周良景：中国大坝建设中新技术和新方法的应用

周良景：中国大坝建设中新技术和新方法的应用


摘 要：中国的大坝建设在上世纪80年代以来发展迅速，到目前为止已修建各类大坝85000多座，应用当今世界大坝建设新技术、新方法修建了坝高181m的三峡混凝土重力坝、坝高240m的二滩双曲拱坝、坝高178m的天生桥一级面板堆石坝和坝高131m的江垭碾压混凝土坝等一批高坝，丰富和发展了世界筑坝技术。本文着重介绍中国在建设高拱坝、高面板堆石坝、高碾压混凝土坝以及修筑深水围堰等工程中新技术、新方法的应用和发展。

关键词：大坝，围堰，建设，新技术，新方法

一、综述

中国的大坝建设随着国民经济实力的增强，综合国力的提高，发展迅速。到目前为止，中国已修建各类大坝85000多座。其中，坝高70m以上的高坝达433座，已建和在建的30m以上的拱坝有300多座，混凝土面板堆石坝110多座，碾压混凝土坝近40座。特别是上世纪80年代以来，中国用现代新技术、新方法修建了如二滩、东风、李家峡、天生桥一级、江垭等一批坝高100m以上的高坝。目前正在修建的：小湾大坝，坝高292m，是世界上在建的最高薄拱坝；水布垭混凝土面板堆石坝，坝高233m，列世界第一高混凝土面板堆石坝；龙滩碾压混凝土大坝，坝高216.5m，为世界第一。

在河道上修建大坝同时需修筑围堰围护主体建筑物而形成“基坑”，控制河水改道由束窄的河床或另外实施施工导流。长江葛洲坝和三峡水利枢纽工程的施工导流，由于河床宽阔、流量大、水深等特点，采用分期导流；二滩、构皮滩、天生桥一级等工程采用一次拦截河床，由隧洞导流。

随着像长江三峡、小湾、龙滩等一批特大型水利枢纽工程的开工建设，进一步促进了中国大坝设计，施工导流和施工技术的发展。

二、拱坝

20世纪80年代以后的近20年来，中国的拱坝建设进入了大发展时期，修建了一批高拱坝，至2003年底，中国坝高100m以上的拱坝有20余座。

(1)拱坝体形设计：

根据工程的自然条件及枢纽布置要求，为在满足安全性基础上实现经济性，近年在拱坝设计中广泛采用了优化设计技术，在世界上率先建成了一批完全以优化软件选定体形的中小型拱坝，在200m以上特高拱坝体形设计中采用优化设计技术，大大提高了设计质量和效率，缩短了设计周期。建成的拱坝平面拱圈有单心圆、三心圆、抛物线、椭圆曲线、双曲线、对数螺旋曲线、统一二次曲线、混合曲线等多种线型；为适应地形地质条件及坝身泄洪要求，建有空腹重力拱坝、重力拱坝、双曲拱坝等多种坝型。

拱坝坝体应力分析除完善了拱梁分载法外，提出了基于有限元地基的拱梁分载法计算方法；用三维有限元法模拟大坝施工和运行过程，系统地分析并考虑各项因素对拱坝应力状态的影响，如封拱前坝内温度变化引起的初应力、横缝不抗拉、施工过程、非线性温差等对高拱坝应力的影响。在总结国内外拱坝建设实践经验的基础上，结合理论分析，提出了一套新的高拱坝应力控制标准，坝的允许应力应与建筑物重要性和坝体混凝土强度统一考虑，给出了有限元法、拱梁分载法及不同计算条件的允许应力，反映了国内外拱坝建设的实践经验和科技进步。

拱座稳定分析除分析拱座变形外，主要是研究拱座岩体抗滑稳定。而拱座抗滑稳定主要受控于岩体结构面的滑动失稳。我国高拱坝普遍采用刚体极限平衡法、有限元法和地质力学模型试验综合评价拱座的稳定性及对地质缺陷的处理效果。

高拱坝建基面应尽量开挖至新鲜或微风化的基岩。二滩、李家峡等工程有关拱坝建基面优选及可利用岩体的研究表明，过量的开挖不仅增大工程投资，延长工期，还会造成高边坡、高地应力及工程增大等一系列问题，给工程带来不安全因素。二滩工程通过将坝体和坝基视为整体，深化坝基岩体工程的认识，加强各种因素耦合作用的分析，经多方案技术经济比较，最终确定了弱风化岩体利用原则。目前，中国混凝土拱坝设计已将高坝建基面，经计算分析后可建在弱风化基岩。

高拱坝抗震设计。目前一批在建及拟建的200m级、300m级拱坝多位于8度及8度以上地震烈度区，近年结合小湾等工程对高拱坝抗震计算方法及结构措施进行了大量研究，成果表明，选择抗震性能好的拱坝体型，同时在横缝面设置过缝的抗震钢筋，可大大提高拱坝的抗震能力。

(2)拱坝泄洪消能

近年来我国设计的高拱坝，如拉西瓦、构皮滩、小湾、溪洛渡和已建的二滩高拱坝，泄洪流量20000m3/s～50000m3/s，泄洪落差200m以上，能量集中。高落差、大流量泄洪与消能、窄河谷、陡边坡等特征决定了由坝身泄洪是经济的，研究表明，坝身单宽泄量的工程造价仅为隧洞的一半左右。大孔口泄流、空中撞击、水垫塘消能方式，经在二滩水电站实践，证明是安全、可行、消能效率高的泄洪消能方式。这类工程泄洪消能均采取分散泄洪、分区消能的综合途径。需要解决的关键技术问题，是从坝体结构安全出发，合理确定坝身泄洪分流比。根据二滩工程的实践，按水垫塘的单位水体消能率和水垫塘最大动水压力分别为10 KW/m3～14KW/m3和15×9.8kPa控制坝身泄量，剩余洪水经岸边泄流设施泄放，构皮滩和溪洛渡的坝身泄流量分别达到26000m3/s和30000m3/s。 泄洪消能方式，采用坝身表孔、中孔和岸坡隧洞联合泄洪，选择合适的表孔、中孔体型、鼻坎高程、挑角和布置，使多股水流在空中碰撞后分散落点。在坝后设二道坝形成水垫塘，控制水流对底板的冲击力，利用岸边泄洪洞挑流分散在水垫塘以外消能，经水弹性模型试验验证，在水荷载和泄洪消能动荷载作用下，坝体及坝基的振动、变形和应力能够满足安全要求。

三、 混凝土面板堆石坝

中国自1985年开始采用混凝土面板堆石坝，由于是当地材料筑坝，适应性强，施工迅速，比较经济等优越特点，发展迅猛，至2003年底，已建和在建的混凝土面板堆石坝已超过110座，其中坝高超过100m的有30余座。

中国在学习和借鉴国外混凝土面板堆石坝筑坝技术的同时，也在不断地创新和提高了我国面板堆石坝的筑坝技术。如：坝体分区填筑规划；面板与趾板；接缝与止水；上游填筑坡面施工期保护等。

(1) 坝体分区和填筑规划

混凝土面板堆石坝坝体分区，视坝体各部位的工作条件、填筑料来源及其特性，考虑充分利用建筑物开挖料，简化施工等要求合理设计。通常分为7个区，从上游往下游依次为上游盖重区(ⅠB)、铺盖区(ⅠA)、垫层区(ⅡA)、过渡层区(ⅢA)、主堆石区(ⅢB)、次堆石区(ⅢC)、下游堆石区(ⅢD)。其中：铺盖区位于面板上游，万一面板开裂渗水，能随水流渗入裂缝，起淤堵和辅助防渗作用，天生桥一级和洪家渡面板堆石坝采用粘土，水布垭采用粉细砂；盖重区，是对铺盖的保护；垫层区位于面板下部，为面板提供均匀、平整的支撑面，同时当面板开裂或局部止水破坏造成漏水时，对封堵材料起反滤作用，限制渗漏；过渡区，在垫层料与主堆石料之间起水力过渡作用；主堆石区，是大坝承受上游水压力的主要支撑体，一般位于大坝轴线上游部位，与下游次堆石区以1∶0.2左右的坡度分界；次堆石区，主要是为了充分利用开挖料而设置的，位于大坝轴线下游部位；下游堆石区，为保证大坝排水畅通和下游坝坡稳定而设置。

中国在控制大坝坝体沉降和变形，减小面板后期可能产生裂缝的风险，通过实践积累了一定的经验。认识到合理规划坝体填筑和面板混凝土施工，做到坝体填方全断面均衡上升，开挖与上坝填料间的平衡，减少开挖料存放和二次开采及转运，提高坝料质量，以减小坝体各部位间不均匀变形；加强碾压和填筑料上坝、铺料及振动碾压全过程的洒水控制，以降低堆石坝体的孔隙率，提高干容重；坝体填筑完成后最好留有一定时间(经过一个汛期)的预沉降，再浇筑面板混凝土，对减小面板浇筑后的沉降变形，防止面板裂缝极为有效。

(2) 面板与趾板

面板仅起坝体防渗作用，厚度较薄，顶部厚度一般为0.3m，底部渐厚，多数按T=0.3+0.0035H(或0.003H)确定。采用单层双向或双层双向配筋，多数一层的配筋率顺坡向率为0.4%，顺坝轴向为0.35%。单层钢筋通常布置在面板中间，并在周边缝和受压垂直结构缝附近设置加强钢筋。洪家渡及水布垭面板采用了双层钢筋，天生桥一级均采用了单层钢筋。考虑施工导流和方便面板施工，将面板在沿高度方向分期，采用滑模施工，对接缝按工作缝进行处理。

趾板主要是作为面板基座和进行基础帷幕防渗灌浆需要设置的。趾板厚度和宽度按趾板作用水头确定，宽度一般为6m～10m，厚度为0.6m～1.0m，在沿趾板线方向一般不设结构缝，施工时多数按段长10m～12m进行施工，接缝亦按施工工作缝处理。