第一章 高混凝土面板堆石坝设计新理念
第一节 高混凝土面板堆石坝工程实践的启迪
以薄层填筑、用振动碾分层压实的堆石（或砂砾石）作为坝体的现代混凝土面板堆石坝只有40多年历史，全世界已建和在建的混凝土面板堆石坝就达到500多座，我国自1985年开始建造，至今已建和在建有250多座30m以上的混凝土面板堆石坝，其中坝高100m以上的高混凝土面板堆石坝有72座，我国混凝土面板堆石坝的总数和高混凝土面板堆石坝的数量均占全世界的50%以上，已竣工的水布垭面板堆石坝坝高233m，居世界第一；我国设计施工建造的巴贡（Bakun）坝坝高203.5m，居世界第二；坝高156m的紫坪铺面板堆石坝成功抵御了汶川8级大地震，在高混凝土面板堆石坝抗震史上具有里程碑的意义。由于这种坝型的安全性、经济性和适应性良好，能适应不良的气候条件、地形地质条件，软岩、特硬岩和砂砾石都可用做面板堆石坝的筑坝材料，可以充分利用枢纽各建筑物的开挖料来填筑坝体，按挖填平衡原则设计施工，既节省投资，又利于环境保护。在强地震区、深覆盖层、深厚强风化岩和高陡岸坡的坝址混凝土面板堆石坝往往成为最有竞争力的坝型。［1，6］
纵观历史数百座混凝土面板堆石坝建造一直都采用经验设计的方法，正如面板堆石坝专家J.B.Cooke指出：自首批混凝土面板堆石坝以来，设计混凝土面板堆石坝的基本做法是以先例——类似工程的样例为基础的经验设计。“经验”一词是“以实际经验作指导而非由理论指导”的意思。［2，3］
一、经验设计概念和原则
面板堆石坝的坝体分区以及各区筑坝材料的选定是面板堆石坝设计的主要内容。SL 228—98《混凝土面板堆石坝设计规范》［4］和DL/T 5016—1999《混凝土面板堆石坝设计规范》［5］在总结国外面板堆石坝30多年工程经验、库克（J.B.Cooke）和谢拉德（J.L.Sherard）的建议［2，3］及我国10多年面板堆石坝工程经验的基础上，提出了坝体分区的设计原则。
上述规范提出：应进行坝体分区，并相应确定填筑标准。从上游向下游宜分为垫层区、过渡区、主堆石区和下游堆石区；在周边缝下游侧设置特殊垫层区；100m以上高坝，宜在面板上游面底部设置上游铺盖区及盖重区。
各区坝料的渗透性宜从上游向下游增大，并应满足水力过渡要求。下游堆石区下游水位以上的坝料不受此限制。
堆石坝体上游部分应具有低压缩性。
由于砂砾石是属于中等渗透水性，难以达到自由排水的要求。为了使大部分坝体处于非饱和状态以保证大坝安全，因此上述规范要求在砂砾石填筑的面板坝的坝体中必须设置L形排水体。于是规范分别对于用硬岩堆石料填筑的坝体和用砂砾石填筑的坝体分别建议了分区设计如图1-1和图1-2所示。
图1-1 硬岩堆石坝体主要分区示意图
1—（1A）上游铺盖区；2—（1B）盖重区；3—（2A）垫层区；4—（2B）特殊垫层区；
5—（3A）过渡区；6—（3B）主堆石区；7—（3C）下游堆石区；8—（3D）下游护坡；
9—可变动的主堆石区与下游堆石区界面，角度依坝料特性及坝高而定；
10—（3E）抛石区（或滤水坝趾区）；11—（F）混凝土面板
图1-2 砂砾石坝体主要分区示意图
1—（1A）上游铺盖区；2—（1B）盖重区；3—（2A）垫层区；4—（2B）特殊垫层区；5—（3A）过渡区；
6—（3B）主堆石（砂砾石区）；7—（3C）下游堆石（砂砾石）区；8—（3D）下游护坡；
9—（3E）滤水坝趾区；10—（3F）排水区；11—（F）混凝土面板；12—坝基冲积层
用软岩堆石料填筑面板堆石坝时，其渗透性不满足自由排水要求，应在坝体上游区内设置竖向排水区，并与坝底水平排水区连接，将可能的渗水排至坝外，保持下游区坝体的干燥，也就是说用软岩填筑的面板堆石坝分区与如图1-2所示的面板砂砾石坝分区类似。
现代混凝土面板堆石坝的经验设计可以概括为以下要点：［6］
（1）经验确定坝体分区，规定了用硬岩堆石和砂砾石填筑的坝体分区、各区筑坝材料和填筑标准。强调堆石坝体上游部分应具有低压缩性，下游部分不要求低压缩性。SL 228—2013《混凝土面板堆石坝设计规范》还建议了各区坝料填筑标准：垫层区、过渡区、主堆石区和下游堆石区的填筑标准分别是孔隙率15%～20%、18%～22%、20%～25%和23%～28%。
（2）经验确定垫层料的颗粒级配，典型的是谢拉德（J.L.Sherard）在1985年建议的颗粒级配。
（3）经验确定坝坡，筑坝材料为硬岩堆石料时，上、下游坝坡1：1.3～1：1.4，筑坝材料为软岩堆石料或砂砾石料时，上、下游坝坡一般为1：1.5～1：1.6。
（4）经验确定面板厚度，经验公式
（5）经验确定面板混凝土强度和抗渗等级，分别要求不低于C25和W8。
（6）经验确定面板分缝，垂直缝间距一般取12～18m，两岸坝肩附近部位面板垂直缝间距取其一半左右。
（7）经验确定面板配筋率，垂直向（顺坡向）配筋率通常为0.35%～0.40%，水平向（轴向）配筋率通常为0.30%～0.35%，周边缝附近配筋率0.5%。
（8）经验确定趾板宽度，1983年建成的哥伦比亚的萨尔瓦琴娜坝依据趾板岩石地基的容许水力梯度来确定趾板宽度，成为后续建造的混凝土面板堆石坝工程仿效的实例。
（9）经验确定接缝止水结构和止水材料，自1980年巴西的阿里亚坝采用三道止水的周边缝止水结构以后，国内外高混凝土面板堆石坝周边缝都采用这种形式的止水结构，即顶部玛蹄脂嵌缝材料，中部PVC止水，底部铜片止水。
正如库克（J.B.Cooke）在《水电和大坝》（Hydropower＆Dam）1998年第6期的论文《混凝土面板堆石坝经验设计》中指出：原因在于混凝土面板堆石坝固有的安全性使面板堆石坝的经验设计为人们所接受。能充分说明这种固有安全性的因素有：
（1）所有分区堆石坝体位于库水的下游。
（2）面板上的水荷载作用在坝轴线上游的坝基上。
（3）不存在扬压力和孔隙水压力。
（4）堆石体抗剪强度高。
（5）分区堆石体在抵抗内部水流时是稳定的。
（6）堆石体沉降量小且在几年后沉降基本停止。
在2000年北京的面板堆石坝国际学术会议上的特邀讲座中他重申了面板堆石坝的固有安全性（Inherent safety features），并且将堆石体抗震性能好也列入了面板堆石坝固有安全性，他重申了他与谢拉德（J.L.Sherard）在1985年美国土木工程师协会面板堆石坝学术会议上的结论：对于未来的超高坝来说，混凝土面板堆石坝是合适的坝型，基于已建坝性状观测进行合理的推断，可以预测出用大多数堆石料建造的300m高的混凝土面板堆石坝的性状。
根据以往经验库克（J.B.Cooke）在1984年提出了高244m的混凝土面板堆石坝的坝体分区如图1-3所示。［2］
二、工程实践的启迪
数十年来面板堆石坝工程的成功建设说明了经验设计在一定范围内的正确性，但是20世纪90年代以来国内外相继建造的一批高混凝土面板堆石坝出现了问题。
1.高混凝土面板堆石坝出现的工程问题［6］
（1）垫层区裂缝。天生桥一级坝（坝高178m）、巴西的辛戈（Xingo）坝（坝高140m）垫层区都产生斜向裂缝，天生桥一级坝斜向裂缝长5～40m，最大缝宽27mm；辛戈坝斜向裂缝最大缝宽56mm，错位16mm，天生桥一级坝垫层区还产生水平裂缝，最大缝长60m，最大缝宽180mm。
（2）面板脱空。天生桥一级坝一期、二期和三期面板顶部都存在严重脱空，一、二期面板有85%面板脱空，三期面板有52%面板脱空，最大脱空深度（沿面板斜长）10m，最大脱空高度15cm。
图1-3 设想的高244m的混凝土面板堆石坝分区设计图（单位：m）
1—粉土铺盖层；2—垫层区；3—过渡区；4—（4A、4B、4C、4D）碾压堆石区；
5—抛填堆石区；6—任意料盖重区
（3）面板裂缝。天生桥一级坝1997～2000年7次检查面板裂缝，共发现水平状裂缝1296条，最大缝宽4mm，裂缝深度10～34cm；2002年检查三期面板裂缝，又发现水平状裂缝4537条，缝宽大于0.3mm的裂缝有80条，裂缝最大深度41.7cm，已贯穿面板厚度。面板裂缝发生部位与面板脱空部位基本一致。墨西哥的阿瓜密尔帕（Aguamilpa）坝（坝高187m）1997年在高程198.00～202.00m、高程180.00m、高程145.00m、高程120.00m、高程94.00m、高程70.00m的面板上都发现水平状裂缝和斜向裂缝，其中高程180.00m水平裂缝贯穿了14块面板，最大缝宽15mm，导致出现严重渗漏。巴西的伊塔（Ita）坝（坝高125m）2000年在周边缝上方8～15m的15块面板都发现水平状裂缝，缝宽7mm，渗漏量从160L/s增加到1700L/s。
（4）河床中央面板垂直缝两侧混凝土挤压破坏。2003年7月天生桥一级坝河谷中央垂直缝两侧L3面板和L4面板混凝土挤压破坏，挤压破坏区域是从三期面板顶部延伸到其底部，长约55m，宽约3.5m，最大深度30cm。修补后2004年5月该区域面板又挤压破坏，挤压破坏区向下又延伸了38m，宽度达到6m，部分可见止水铜片翼片外露。
莱索托的莫海尔（Mohale）坝（坝高145m）2006年2月首次蓄水时河谷中央面板垂直缝两侧L17和L18面板混凝土挤压破坏，两侧面板超叠120mm，错台75mm，渗漏量达600L/s。
巴西的巴拉·格兰特（Barra Grande）坝（坝高185m）2005年9月河谷中央面板垂直缝两侧第19块与第20块面板混凝土挤压破坏，挤压破坏区域从二期面板顶部延伸到其底部，使渗漏量增至428L/s。修复后2005年11月至2006年1月再次蓄水，渗漏量从830L/s增至1284L/s，两次在破坏区铺洒粉砂处理渗漏，但渗漏量仍达到1000L/s。
巴西的坎普斯·诺沃斯（Campos Novos）坝（坝高202m）2005年10月首次蓄水时发现河谷中央垂直缝两侧第16块和第17块面板混凝土挤压破坏，挤压破坏区域从三期面板顶部延伸到水下，渗漏量450L/s，2006年2月渗漏量增至1300L/s，在破坏区铺洒粉砂处理渗漏，渗漏量减小至848L/s，4月4日库水位上升，渗漏量又达到1294L/s，2006年6月放空水库，对面板混凝土挤压破坏区进行修复。
（5）严重渗漏。除上述巴拉·格兰特（Barra Grande）坝和坎普斯·诺沃斯（Campos Novos）坝因垂直缝两侧混凝土挤压破坏造成严重渗漏以外，还有多座面板堆石坝出现严重渗漏如表1-1所示。
表1-1 面板堆石坝严重渗漏
（6）溃坝。500多座混凝土面板堆石坝只有沟后混凝土面板砂砾石坝一座溃决，该坝高70m，1990年10月建成，1993年8月27日约22时40分溃决。现场调查发现：1993年7月下旬库水位从3261m逐渐上升至8月27日12时的3277m，下游坝坡多处出渗和流水，13时30分库水位超过防浪墙底面约20mm，坝底和坝顶处大面积流水。20时下游坝坡大面积出渗与流水。下游坝坡出渗和流水位置如图1-4所示。
图1-4 沟后坝下游坝坡出渗和流水位置示意图
2.工程问题产生原因的分析［6］
（1）阿瓜密尔帕坝工程问题的原因分析。阿瓜密尔帕（Aguamilpa）坝是墨西哥奈亚特州圣地亚哥河上一座坝高187m的面板砂砾石—堆石坝，该坝的剖面如图1-5所示。
图1-5 阿瓜密尔帕坝剖面图（单位：m）
1A—任意料盖重区；1B—粉细砂；2、2F—垫层，特殊垫层区；3B—砂砾石；3C—下游堆石区；
T—3B或3C；CF—混凝土面板；NA—砂砾石覆盖层
垫层区下游为主堆石区，不设过渡料区，主堆石区3B填筑天然冲积层砂砾石，下游堆石区3C填筑流纹质英安岩堆石料，各分区筑坝材料的填筑标准如表1-2所示。
表1-2 阿瓜密尔帕坝各分区坝料填筑标准
阿瓜密尔帕坝于1993年6月填筑竣工，1994年10月库水位上升至218.0m时，渗漏量从6L/s突然增大到260L/s，1997年6月对面板进行检查，发现从高程70.00～202.00m之间都有裂缝，其中高程180.00m、145.00m和94.00m的裂缝是结构缝，180.00m高程水平裂缝已贯穿第17～27块面板，第18块和第19块面板上裂缝宽15mm，后来此裂缝又向左岸第14～16块面板延伸，裂缝内有淤泥质砂土淤堵，说明通过此裂缝有明显的渗漏。
阿瓜密尔帕坝自1993年6月20日至1995年1月10日坝体沉降增量等值线如图1-6所示。
出现水平裂缝的面板（以第18块和第22块面板为例）的法向位移（挠度）如图1- 7和图1-8所示。
图1-6 1993年6月20日至1995年1月10日坝体沉降增量等值线图
图1-7 第18块面板法向位移图
图1-8 第22块面板法向位移图
从阿瓜密尔帕坝的坝体和面板变形实测结果可以看出：下游堆石区的变形模量比主堆石区的变形模量小，因而在坝体填筑完工后的一年半时间内，下游堆石区的沉降增量达20～25cm，导致坝体向下游位移，高程较高的面板附近的上游坝体既发生较大的沉降（约10～20cm）又产生向下游的位移（约13～21cm），因而面板挠度增加，面板顶部挠度增加50～70mm，导致面板产生水平裂缝。
（2）天生桥一级坝工程问题的原因分析。20世纪90年代我国兴建坝高178m的天生桥一级面板堆石坝，该坝位于红水河上游南盘江干流上，大坝分区剖面如图1-9所示。以坝轴线为界，上游主堆石区用溢洪道开挖灰岩堆石料填筑，下游次堆石区分为两层，在高程660.00m以下为建筑物开挖的大块灰岩料，高程660.00m以上，高程770.00m以下是建筑物开挖的砂泥岩混合料，各分区筑坝材料要求与填筑标准如表1-3所示。
图1-9 天生桥一级面板堆石坝剖面图（单位：m）
ⅠA—粉土料；ⅡA—垫层料；ⅢA—过渡料；ⅠB—任意料；ⅡB—特殊垫层料；
ⅢB—主堆石料；ⅢC—软岩料；ⅢD—次堆石料
表1-3 天生桥一级坝分区筑坝材料与填筑标准
天生桥一级坝于1998年8月下闸蓄水，该坝发生的主要问题是面板脱空、面板裂缝、面板垂直缝混凝土局部损坏和垫层区裂缝，分述如下：
1）面板脱空。一期、二期和三期面板顶部高程分别为680.00m、746.00m和787.30m。每期面板顶部存在严重的脱空现象，面板脱空范围如图1-10所示，一期、二期面板有85%的面板脱空，三期面板有52%的面板脱空，经现场检查，最大脱空深度（沿面板斜长）10m，最大脱空高度15cm。
2002年6月用物探方法对0＋446～1＋038m河床坝段，高程760.00m以上的三期面板脱空进行检测，发现有64个脱空区，总面积8314m2，占检测面积27805m2的30%，脱空高度1～5cm，其中有8个脱空区的脱空高度达到4～5cm。
2）面板裂缝。1997年5月至2000年1月对面板裂缝先后进行了7次检查，发现裂缝1296条，其中缝宽大于0.3mm的裂缝有355条，最大缝宽4mm，裂缝深度10～34cm，没有贯穿面板。2002年4～7月对高程748.60m以上的三期面板进行裂缝检查，发现裂缝4537条，其中新裂缝约占61%，裂缝总长度约22000m，缝宽大于0.3mm的裂缝有80条，裂缝最大深度41.7cm，已贯穿面板厚度。面板裂缝发生部位与面板脱空部位基本一致，均发生在各期面板顶部。
图1-10 面板脱空范围平面图
3）面板垂直缝混凝土局部损坏。2003年7月发现面板L3和L4之间的垂直缝附近混凝土破坏，从三期面板顶部高程787.30m向下延伸至该期面板底部高程748.00m，破损区域长约55m，最大宽度约3.5m，凿坑发现混凝土破坏深度水上部分一般为24cm，最大深度为30cm，水下部分破坏深度一般为18cm，所有破裂面均位于底层钢筋以上。局部面板钢筋出露，部分止水与混凝土分离，止水铜片局部破损。
2004年5月29日发现面板L3和L4之间垂直缝附近2003年修补的混凝土再次破损，范围由高程787.30m至高程710.00m，其中高程748.00m至高程754.00m破损范围较大，最宽达6m左右，高程720.00m破损宽度达2.4m。底层钢筋变形，破裂面光滑，部分缝段可见止水铜片翼缘外露。
4）垫层区裂缝。1998年汛前大坝度汛断面的上游侧垫层区ⅡA、过渡区ⅢA和主堆石区ⅢB达到高程768.00m，但是下游侧次堆石区ⅢC和ⅢD只填筑到高程650.00m，高差达118m，从1998年8月12日至12月15日，次堆石区ⅢC和ⅢD从高程650.00m快速填筑到高程752.00m，平均上升0.82m/d，从1998年12月24日至1999年1月9日更是平均上升1.4m/d。填筑上升过快，下游侧次堆石区的沉降量大，沉降速率达到1cm/d，使得上游侧坝体向下游倾斜；导致高程746.00m以上垫层料产生水平裂缝，裂缝最长60m，最大缝宽18cm。
天生桥一级坝垫层区坝体沉降和水平位移实测值如表1-4所示。
这说明该坝在1999年5月填筑完工后，坝体仍在继续变形，垫层区有较大的沉降和向下游的水平位移，导致面板脱空，产生挠曲应力裂缝。
蓄水初期坝体沉降速率和水平位移速率如表1-5所示。
表1-4 天生桥一级坝垫层区坝体沉降和水平位移实测值
表1-5 蓄水初期坝体沉降速率和水平位移速率
该坝在施工期和运行期的坝体变形较大，而且持续时间较长，堆石体的流变也是面板脱空并出现大量裂缝的重要原因。
造成天生桥一级面板堆石坝脱空和裂缝的另一个原因是：面板分别在1997年、1998年和1999年汛前浇筑，相应的坝体填筑顶面高程是682.00m、748.00m和787.30m，只比各期面板顶部高程680.00m、746.00m和787.30m高出0～2m。面板浇筑后坝体继续填筑，在继续填筑坝体荷载和时间因素作用下，面板下的坝体继续沉降和位移，变形及其速率均较大，造成面板脱空和裂缝。
（3）高混凝土面板堆石坝工程问题的产生机理分析。高混凝土面板堆石坝工程问题的产生机理概括分析如下：［6，7］
1）主堆石区变形模量高、下游堆石区变形模量低、坝体变形不协调是导致垫层区裂缝、面板脱空和面板裂缝的主要原因。从原型观测资料得出阿瓜密尔帕坝主堆石区和下游堆石区的变形模量分别为260MPa和47MPa，两者相差5.5倍。天生桥一级坝筑坝材料室内试验值和从原型观测资料反演分析得到的坝体各分区模量系数K值分别是：主堆石区（灰岩料）940（试验值）和369（反演分析值），下游堆石区（灰岩料）720（试验值）和269（反演分析值），下游堆石区（砂泥岩料）500（试验值）和246（反演分析值）。两者相差1.9倍。
上述两座高混凝土面板堆石坝的性状分析可以看出：以往经验设计的观点—“绝大部分水荷载是通过坝轴线以上坝体传到地基中去的。……而越往下游堆石体对面板变形的影响则越小，故坝料的变形模量可以从上游到下游递减”是不全面的，这也是造成垫层裂缝、面板脱空和面板裂缝的原因。为此，坝体分区设计必须遵循变形协调原则，以达到坝体各区的变形协调以及坝体变形与面板变形之间的同步协调。
图1-3为库克（J.B.Cooke）提出的高244m的混凝土面板堆石坝分区，从上游到下游坝体各区的筑坝材料、填筑层厚和变形模量的要求是越来越低，第5区（下游底部堆石区）甚至可以采用抛填堆石。假若他分析了20世纪90年代后建造的高混凝土面板堆石坝产生垫层裂缝、面板脱空和面板裂缝的原因，他也会认为以前提出的高坝坝体分区是不合理的。
2）坝体变形对面板的作用是导致河谷中央垂直缝两侧面板混凝土挤压破坏的主要原因。堆石坝体某点的变形取决于该点代表的可变形坝体的几何尺寸和变形特性及其该点上作用的荷载—上覆坝体自重和面板传递来的水荷载。因此在填筑施工期坝体在坝轴线方向的变形是朝着河谷中央；蓄水期在水荷载作用下、坝体朝着河谷中央坝轴线方向的变形继续增加。
面板是位于坝体上一块刚度高几个数量级的混凝土板，坝体朝着河谷中央的变形，莫海尔坝实测坝顶朝向河谷中央的位移达100mm，必然在他们之间的接触面产生相当大的朝着河谷中央的摩擦力，从而使得靠近两岸坝肩面板的坝轴线方向应力为拉应力、而河谷中央面板的坝轴线方向应力为压应力，莫海尔坝实测挤压破坏区面板压应变650×10-6，压应力24MPa，当压应力超过面板混凝土的强度（C25和C30混凝土抗压强度是17MPa和20MPa），则使其破坏。因此坝体变形对面板的作用是导致河谷中央垂直缝两侧面板混凝土挤压破坏的主要原因。
3）面板挤压破坏、面板裂缝、垫层料冲蚀甚至面板坍塌以及接缝止水损坏是导致严重渗漏的主要原因。经验确定垫层料颗粒级配甚至没有严格采用谢拉德（J.L.Sherard）建议的颗粒级配垫层料、单纯依靠在面板上铺洒粉质砂土，期望着用淤堵方法来根本解决渗漏问题几乎是不成功的，渗流作用下经验设计垫层料是不稳定的，而且不能完全自愈。
4）库水进入坝体，坝体浸润线抬高，砂砾石坝体饱和产生湿陷变形并且抗剪强度降低，坝顶部分坝体失去稳定，最终导致沟后面板砂砾石坝溃决。溃坝后在筑坝材料强度试验与渗流试验的基础上，下游坝坡稳定的可靠度分析表明：在下游坝坡渗流出逸点在高程3243.00m时失稳概率接近100%；当渗流量大于0.4m3/s失稳概率接近100%。这说明在砂砾石坝体排水不畅时，在严重的渗流作用下，砂砾石坝体将可能失去稳定而导致严重破坏。