楊澤艷，王富強，吳毅瑾，孫永娟

（1. 水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京市西城區(qū) 100120；2. 中國水電工程顧問集團(tuán)有限公司，北京市西城區(qū) 100120）

1 堆石壩類型及特點

堆石壩是土石壩家族中土壩和堆石壩兩大主力壩型之一，其特征是筑壩材料的中硬巖及以上石料的占比超過土石料總量的50%。相較而言，土壩取材更為容易，技術(shù)更為成熟，其數(shù)量占中國土石壩的90%以上；堆石壩對筑壩材料要求更高，技術(shù)難度更大，其數(shù)量在中國不到土石壩總量的10%。

堆石壩因其石料占比大，使得壓實后的堆石料抗剪強度接近甚至超過40°，壓縮模量接近甚至超過200MPa，為土石壩這一壩型壩高超過100m，突破200m，達(dá)到300m奠定了堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。由于堆石料滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于10-4cm/s，堆石壩設(shè)有專門的防滲結(jié)構(gòu)。經(jīng)過長期的工程實踐和技術(shù)積累，堆石壩防滲體主要集中于土心墻、鋼筋混凝土面板、瀝青混凝土、土工膜等四大類。以防滲體技術(shù)成熟度為標(biāo)志，土心墻堆石壩最高達(dá)到300m級，鋼筋混凝土面板堆石壩最高達(dá)到230m級，瀝青混凝土心墻堆石壩最高達(dá)170m級，土工膜面板堆石壩最高達(dá)100m級。如果說土壩在數(shù)量上占絕對優(yōu)勢，則堆石壩在高度上點絕對優(yōu)勢。

堆石壩體現(xiàn)了當(dāng)?shù)夭牧蠅晤愋偷挠兴鶅?yōu)勢，對壩區(qū)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較強，對壩基地質(zhì)條件要求相對較低，筑壩料可就地取材，外來材料運輸量較小。但壩身不能過水，樞紐泄水建筑物需布置在岸邊，壩體填筑方量較大，料場占地較多，征地范圍較大。

隨著壩體高度的上升，堆石壩承受水頭增加，相應(yīng)壩體滲透水頭、結(jié)構(gòu)受力將大幅增長，相應(yīng)壩體抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定和變形穩(wěn)定控制要求大幅提高，設(shè)計和施工技術(shù)難度也將大幅增加。大壩高度變化最能反映堆石壩技術(shù)進(jìn)步水平，本文以壩高發(fā)展變化為主線論述中國堆石壩的新發(fā)展。

2 發(fā)展歷程

20世紀(jì)初到50年代初是中國水工技術(shù)發(fā)展的艱難起步階段[1]，中國土石壩以土壩為主。這一時期，中國大陸最高的土壩可能要算鴛鴦壩（高30.3m，1947年建成），中國臺灣最高的土石壩要算烏山頭壩（高50.5m，1930年），這一時期幾乎沒有堆石壩，最大壩高50m級。

20世紀(jì)50年代初到70年代末是中國水工技術(shù)的曲折發(fā)展階段，這一階段，中國大陸建成最高的土心墻堆石壩是碧口壩（高101.8m，1976年），最高的木斜墻堆石壩是紅楓壩（高52.5m，1960年），最高的鋼筋斜墻堆石壩是百花壩（高48.7m，1966年），最高的瀝青混凝土斜墻堆石壩是石砭峪壩（高82.5m，1980年），最高的瀝青混凝土心墻堆石壩是黨河一期壩（高59m，1974年），深厚覆蓋層上最高的堆石壩是毛家村土心墻堆石壩（高82.5m，1970年）。這一時期堆石壩以拋填、干砌、定向爆破及靜態(tài)碾壓施工工藝為主，壩高剛超過100m。這一時期也是臺港堆石壩發(fā)展的黃金時期，先后建成了石門土心墻堆壩（高133m，1964年）、曾文土心墻堆石壩（高133m，1973年）。香港的高島東壩和西壩（高分別為107m和102.5m，1979年）瀝青混凝土心墻堆石壩，應(yīng)用了振動碾壓技術(shù)，壩高突破130m。土心墻堆石壩處于領(lǐng)先地位。

20世紀(jì)80年代初到20世紀(jì)末是中國水工技術(shù)的借鑒發(fā)展階段，這一時期，建成最高的土心墻堆石壩是小浪底壩（高160m，2000年），也是同時期深厚覆蓋層上最高的堆石壩工程，最高的面板堆石壩是天生橋一級壩（高178m，2000年），最高的瀝青心墻堆石壩是黨河（二期）壩（加高到74m，1994年），瀝青混凝土面板堆石壩是天荒坪蓄能上庫壩（高72m，1997年），石砭峪壩用膜面板進(jìn)行防滲處理（大壩加高至85m，2000年），最高的膜心墻堆石壩是竹壽壩（高60.22m，1995年）。改革開放之后，振動碾壓技術(shù)引入中國，并得到廣泛應(yīng)用，中國堆石壩得到大力發(fā)展，這一時期面板堆石壩發(fā)展最快，瀝青防滲體堆石壩、土工膜防滲體堆石壩得到一定發(fā)展，最大壩高尚未超過200m。面板堆石壩處于領(lǐng)先地位。

21世紀(jì)開始是中國水工技術(shù)的突破發(fā)展階段，這一時期中國堆石壩筑壩技術(shù)取得突破性重大發(fā)展，建成最高的土心墻堆石壩是糯扎渡壩（高261.5m，2013年），深厚覆蓋層上最高的堆石壩是長河壩（高240m，2017年），最高的混凝土面板堆石壩是水布埡壩（高233m，2008年），最高的瀝青混凝土心墻堆石壩是去學(xué)壩（高173.2m，2018年），最高的瀝青混凝土面板堆石壩是西龍池蓄能下庫壩（高97.4m，2010年），最高的膜面板堆石壩是老撾南歐江六級壩（高85m，2015年），最高的膜心墻堆石壩是華山溝壩（高69.5m，2015年）。開工建設(shè)了兩河口土心墻堆石壩（高295m，2014年開工）和雙江口土心墻堆石壩（高312m，2015年開工）。這一時期，振動碾壓技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，最大碾子重量達(dá)到32t級，最大壩高超過260m，混凝土面板壩、瀝青防滲、膜防滲堆石壩的高度創(chuàng)世界紀(jì)錄。紫坪鋪面板堆石壩經(jīng)受了特大地震的考驗。土心墻堆石壩處于領(lǐng)先地位（見圖1）。

圖1 中國堆石壩發(fā)展過程示意圖Figure 1 Development process of rockfill dam in China

3 建設(shè)新成就

3.1 土心墻堆石壩

土心墻堆石壩壩體斷面較大，樞紐布置調(diào)整余地較小，壩體工程量較大，填筑工期較長，土料施工受降雨、冬季影響較大，防滲土料場多占用耕地區(qū)域，建設(shè)征地工作量大，用過的料場需要復(fù)耕，環(huán)保水保影響面大，有的地方甚至很難找到合適的防滲土料。但其對地基適應(yīng)性好，材料來源廣泛，堆石料填筑密實度要求相對較低，國外20世紀(jì)80年代就有300m高土心墻堆石壩的建設(shè)實踐。進(jìn)入21世紀(jì)，中國高土心墻堆石壩建設(shè)快速發(fā)展，先后建成了小浪底、瀑布溝、糯扎渡、長河壩等高土心墻堆石壩工程（見表1），最大壩高突破260m。

小浪底壩采用斜心墻布置，糯扎渡、長河壩、瀑布溝等壩均為正心墻布置。糯扎渡、長河壩、瀑布溝壩均采用礫石土料填筑心墻，瀑布溝壩采用篩分后的礫石土料，糯扎渡壩采用平鋪立采工藝進(jìn)行土料摻礫，長河壩大壩根據(jù)土料場的分布情況，除礫石土料直接上壩外，還采用了篩分、摻礫等土料加工工藝。這些超高壩的殼料均為堆石壩。小浪底、瀑布溝、長河壩等壩均位于深厚覆蓋層上。

糯扎渡工程是中國和亞洲第一高壩，世界第三高壩，代表當(dāng)今中國堆石壩最高水平，工程建設(shè)針對勘探手段、筑壩材料、壩體計算、抗震措施、施工技術(shù)、質(zhì)量保證做了大量研究和工程應(yīng)用，獲多項國家科技進(jìn)步獎。小浪底、瀑布溝、糯扎渡等壩榮獲國際堆石壩里程碑工程獎。長河壩工程超越瀑布溝工程創(chuàng)造了深厚覆蓋層上建設(shè)超高壩的世界紀(jì)錄，將堆石壩地基適應(yīng)能力強及壩體的柔性特性發(fā)揮到極致。碧口、水牛家等土心墻堆石壩多次經(jīng)受地震考驗，工程安全性能良好。

表1 中國已建壩高前列土心墻堆石壩Table 1 The built earth core rockfill dams in forefront， China

3.2 混凝土面板堆石壩

混凝土面板堆石壩趾板對地質(zhì)條件要求相對較高，趾板邊坡相對較高，混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)防裂抗裂要求高，沿趾板布置防滲帷幕線使得防滲工程量相對較大，壩殼料填筑密實度要求相對較高。但其壩體斷面相對較小，樞紐及壩體布置調(diào)整余地較大，可利用壩體斷面臨時擋水，施工不受雨季、冬季影響，占用耕地較少，水土流失影響小，工期相對較短，投資相對較低。

自1985年我國引入現(xiàn)代混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)以來，在吸收國際面板堆石壩經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，中國混凝土面板堆石壩建設(shè)技術(shù)得到不斷發(fā)展，是堆石壩中發(fā)展最快、建設(shè)工程最多的壩型，截至2017年底，中國面板堆石壩約450座。近年來，天生橋一級、洪家渡、三板溪、水布埡、猴子巖等一批壩高180m級以上的高面板堆石壩相繼建成投運（見表2），代表中國面板堆石壩建設(shè)技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。

表2 中國已建壩高前列混凝土面板堆石壩Table 2 The built concrete face rockfill dams in forefront， China

這些工程均采用堆石料填筑，上游壩1:1.4，下游壩坡1:1.4～1.6，充分體現(xiàn)壩體斷面較小、堆石填筑可全天候施工的特點。2005年以后建設(shè)的高面板堆石壩在保證壩坡抗滑穩(wěn)定和壩料滲透穩(wěn)定的同時，更加注重壩體變形控制、面板混凝土防裂抗裂等問題，壩體滲漏量小，運行性態(tài)良好。

水布埡壩高233m，為世界上最高的混凝土面板堆石壩。猴子巖為世界第二高面板堆石壩，但河谷更為狹窄，下游堆石體位于覆蓋層上，壩體變形控制非常成功。中國深厚覆蓋層上面板堆石壩建設(shè)也不斷刷新世界紀(jì)錄，九甸峽壩為目前國內(nèi)外深厚覆蓋層上已建最高的面板堆石壩。水布埡、洪家渡、九甸峽等壩榮獲國際堆石里程碑獎。紫坪鋪壩是世界上第一座經(jīng)受Ⅸ～Ⅹ度極高地震烈度檢驗的高混凝土面板堆石壩，震后修復(fù)良好，證明了堆石壩良好的抗震性，為此榮獲國際堆石壩特別工程獎。

3.3 瀝青混凝土防滲堆石壩

瀝青混凝土防滲堆石壩最大壩高低于土心墻堆石壩和面板堆石壩，對地基適應(yīng)性僅次于土心墻堆石壩，壩體斷面大于面板堆石壩，布置調(diào)整余地相對較小，有的地方難找到合適的堿性骨料，瀝青混凝土心墻施工受雨季、冬季影響，有效工作時段相對較短，瀝青混凝土加工對環(huán)境影響較大。但其對地基適應(yīng)性比面板堆石壩好，壩體斷面小于土心墻堆石壩，布置調(diào)整余地更大，壩殼料填筑密實度要求較混凝土面板堆石壩低，占用耕地較少，水土流失影響小，壩體工程量比土心墻堆石壩小，工期更短，投資更少。

瀝青混凝土防滲堆石壩發(fā)展在中國堆石壩位列第三位，發(fā)展速度相對較慢，大壩數(shù)量也較為有限。1979年中國香港的高島東西壩高度即突破100m，中國大陸混凝土心墻堆石壩高度突破100m還是進(jìn)入21世紀(jì)以后，目前最大壩高達(dá)170m級（見表3）。

表3 中國已建壩高前列瀝青混凝土防滲堆石壩Table 3 The built asphalt impervious rockfill dams in forefront， China

心墻防滲型式的高度要大于面板防滲型式。上下游壩坡較土心墻堆石壩陡，但較混凝土面板堆石壩緩。筑壩材料有堆石壩料，也有砂礫石料。壩體也可建在深厚覆蓋上。去學(xué)壩是目前世界上最高的瀝青混凝土心墻堆石壩[2]，代表中國瀝青混凝土防滲體堆石壩最高水平。

3.4 膜防滲堆石壩

膜防滲堆石壩的特點和適應(yīng)性與瀝青混凝土防滲體堆石壩有相似之處，膜技術(shù)受化工材料技術(shù)發(fā)展的影響較大，在壩高發(fā)展上受膜強度、耐久性的制約較大。隨著材料技術(shù)的快速發(fā)展，化學(xué)土工膜的耐久性及抗老化問題已不再是制約其使用的關(guān)鍵因素，其發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

膜防滲堆石壩起步相對較晚。阿爾巴尼亞1996年建成的Bovilla定向爆破堆石壩膜防滲面板高56m。葡萄牙1981年采用膜面板對高110m的Paradela混凝土斜墻壩進(jìn)行修復(fù)處理，西班牙1984年采用膜面板對高97m的Poza De Los Romos瀝青混凝土面板壩進(jìn)行修復(fù)，此壩后來加高到134m。

中國2001年用膜面板對高85m的石砭峪瀝青混凝土面板堆石壩進(jìn)行修復(fù)，2009年建成的仁宗海膜面板堆石壩高56m，2016年由中國人投資、設(shè)計和建設(shè)的膜面板堆石壩達(dá)到85m高度。1995年建成的竹壽膜心墻堆石壩高度超過60m，2011年建成的華山溝膜心墻堆石壩高度69.5m。在中國膜防滲體堆石壩是堆石壩中發(fā)展速度較慢、建設(shè)高度尚未突破100m的壩型（見表4），較國外技術(shù)水平尚有一定差距。

膜防滲堆石壩可采用堆石壩填筑，也可采用砂礫石填筑。已建膜面板堆石壩的高度要高于膜心墻堆石壩，中國已建兩座較高的膜心墻堆石壩均是與土料共同防滲，或作為主要防滲體，或作為輔助防滲體。膜防滲堆石壩也體現(xiàn)了堆石壩對地基適應(yīng)性強的特點，多座建在深厚覆蓋層上。

老撾南甌江六級壩經(jīng)大量論證和比較分析[3]，選用了最新型CNT3750-3.5mmPVC +700g土工膜作為防滲體，且為全祼露相符合土工膜，滿足中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和國際大壩委員會推薦的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，代表當(dāng)前膜防滲材料在堆石壩應(yīng)用的最高水平。

4 科技發(fā)展

堆石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展離不開科技進(jìn)步?！傲濉薄捌呶濉薄鞍宋濉薄熬盼濉眹铱萍脊リP(guān)期間先后有“高土石壩筑壩關(guān)鍵技術(shù)”“深厚覆蓋層基礎(chǔ)上的建壩技術(shù)”“鋼筋混凝土面板堆石壩技術(shù)”“土質(zhì)防滲體高土石壩技術(shù)”“高土石壩原型觀測和土工離心模型試驗技術(shù)”“70～100m級深混凝土防滲墻成套技術(shù)”“200m級高混凝土面板堆石壩技術(shù)”等項目，依托天生橋一級、魯布革、小浪底、瀑布溝、西北口、水布埡等工程開展科技攻關(guān)[4]，同時還有國家自然科學(xué)基金、省部委、高等院校、企業(yè)集團(tuán)組織開展的大量科技研究。

通過大量研究和工程應(yīng)用，中國堆石壩筑壩技術(shù)取得了創(chuàng)新發(fā)展，先后有“混凝土面板堆石壩施工技術(shù)研究”“高混凝土面板砂礫石壩關(guān)鍵技術(shù)研究”“峽谷地區(qū)200m級高面板堆石壩筑壩技術(shù)研究及其洪家渡壩工程應(yīng)用”“水布埡超高面板堆石壩工程筑壩關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”“高土石壩抗震設(shè)計理論研究與工程應(yīng)用”“高混凝土面板堆石壩安全關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用”“超高心墻堆石壩關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”等項目榮獲國家科技進(jìn)步獎。

表4 中國已建壩高前列膜防滲堆石壩Table 4 The built geomembrane impervious rockfill dams in forefront， China

中國的堆石壩相關(guān)設(shè)計與施工規(guī)范也進(jìn)行了多輪制修訂。這些科技成果和規(guī)范的制修訂為我國堆石壩向更好、更高、更大發(fā)展提供了堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

5 發(fā)展展望

隨著中國“西電東送”工程建設(shè)深化，在金沙江、雅礱江等西部河流上還有多座在建的大型水電站工程采用堆石壩作為擋水建筑物，在沿海發(fā)達(dá)地區(qū)建設(shè)的抽水蓄能電站庫盆大壩也大量采用堆石壩作為擋水建筑物（見表5）。未來中國堆石壩建設(shè)潛力巨大，且向更大高度邁進(jìn)。

2015年開工建設(shè)的兩河口土心墻堆石壩高295m，為世界第三高土石壩，2016年開工建設(shè)的雙江口土心墻堆石壩高312m，建成后將成為世界第一高壩。正在設(shè)計中的如美土心墻堆石壩高315m。中國土心墻堆石壩最高達(dá)300m級，這些工程均位于高海拔寒冷地區(qū)，大壩建設(shè)面臨合理用料、變形控制、土料制備、冬季施工、防震抗震等諸多技術(shù)難題，工程的建設(shè)將創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄。

表5 中國在建前列堆石壩工程Table 5 The under construction rockfill damsin forefront， China

2018年開工建設(shè)的大石峽面板堆石壩高256m，2019年開工建設(shè)的拉哇面板堆石壩高245m，也位于高海拔寒冷地區(qū)，覆蓋層地基處理、復(fù)雜氣候條件面板混凝土裂抗裂技術(shù)難度大。工程建設(shè)將推高國際面板壩建設(shè)技術(shù)水平。阿爾塔什面板堆石壩最大高度164.8m[5]，趾板建在最大厚度94m深厚覆蓋上，建成后將是世界上趾板建在深厚覆蓋層上最高的面板堆石壩工程。

2018年開工的句容蓄能上水庫瀝青混凝土面板堆石壩高182m，2017年開工的沂蒙蓄能上水庫瀝青混凝土面板堆石壩高117.4m，兩個工程均位于沿海地區(qū)，用于抽水蓄能電站庫壩工程，雖然其承受水頭較河流上瀝青防滲堆石壩小，但大壩變形控制難度仍度較大，瀝青混凝土配合比、施工工藝要求高，將刷新瀝青防滲堆石壩的高度記錄。蘇洼龍壩是首座建在大江大河上的高度100m以上瀝青防滲心墻堆石壩，將進(jìn)一步拓寬瀝青混凝土心墻壩的應(yīng)用范圍。

筆者手上目前還沒有更高膜防滲堆石壩建設(shè)的資料，相信隨著膜材料技術(shù)、膜防滲筑壩技術(shù)的發(fā)展，會有更多更高膜防滲堆石壩加入建設(shè)行業(yè)。

6 結(jié)束語

（1）為作土石壩主力壩型的碾壓式堆石體具有抗剪強度高、壓縮模量大、透水性強的特點，在采取可靠防滲型結(jié)構(gòu)后，保留了對地基適應(yīng)性強的優(yōu)勢，發(fā)揮了高度發(fā)展?jié)摿Υ蟮膬?yōu)勢，為土石壩高度超過100m，突破200m，達(dá)到300m奠定了堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

（2）中國堆石壩從零起步，經(jīng)過曲折發(fā)展，中國堆石壩高度突破100m。借鑒發(fā)展階段，特別是振動碾壓技術(shù)的引進(jìn)，使得土心墻堆石壩、面板堆石壩、瀝青防滲堆石壩、膜防滲堆石壩等四種壩型脫穎而出，最大壩高達(dá)200m級。通過借鑒發(fā)展，中國堆石壩筑壩技術(shù)取得突破性重大發(fā)展，基本形成260級高土心墻堆石壩、230m級高面板堆石壩、160m級高瀝青防滲堆石壩、100m級高膜防滲堆石壩的格局。堆石筑壩技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)或領(lǐng)先水平。

（3）中國圍繞堆石壩筑壩技術(shù)開展了大量科技研究，特別是改革開放以來，土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩等項科技成果榮獲國家級、省部級進(jìn)步獎，國際堆石壩里程碑和特別工程獎，堆石筑壩技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了多輪修制訂，促進(jìn)和保障了堆石筑壩技術(shù)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

（4）隨著中國西部水資源的進(jìn)一步開發(fā)，東部抽水蓄能電站建設(shè)的需要，中國土心墻堆石壩將向300m級高土心堆石壩、250m級高面板堆石壩、200m級瀝青防滲堆石壩，100m級高膜防滲堆石邁進(jìn)，并將全面達(dá)到世界領(lǐng)先水平。