模型法”在面板壩應力變形分析中的應用，使面板壩仿真計算又上了一個新臺階。

3.2 壩體變形控制技術

（1）首次提出“在控制各分區之間不均勻沉降變形的前提下可利用料利用最大化”的高面板壩壩體分區與壩料設計原則。具體如下：①壩料選擇與碾壓參數設計，應保證在倉面碾壓后各填筑區之間變形協調，平行壩軸線方向堆石體變形連續（即不出現平行岸坡的裂縫）;②面板澆筑時，對應部位壩體的大變形已開始收斂，填筑料母巖長期穩定性好，壩體流變收斂速度快;③平行水流方向各填筑區填料應滿足滲透穩定要求;④面板澆筑后，壩體變形應在止水結構所能適應的范圍內;⑤大壩頂部范圍壩體應具有足夠的斷面和剛度，以保證蓄水后壩體上游坡面不出現明顯的拐點;⑥建筑物開挖可利用料利用最大化。

（2）首次采用“反抬法”對壩體預壓控制變形。合理規劃壩體的填筑工期與面板澆筑時機，壩體填筑沿壩軸線方向均勻上升;創造條件在順水流向采用下游壩體先行上升的“反抬法”施工，使得澆筑面板時所對應的“臨時壩體”有一定的預沉降期，保證壩體的大變形已開始收斂，以減小壩體后期變形對已澆面板的影響。

（3）首次提出分期面板澆筑前“壩體變形時空預沉降控制法”。面板澆筑時，面板頂部與“臨時壩體”壩頂之間的高差應不小于15m，以減小壩體后期變形對已澆面板的影響。

面板澆筑時，如果面板頂部高程對應壩體的大變形過程未完成，面板澆筑后的壩體后期沉降變形可能會導致面板底部出現脫空，甚至面板出現斷裂。為保證面板澆筑時對應的壩體大變形過程已完成，并避免出現大起伏波浪型坡面，水布埡面板壩同時采取了保證足夠的預沉降時間和荷載預壓這兩項有效措施。

（4）首次對超高面板壩河床砂礫石覆蓋層經強夯技術處理后予以保留。面板壩大壩基礎處理一般清除松散料，以保證趾板及壩料與壩基間結合良好。水布埡面板壩壩基部位砂礫石覆蓋層厚12.0-20m。為減小施工廠作量、加快施工進度并節省工程投資，在水利水電工程壩基處理施工中首次對壩體范圍內的大部分覆蓋層（約13萬m³）進行強夯處理后予以保留。運行后的監測資料顯示，覆蓋層的最大變形僅9.8cm，說明壩基強夯處理的效果非常顯著，為高面板壩的同類壩基處理開辟了一條新途徑。

3.3 大壩防滲系統結構和材料

研究適應高水頭和大變形的止水結構與材料，是解決超高面板壩筑壩的關鍵技術之一。接縫止水主要對周邊縫接縫位移控制措施和適應大變形、高水頭的止水結構與材料這兩個方面進行研究。

（1）在接縫止水理念方面，首次提出了強化表層止水結構，表、中、底層止水結構各自自成一體，外設自愈系統，以及以防滲為主、兼有自愈功能的多重止水和限漏的新理念。

（2）研制了適應大變形、具備自愈功能的新型止水結構體系。研究提出了一種新型的強化表層止水的周邊縫止水系統（見圖2），并采用三維超載模型試驗探討了其在高水頭作用下的止水性能。試驗成果表明，在270m水頭作用下，周邊縫出現張開50mm、剪切50mm、沉降100mm的變形時，穩壓11d也未滲漏。該止水系統作為專門為水布埡工程特別研制的新型止水系統，列入了國家“九五”科技攻關，并經福建芹山面板壩（最大壩高122m）試檢驗后，成功運用于水布埡工程。

（3）周邊縫頂部止水采用波形止水結構，確保在高水頭、大變形作用下周邊縫止水結構具有良好的密封性能。

（4）首次在面板上設置永久水平縫，顯著提高面板適應變形能力。在高程332.0m處的面板設置了一條永久水平縫，采用與面板垂直縫相同的結構型式，即設置頂、底兩道止水，鋼筋過縫，縫內嵌填隔縫材料，這一措施有效降低了面板的順坡向應力，從而減少了面板裂縫。面板永久水平縫示意見圖3。

（5）創新應用“標準板+防滲板”新型趾板結構型式。水布埡壩址河谷狹窄，谷坡高陡，如果采用常規趾板布置型式將會產生較大的開挖量并增加施工難度。經研究論證，大壩趾板結構首次采用了“標準板+防滲板”的新型結構，將防滲板內置于趾板下游壩體以內，此項措施節省趾板上游邊坡開挖工程量約20萬m³，同時大大加快了施工進度。

3.4 大壩施工與質量控制技術

作為世界上最高的混凝土面板堆石壩，水布埡面板壩填筑分區種類多、工程量大（約1570萬m³）、月填筑強度大（最高約70萬m³/月）、施工相互干擾多，具有工程質量標準高、大壩施工工藝復雜、過程控制難度大和創新技術質量控制難度大等特點，為保證了程的質量和工期，采用了一整套先進的大壩施工及質量控制技術。

（1）研發并應用多維動態高強度土石方調配系統，實現了大壩填筑高強度連續均衡上升。以建筑物開挖可利用料的利用最大化、中轉最小化為核心原則進行土石方平衡，以經濟最優為原則進行場內道路規劃和料物調配，以對環境影響最小為原則進行料場優化，通過動態優化壩體填筑料的料源、料型、道路和填筑區多維度復雜系統，實現了建筑物開挖可利用料的充分利用。

大壩施工過程中，經優化論證，在溢洪道引水渠設計底板高程以下繼續擴挖40m取灰巖料作為上壩料，這一項措施共減少從料場取料400萬m³，取得了顯著的經濟和環保效益;充分利用地形條件，在兩岸的4個高程精巧布設施工道路，并在高程350m開挖一條直通溢洪道的臨時交通洞，解決了高程350m至高程380m壩體上料的難題，實現了大壩填筑的高強度連續均衡上升。

（2）研制發明了止水銅片整體連續滾壓成型機，實現了141m長止水帶連續無焊點;采取在工廠整體一次沖壓成型的銅止水接頭，保證了質量，提高了運行可靠性。超長止水銅片整體連續滾壓成型機能夠根據止水銅片需要的長度，在現場連續整體加工，減少和避免了中間焊點這一薄弱環節;采用整體沖壓成型工藝在工廠制作L型、十字型和T型銅止水接頭，有效解決了銅止水接頭整體成型的技術難點，提高了止水系統運行的可靠性。

（3）引入、改進并完善擠壓邊墻施工技術。傳統施工工藝中，墊層料采用斜坡碾壓，實施擠壓邊墻技術后，可使墊層料的施工調整為垂直碾壓，降低施工難度，加快施工進度。水布埡工程開展了專門的擠壓邊墻三維仿真研究和室內配合比試驗，并在應用中加以改進和完善，創新提出擠壓邊墻結構性狀（滲透、強度）應在面板與墊層間起過渡作用，擠壓邊墻材料須具有低強度、低彈模、半透水等特點;創造性地提出將邊墻結構與面板垂直縫同縫切斷，這一措施減少了擠壓邊墻對面板的約束，有效保障了面板長期穩定安全運行。

（4）首次自主研發了大壩碾壓GPS高精度實時監控系統，在大壩填筑施工過程中，監控振動碾的碾壓遍數、行走軌跡及行走速度，實現了壩體填筑碾壓施工的實時、連續和自動控制，有效地監控和保障了大壩的填筑質量，同時大幅降低了現場工作人員的勞動強度，提高了施工效率。

（5）采用附加質量法對壩體填筑密度進行快速檢測。水布埡面板壩填筑質量要求高，施工質量控制難度大。采用試坑法檢測堆石體質量速度慢，對大壩快速施工有一定影響，為了增加堆石體密度的檢測頻次，同時又不影響大壩施工，在壩體質量檢測方法中引入了附加質量法作為質量控制的快速檢測方法，配合傳統的試坑法，較好地滿足了大壩施工質量檢測的需要，取得了良好的使用效果。

3.5 大壩原型觀測技術

在面板壩的發展過程中，安全監測越來越受到重視，大壩壩高的增加對安全監測技術和儀器也提出了更高的要求，一些傳統的監測技術或儀器已很難適應。通過自主研發，充分利用自動化遙測遙控和光纖光柵技術，水布埡大壩采用了一批安全監測新技術，實現了對大壩全面、動態的監控。

（1）首次采用光纖陀螺儀技術監測面板撓度變形和壩體水平垂直位移。面板撓度隨面板長度的增加而增大，水布埡大壩的面板最長約400m，面板撓度監測問題十分突出。因此，為解決水布埡超高面板堆石壩的面板撓度監測難題，自主研發了一套光纖陀螺撓度監測系統，并首次沿面板順坡向布設，對面板撓度實施高精度、連續監測，克服了傳統測斜儀監測精度低、測點不連續的不足。

在高程371m布設一套壩體水平垂直位移監測系統，對壩體沉降實施高精度、連續監測，以及對水平位移實施高精度、密分布監測，有效克服了傳統水平垂直位移計監測點不連續的不足。

（2）研制并應用了520m級超長遙測遙控水平垂直位移計。為了解決水布埡面板堆石壩觀測范圍大、精度要求高的難題，研制并應用了520m級超長遙測遙控水平垂直位移計，可以觀測520m范圍內的壩體變形，水平位移測量分辨率達到了0.1mm，垂直位移測量分辨率達到了0.04mm;水平和垂直位移測量的準確度分別達到10mm與0.5mm，并已實現全過程遙控遙測，保證了原型觀測的連續性與及時性。

（3）自主研發光纖光柵測溫系統進行周邊縫滲漏監測。為全面監測超高面板堆石壩周邊縫的滲漏情況，通過研究滲流場與溫度場的對應關系，并利用光纖光柵的優勢，自主研發了準分布式光纖光柵測溫系統，并首次沿周邊縫布設，對周邊縫的滲漏實現了連續監測，并對面板壩周邊縫的滲漏點進行定位。

4 結語

水布埡工程形成的系統性超高面板壩筑壩技術，改變了混凝土面板堆石壩僅靠經驗和類比設計的模式，為未來更高的超高面板壩發展奠定了良好的基礎，項目研究成果正作為中國工程院等單位開展的《300m級高面板堆石壩適應性及對策研究》課題的重要支撐，其開放式的研究體制和成果共享機制，也為國內外近期建設的芹山、洪家渡、三板溪和巴昆等一批高面板壩提供了重要技術支持。逾13a的運行監測表明，大壩最大沉降僅2.65m，最大滲漏量僅66L/s，大壩結構安全，運行狀態良好。