1.1　发展历程

1.1.1　国外发展概况

混凝土面板堆石坝最早出现在19世纪50年代美国加利福尼亚州内华达山脉的矿区，当时在塞拉山上的水力淘金矿需要蓄水用于淘金，当地适合的筑坝材料有岩石和木材，矿工们又有采石爆破的技术，因此第一座混凝土面板堆石坝是采用木面板防渗的抛填堆石坝。

面板堆石坝的发展进程大致可分成三个时期：

（1）1850—1940年是以抛填堆石为特征的早期阶段。该阶段修建的面板堆石坝坝高一般低于100m，坝体变形较大，面板开裂渗漏问题严重。早期阶段的抛填堆石坝，上下游边坡很陡，达到1∶0.5～1∶0.75，坡面采用人工整理；到1900年，混凝土面板堆石坝已成为一种典型的堆石坝，1920—1940年间建了许多30m以上的混凝土面板堆石坝，而且坝高越来越高，如1931年建成的美国盐泉（Salt Spring）坝坝高达100m。

（2）1940—1965年为从抛填堆石到碾压堆石的过渡阶段。由于抛填堆石坝变形量大，导致混凝土面板开裂和大量渗漏，虽然安全并不成为问题，但大量渗漏总是难以接受。因此，在1940—1950年混凝土面板堆石坝的发展有一停滞时期，没有更多的普及推广。

（3）1965年以后是以碾压堆石为特点的现代阶段。1965年实质上完成了抛填堆石到碾压堆石的过渡，碾压堆石完全取代了抛填堆石，进入面板堆石坝发展的现代阶段。堆石碾压层厚一般不超过2m，采用振动碾碾压，坝体密实度高，变形量小，混凝土面板的运行工况大为改善，混凝土面板开裂和渗漏量大为减少，从而使混凝土面板堆石坝又重新崛起，成为主要的堆石坝坝型，并向更高的高坝发展。1971年澳大利亚建成的高110m塞沙那（Cethana）面板混凝土堆石坝奠定了现代混凝土面板堆石坝的技术基础。经过40多年的发展，混凝土面板堆石坝的设计和施工技术日趋成熟，随着薄层碾压施工技术的不断进步和完善，混凝土面板堆石坝的数量迅速增加，坝高向200m以上发展，已建大坝运行状态良好。因此，在全世界范围内得到了广泛的应用。据不完全统计，截至2013年年底，国外100m以上混凝土面板堆石坝达30多座（见表1-1），混凝土面板堆石坝逐渐成为当今水利水电工程建设的主要坝型之一。

1.1.2　国内发展概况

我国最早的抛填式混凝土面板堆石坝是猫跳河二级百花水电站，于1966年建成，坝高48.70m，其上游坡为1∶0.6，上游面设分块式钢筋混凝土面板，面板下设置一层干砌石垫层。此后陆续修建了南山、三渡溪等水库这种类型的混凝土面板坝，坝高均不超过50m。最后一座抛填式混凝土面板堆石坝为罗村水库，坝高57.60m，1979年开工，1990年建成，大坝基本上按传统经验进行设计，后期受现代技术的影响，在面板、止水等结构上作了局部修改，混凝土面板采用滑模浇筑，垂直缝间距12m，不设水平缝。百花水电站大坝、罗村水库大坝剖面分别见图1-2和图1-3。

1985年，我国从湖北西北口水库大坝开始采用现代技术建设混凝土面板堆石坝。此后，混凝土面板堆石坝建设在我国方兴未艾，虽然起步较晚，但发展很快，至今已成为世界上修建混凝土面板堆石坝最多的国家，已经形成中国特色的混凝土面板堆石坝筑坝技术。这一技术的发展过程大体分为三个阶段，即引进消化阶段、自主创新阶段和突破发展阶段。

（1）1985—1990年为我国混凝土面板堆石坝技术的引进消化阶段。这一阶段开工建设的面板堆石坝约14座。其中，西北口水库混凝土面板堆石坝，高95m，列入国家“七五”重点科技攻关项目，开展了大量试验研究和计算分析，取得了高100m级混凝土面板堆石坝的研究和设计成果，建成后运行情况总体良好，是这一阶段的里程碑工程。这一阶段的技术特点是：①筑坝技术虽起步较晚，但起点较高；②已有无轨滑模、碾压砂浆固坡等技术开发和创新；③最大坝高不超过100m；④开始起草设计导则，向规范化建设迈出了第一步；⑤对混凝土面板堆石坝特性认识不足，混凝土面板裂缝较多。

（2）1991—2000年为自主创新阶段。这一阶段开工建设的混凝土面板堆石坝约70余座，建成40多座。其中，天生桥一级坝为我国第一座200m级高混凝土面板堆石坝，在建设过程中开展了大量设计施工技术研究，取得了丰富的研究成果，成为这一阶段的里程碑工程。这一阶段的技术特点是：①从西北口水库大坝混凝土面板裂缝问题到沟后溃坝事件中总结了大量宝贵的经验和教训；②建成了多座坝高100m及以上高坝，100m级高坝的筑坝技术日益成熟；③自主创新了面板堆石坝设计与施工成套技术，并开始向200m级高坝发展；④混凝土面板裂缝得到较好控制；⑤编制发布了设计、施工规范；⑥坝体变形控制尚缺乏经验，混凝土面板产生结构性裂缝的工程还比较多。

（3）2000年以后为突破发展阶段。这一时阶段开工建设的100m以上混凝土面板堆石坝超过60座，建成40多座。通过我国混凝土面板堆石坝工程建设的长期实践，形成了坝体变形控制、数字化质量控制、挤压边墙固坡、混凝土面板防裂设计、深厚覆盖层上建坝、不对称峡谷建坝、高寒地区建坝等成套的混凝土面板堆石坝设计和施工技术。在这一阶段中，国家“九五”重点科技攻关课题《200m级高混凝土面板堆石坝研究》，依托水布垭水电站大坝开展全方位的科学研究，取得突破性研究成果。迄今，水布垭水电站大坝运行性态总体良好，成为这一阶段的里程碑工程之一。其余，如修建于非对称狭窄河谷上的洪家渡高坝，通过坝体合理分区和采用较高密实度设计指标，引入先进的冲碾压实技术，严格变形控制和施工质量管理，取得了坝体变形小、面板无结构性裂缝、大坝渗漏量较小的良好效果；建成于2006年的紫坪铺水库混凝土面板堆石坝，坝高156m，2008年5月12日经受了汶川8.0级特大地震的考验，大坝距地震震中仅17km，震后检查仅产生轻微损坏。因此，被国际大坝委员会授予“国际堆石坝里程碑工程特别奖”。九甸峡水电站混凝土面板堆石坝，坝高136m，修建在深39m的深厚覆盖层上，属高寒地区不对称河谷深厚覆盖上的高面板堆石坝，建成后运行状态良好，被国际大坝委员会授予“国际堆石坝里程碑工程奖”。溧阳抽水蓄能电站上水库面板堆石坝，坝高165m，引进采用数字化技术，采用先进的信息技术对坝料料源质量、填筑层厚、碾压遍数、振动碾行走速度、激振力等技术参数进行有效监控，保证了大坝填筑的质量。这一阶段的混凝土面板堆石坝的技术特点是：①最大坝高突破200m；②深厚覆盖层上修建的面板坝坝高突破100m，覆盖层厚度超过50m；③设计施工技术日益成熟，取得了200m级高坝筑坝的全套技术；④坝体变形控制和面板防裂取得良好效果；⑤混凝土面板堆石坝设计和施工规范完成了新一轮修订；⑥筑坝技术水平跃居世界前列，并走出国门；⑦开展了“300m级高混凝土面板堆石坝适应性和对策研究”，并在强地震区、深覆盖层、深厚风化层、岩溶等不良地质条件和在高陡边坡、河道拐弯等不良地形条件下建造了高混凝土面板堆石坝。

截至2014年，我国已建、在建、拟建的坝高100m以上混凝土面板堆石坝80多座（见表1-2），我国坝高100m以上部分混凝土面板堆石坝参数见表1-3。其中部分高坝的主要特点如下：水布垭水电站混凝土面板堆石坝，坝高233m，是至今为止最高的混凝土面板堆石坝；天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝，坝高178m，堆石体体积1800万m3，面板面积17.27万m2，坝体填筑规模为国内最大；吉林台一级水电站混凝土面板堆石坝，坝高157m，设计地震烈度9度，是我国强震区最高的砂砾石混凝土面板坝；紫坪铺水库混凝土面板堆石坝，坝高156m，经受2008年5月12日汶川8.0级特大地震的强震考验，坝址处实际地震烈度达9～10度，实际遭遇地震加速度峰值在0.5g以上；洪家渡水电站混凝土面板堆石坝，坝高179.5m，河谷不对称且岸坡高陡（左岸趾板边坡高310m）；董箐水电站混凝土面板堆石坝，坝高150m，大坝主体采用砂岩和泥岩等软岩混合料填筑；猴子岩水电站混凝土面板堆石坝，坝高223.5m，河谷狭窄，宽高比为1.27；公伯峡水电站混凝土面板堆石坝，坝高132.2m，面板长218m，一次性浇筑到顶不分期；梨园水电站混凝土面板堆石坝，坝高155m，大坝一次性填筑到顶后，面板分两期浇筑，其中一期面板最大块长142.88m，二期面板最大块长116.99m。

1.1.3　主要施工新技术

我国混凝土面板堆石坝近40年的发展过程中，通过技术创新和优化集成，运用科学、高效、系统的施工管理，解决了施工中出现的关键技术问题和施工难题，取得了一系列突破性成果。

（1）趾板高边坡开挖技术。根据趾板地形地质条件、开挖面倾向、坡度以及建基面要求等具体情况，通过现场爆破试验，采用深孔梯段爆破、光面和预裂爆破技术，对于地质条件差的区域，采用“多循环、小药量、弱爆破”的控制爆破施工工艺，提高趾板建基面的完整性。

（2）深覆盖层上筑坝技术。对于坝基位于深覆盖层上的情况，采取清除表面松散体，对保留的河床覆盖层采用挤压加固、强夯等多种处理方法，提高坝基承载力，减少坝基开挖工程量。对坐落在深覆盖层上的趾板，采用钢筋混凝土防渗墙、深孔帷幕灌浆，在趾板与钢筋混凝土防渗墙之间设置钢筋混凝土连接板形成坝体的防渗体。

（3）上游坝面垫层料固坡技术。除常规的碾压砂浆固坡工艺外，新技术主要有：挤压边墙技术、翻模固坡技术和移动块体固坡技术。

1）挤压边墙技术。采用挤压机连续挤压低强度低弹性模量的混凝土，在垫层区上游面超前一个碾压层厚，形成一道梯形边墙，逐层加高，以挤压边墙作为上游坝面垫层料的护坡。混凝土挤压式边墙使垫层料填筑与上游坝面垫层料防护施工一次完成，简化了上游坡面垫层料超填、坝坡整修、斜坡碾压、坡面保护等施工工序，加快了垫层料坡面保护施工进度，提高了坡面保护能力，对度汛安全也十分有利。

2）翻模固坡技术。使用锚固于垫层料中带楔形板的翻身模板，垫层料初碾后拔出楔形板，形成一定厚度的间隙，灌注砂浆，再进行终碾，实现垫层料填筑与坡面固坡一次成型，施工完成后即具备度汛挡水条件。

3）移动块体固坡技术。在垫层料外侧安装预制钢筋混凝土移动块体作为垫层料的约束体，为保证垫层料碾压密实度，避免上层碾压时已碾压的下层因振动而松动和坍落，移动块体采用三层循环使用。第一层碾压合格后，在已碾压完毕的垫层料上利用汽车吊安装第二层移动块体；第二层碾压合格后，再依次吊装第三层移动块体，进行填筑碾压；至第四层时，吊离第一层的移动块体进行安装；至第五层时吊离第二层移动块体进行安装，依次类推，循环使用。最后用反铲挖除多余三角区域的垫层料，辅以人工平整形成上游坡面，整理后采用砂浆固坡。该技术施工工艺简单。

（4）超长面板施工技术。对高度大于100m的大坝，混凝土面板一般分期分段浇筑。公伯峡水电站采用钢筋剥肋滚压直螺纹连接、仓面活动溜槽、超宽滑模、振动抹面器微震收面、起始块轻型滑模连续浇筑、土工布覆盖保湿养护等新技术，实现了218m超长混凝土面板一次性浇筑。与传统的混凝土面板分期分段浇筑相比，超长混凝土面板一次性施工技术提高了工程质量、加快了工程进度，有利于防止混凝土面板结构性裂缝的产生。

（5）铜止水带现场连续滚压成型技术。目前，多数高坝采用新型止水结构，其施工复杂，安装难度较高。同时，由于铜止水带焊接工艺复杂，且在上游坡面上进行焊接，施工质量和安全问题尤为突出。通过工程实践研制发明了铜止水带的连续滚压成型机。将连续滚压成型机放置在坝面上，将成卷的铜带卷材在施工现场压制成型。加工垂直缝铜止水时，滚压成型机出料口正对面板垂直缝方向，出料方向与混凝土面板坡度基本一致，现场滚压制作出的铜止水带即可方便地安装到位，并根据止水带需要的长度连续整体加工，实现了铜止水带通长连续无接头，减少和避免了接头焊接的薄弱环节。在洪家渡水电站等混凝土面板堆石坝还采用了T形、十字形、L形等异形接头整体冲压成形的新工艺，提高了铜片止水系统在高水头下运行的可靠性。

（6）面板防裂技术。混凝土面板是面板堆石坝最重要的防渗结构，由于面板的长度长，厚度薄，运行过程中承受的作用水头高，易受坝体变形和温度变化影响等因素，容易产生裂缝。按产生的原因分类，面板裂缝分为结构性裂缝和温度及干缩裂缝。结构性裂缝，主要采取减少基础约束，提高填筑密实度，减少坝体沉降变形；采用坝体全断面填筑均衡上升，减少坝体各部位之间的不均匀变形；以及在面板浇筑前采取坝体超高填筑、坝体预留3～6个月的预沉降期，使面板浇筑时坝体沉降速率小于5mm/月等防裂措施。温度及干缩裂缝，除了选择合适的面板施工时段、加强温控、保温保湿等措施外，通过优化混凝土配合比设计，掺用优质高效的外加剂，添加钢纤维或聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、VF防裂剂等方法提高面板混凝土自身的抗裂能力。1990年万安溪面板坝开始研发以添加MN高效减水剂、BLY引气剂和VF防裂剂为核心的混凝土面板防裂技术取得成功，后在多个混凝土面板坝工程中得到推广应用。珊溪水库混凝土面板堆石坝，坝高132.5m，创造了7万m2面板无裂缝的当时国内新纪录。白溪水库混凝土面板堆石坝，坝高124m，首先采用添加聚丙烯纤维防裂，取得良好效果。三板溪水库混凝土面板堆石坝，坝高185.5m，在混凝土面板表面涂刷水泥基渗透结晶新型材料，在面板表层20mm范围增强混凝土的致密性，提高混凝土面板防渗效果。

（7）数字化控制施工技术。水布垭水电站混凝土面板堆石坝，在国内首先采用GPS卫星定位系统对铺料层厚度、振动碾碾压遍数、行走轨迹、行走速度等施工参数进行实时、连续和自动控制和监控，并将可视化成果作为坝体碾压质量评定的依据之一，大大提高了坝体的施工质量。数字技术的成功应用，大幅度降低了现场施工和监理人员的劳动强度，提高了施工效率，保障了大坝填筑质量。随后，在溧阳抽水蓄能电站上水库大坝、梨园水电站混凝土面板堆石坝等工程中推广应用。