辛 俊 生

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jiān)硬、不沖蝕和可灌漿的弱風(fēng)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(dǎo)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(dǎo)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(duì)壩基的廣泛適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)，具有極大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)已建成的建在覆蓋層上且壩高超過(guò)100 m的面板堆石壩已有7座，隨著水電開發(fā)的推進(jìn)，未來(lái)還有更大的發(fā)展空間。

表1 我國(guó)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(diǎn)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(huì)對(duì)壩體的沉降、穩(wěn)定、滲流、應(yīng)力應(yīng)變、接縫位移等產(chǎn)生影響，壩體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮壩基覆蓋層對(duì)壩體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，采取有針對(duì)性的處理措施。

2.1 對(duì)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(huì)對(duì)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(shí)間長(zhǎng)，在上部壩體荷載和水壓等作用下，其沉降變形往往較大，占?jí)误w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(dá)2.0 m，約占20%。天然干密度較高(約2.32 g/cm3)，孔隙率較?。粔误w監(jiān)測(cè)成果表明，截至2009年10月某監(jiān)測(cè)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(dá)37.6 cm。因此，覆蓋層上的混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)，應(yīng)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(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算分析、工程類比、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定采取的基礎(chǔ)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(duì)壩軸線上游的壩基覆蓋層進(jìn)行了強(qiáng)夯處理，河口村、那蘭和多諾水電站在壩體填筑前對(duì)壩基覆蓋層進(jìn)行了振動(dòng)碾壓處理。

由于覆蓋層的沉降較大，且無(wú)法挖除，通常的強(qiáng)夯、振動(dòng)碾壓等處理方式對(duì)覆蓋層的影響深度有限，為進(jìn)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(yīng)的工程措施。覆蓋層上的面板堆石壩宜對(duì)壩體的填筑料提出更高要求，可采用更大激振力的振動(dòng)碾，增加碾壓遍數(shù)，加水碾壓，嚴(yán)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(dāng)條件許可時(shí)，也可結(jié)合壩體度汛和運(yùn)行要求，提前對(duì)一定高程的壩體進(jìn)行充水預(yù)壓，這對(duì)減小壩體后期沉降也有一定效果。

2.2 對(duì)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(qiáng)度通常小于堆石料，因此應(yīng)對(duì)覆蓋層上的面板堆石壩壩坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，必要時(shí)可通過(guò)適當(dāng)放緩壩坡，在上下游增設(shè)一定高度的壓重等措施來(lái)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(zhǎng)期穩(wěn)定安全運(yùn)行的關(guān)鍵。鄧銘江教授在《嚴(yán)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(shè)計(jì)，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(chǔ)帷幕灌漿。覆蓋層上的混凝土面板堆石壩設(shè)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(huì)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(bǔ)充防滲屏障，對(duì)控制滲流、維持壩體穩(wěn)定至關(guān)重要，施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，確保其達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的半透水性和級(jí)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(shí)排出壩體內(nèi)的滲透水流，避免雍高壩體內(nèi)浸潤(rùn)線，對(duì)壩體的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。這對(duì)采用砂礫石筑壩的壩體尤為重要，必要時(shí)應(yīng)設(shè)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(guò)渡料，過(guò)渡料與堆石之間應(yīng)滿足反濾關(guān)系。同時(shí)，對(duì)于覆蓋層上的面板壩，有必要對(duì)其壩基覆蓋層采取一定的反濾保護(hù)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(guò)渡料，其反濾關(guān)系宜通過(guò)滲透試驗(yàn)驗(yàn)證。在覆蓋層上的面板堆石壩，一旦出現(xiàn)滲漏，大家往往擔(dān)心壩基覆蓋層的滲透穩(wěn)定問題。其實(shí)，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(jìn)行防滲，防滲墻下游壩基也采取了一定的反濾保護(hù)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(yīng)該是一樣的。

2.4 應(yīng)力應(yīng)變

對(duì)于面板堆石壩來(lái)講，應(yīng)力應(yīng)變主要是針對(duì)剛性防滲結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變；對(duì)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(yīng)力應(yīng)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(dǎo)致面板壩防滲墻的應(yīng)力較相同規(guī)模的心墻壩大，且通常有一定范圍的拉應(yīng)力，因此面板堆石壩防滲墻通常設(shè)置了較深的鋼筋籠。比如，那蘭水電站防滲墻設(shè)置了雙層鋼筋，多諾水電站在防滲墻頂部15 m范圍內(nèi)設(shè)置了鋼筋籠。改善面板堆石壩混凝土防滲墻應(yīng)力變形性狀的主要措施還有：在防滲墻材料強(qiáng)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(gè)建筑物連接部位的變形差異。

《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)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(shí)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(shí)間較長(zhǎng)，混凝土面板設(shè)計(jì)時(shí)宜對(duì)面板進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)；面板澆筑前應(yīng)預(yù)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(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)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(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)壩體三維有限元應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)類比確定。根據(jù)接縫位移的大小，接縫止水按規(guī)定進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需尤其關(guān)注的是止水的異型接頭，塑性止水保護(hù)蓋片和銅止水的異型接頭均宜在工廠整體加工成型，預(yù)埋銅止水后應(yīng)及時(shí)采取保護(hù)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(jìn)行連接。為適應(yīng)兩者之間的變形，通常在趾板和防滲墻之間采用連接板進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 工程實(shí)例——多諾水電站面板堆石壩設(shè)計(jì)

3.1 多諾水電站簡(jiǎn)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(jí)開發(fā)的龍頭水庫(kù)。電站采用混合式開發(fā)，裝機(jī)容量100 MW，多年平均發(fā)電量3.947億kW·h。電站水庫(kù)正常蓄水位2 370.00 m，相應(yīng)庫(kù)容5 622萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容4 915萬(wàn)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(shè)3級(jí)馬道，兩級(jí)馬道之間高差30 m。

3.2 面板堆石壩壩體分區(qū)設(shè)計(jì)

壩體分區(qū)及壩料設(shè)計(jì)以控制壩體的變形、沉降為主導(dǎo)，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(shí)壩體各分區(qū)要有良好的級(jí)配過(guò)渡，滿足設(shè)計(jì)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(guò)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(hù)坡(ⅢE)9個(gè)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(dá)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(chǔ)覆蓋層的物理力學(xué)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(yīng)性，施工人員對(duì)開挖后的大壩覆蓋層基礎(chǔ)進(jìn)行振動(dòng)碾壓處理，采用25 t以上振動(dòng)碾振動(dòng)碾壓10遍。

河床部位覆蓋層采用混凝土防滲墻進(jìn)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(guò)周邊縫連接?；炷练罎B墻墻厚1.2 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C30W12F100，防滲墻底部深入基巖1 m，最大深度約26 m。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算成果，結(jié)合已建同類工程經(jīng)驗(yàn)，在防滲墻頂部一定高程設(shè)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(shè)計(jì)

面板采用C25鋼筋混凝土，抗?jié)B標(biāo)號(hào)W12，抗凍標(biāo)號(hào)F150，其厚度按公式“t=0.3+0.003H”(H為計(jì)算斷面至面板頂部的高度)計(jì)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(jìn)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(shè)縫寬1.2 cm，縫內(nèi)嵌12 mm瀝青木板，涂刷乳化瀝青，底部設(shè)一道“W”型銅片止水，頂部設(shè)置SR弧凸型塑性填料，外加三元乙丙復(fù)合板并用扁鋼固定保護(hù)蓋。受拉板塊拉伸縫不設(shè)縫寬，但在縫面涂刷乳化瀝青兩遍，底部設(shè)一道“W”型銅片止水，頂部設(shè)置SR弧凸型柔性填料，外加三元乙丙復(fù)合板并用扁鋼固定保護(hù)蓋。

(2)周邊縫。周邊縫設(shè)置兩道止水，即表層和底部，縫寬1.2 cm。底部設(shè)“F”型復(fù)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。縫頂部放置橡膠棒，表層設(shè)弧凸?fàn)頢R柔性填料，外加三元乙丙復(fù)合板并用扁鋼固定保護(hù)蓋。

(3)趾板-連接板縫。趾板-連接板縫設(shè)置兩道止水，即表層和底部，縫寬2.0 cm。底部設(shè)“W”型復(fù)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(shè)弧凸?fàn)頢R柔性填料，外加三元乙丙復(fù)合板并用扁鋼固定保護(hù)蓋。

(4)連接板-防滲墻縫。連接板-防滲墻縫設(shè)置兩道止水，即表層和底部，縫寬2.0 cm。底部設(shè)“F”型復(fù)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(shè)弧凸?fàn)頢R柔性填料，外加三元乙丙復(fù)合板并用扁鋼固定保護(hù)蓋。

4 結(jié) 語(yǔ)

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

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(jì)優(yōu)勢(shì)，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(huì)對(duì)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(guò)采取相應(yīng)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(yàn)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(shè)計(jì)、精細(xì)施工，發(fā)揮其良好的經(jīng)濟(jì)性，仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>