1.1 混凝土面板堆石坝的发展和特点

1.1.1 混凝土面板堆石坝的发展

混凝土面板堆石坝是以堆石或砾石为支撑结构，并在其上游面设置混凝土面板为防渗体的堆石坝，是土石坝的主要坝型之一。该种坝型自19世纪中叶于美国问世以来，以其投资省、工期短、安全性好、施工方便、适应性广等诸多优点，受到国内外坝工界的普遍重视，在世界范围内得到广泛应用。我国自20世纪80年代中期开始用现代技术修筑混凝土面板堆石坝，到目前已经建坝100多座。还有很多面板堆石坝处于设计论证阶段。

1.1.1.1 混凝土面板堆石坝在我国的应用

我国最早修建的混凝土面板堆石坝为贵州省猫跳河二级百花水电站大坝，于1966年建成，采用抛填式筑坝技术，坝高48.7m。1985年开始采用现代筑坝技术修建混凝土面板堆石坝，最早开工建设的是湖北西北口水库混凝土面板堆石坝，坝高95m；最早建成的是辽宁关门山水库混凝土面板堆石坝，坝高58.5m。截至2014年已建和在建的有140多座。其中坝高在70m以上的高坝有60多座，坝高在100m以上的有30多座。已建成的最高混凝土面板堆石坝是湖北省水布垭水电站大坝，坝高233m；拟建的最高混凝土面板堆石坝是新疆大石峡水电站大坝，坝高251m。

随着关门山、西北口等首批混凝土面板堆石坝的建成及水布垭、天生桥一级、三板溪、洪家渡、滩坑、吉林台、紫坪铺、东津、万安溪等第二批混凝土面板堆石坝的建设，在引进、消化、吸收国外先进经验的基础上，混凝土面板堆石坝在我国得到了较快的发展并积累了一定的经验。在混凝土面板堆石坝工程实践中，专业技术人员结合国内具体情况，丰富和完善了混凝土面板堆石坝技术，如无轨滑模、碾压砂浆固坡、缝间塑性填料、面板混凝土配合比、大吨位振动碾、坝体材料等。我国混凝土面板堆石坝的设计和施工技术已日趋成熟，不仅制定了设计导则和施工规范，而且混凝土面板堆石坝安全性、适应性、经济性好的特点在坝工界得到了共识，使混凝土面板堆石坝成为坝工方案比较选择的主要坝型。

1.1.1.2 混凝土面板堆石坝技术的进展

（1）国外混凝土面板堆石坝的进展。

1）坝体基础要求放宽。出现了建在软岩、全风化岩石或砂砾石地基上的面板坝，如智利的圣塔扬那坝，坝高106m。

2）坝体填筑分区标准化、简单化。J.B.库克根据混凝土面板堆石坝建设经验，除对坝体堆石进行详细分区外，对各区堆石料的级配进行相应要求，使筑坝料的料源更广泛，诞生了混凝土面板砂砾石坝。

3）趾板设计得到简化。较传统面板坝，趾板尺寸较小，配筋减少，趾板分缝按施工要求设置。

4）混凝土面板趋薄、配筋趋少。面板厚度从每米0.3+0.0067H减少到每米0.3+（0.002～0.0035）H；钢筋配筋量从每排的0.5%减少到水平0.3%，垂直和坝肩附近为0.35%～0.4%。

5）缝的做法简单化。大多数混凝土面板坝面板周边缝省去了中间的橡胶止水带，水平缝不设止水，垂直缝也只设简单止水。

6）堆石填筑和趾、面板混凝土浇筑规范化。堆石填筑一般采用重型振动碾薄层碾压施工；趾、面板混凝土一般采用无轨滑模浇筑施工。

（2）混凝土面板堆石坝的进展。我国混凝土面板堆石坝建设起步虽晚，但起点高，发展快。几十年的建设历程中，在吸收国外先进经验的同时，不断积累实践经验，同时，结合工程实际，进行了大量科学研究和试验工作，在筑坝材料、地基处理、面板混凝土、接缝止水材料、施工导流、结构抗震、施工技术、原型观测等方面取得了丰硕成果，并应用于工程实际，有些已达到国际先进水平，主要表现在下列几个方面。

1）在枢纽布置上充分考虑坝址地形、地质、气象等自然条件。如考虑土石方平衡和利用有效开挖渣料上坝；利用混凝土齿墙改善局部不利地形地质条件，趾板地基可以利用风化岩石和砂卵石覆盖层等。

2）拓宽了筑坝材料的应用范围。除传统的硬岩外，软岩、砂砾石都得到广泛的应用。

3）对趾板布置和地基处理进行了改进。用混凝土防渗墙对砂砾石冲积层作防渗处理，将趾板置于砂砾石上，将混凝土防渗墙与面板连接起来的布置型式；对风化破碎岩层上的趾板，采用向下游延伸的混凝土板以满足渗径要求，并用反滤层覆盖，以防止细料冲蚀。

4）对面板混凝土原材料和配合比进行了系统研究，主要是利用外加剂和掺和料改善常规混凝土的抗裂、抗渗、耐久和施工性能。此外还开发了高强低弹、纤维增强等高性能混凝土，结合施工工艺的改进和严格要求，面板裂缝问题已得到控制。

5）已开发了适应200m级高混凝土面板堆石坝的周边缝止水结构形式及材料，主要结构形式为底部铜止水加表面止水，省去中间PVC止水，表面止水材料包括性能良好的GB和SR柔性表面止水材料、自愈型表面无黏性细粒材料、表面金属及PVC止水片等新材料。

6）设计计算方面，开发了考虑任意滑动面和条块间作用力的稳定分析计算方法和应用程序，并采用了堆石料的非线性强度包线。开发了二维、三维的静力有限元分析程序，可考虑非线性弹性、弹塑性、黏弹塑性本构关系，以及相应的参数试验和反馈分析技术。

7）在施工导流方面，开发了多种导流方式，主要是坝体临时断面挡水度汛及坝面过水度汛两种方式，以适应坝址的各种自然条件。导流度汛须与坝体施工分期相结合，安排好总进度，达到提前蓄水受益的目的。

8）在施工技术方面，开发了无轨滑模浇筑混凝土面板、碾压砂浆加固垫层上游边坡、反渗水的处理、填筑质量的无损伤检测方法、铜止水片的现场加工和异型接头的工厂模压成型、混凝土面板浇筑专用的布料台车等新技术和新工艺。

9）对地震动力分析和实验研究做过大量工作，表明混凝土面板堆石坝具有较好的抗震能力。混凝土面板堆石坝材料的动力特性试验、三维动力反应分析、大型振动台动力模型试验等都具相当水平。

10）在原型观测方面，已开发出成套的变形、应力及渗流的原型观测设备。

1.1.2 混凝土面板堆石坝的特点

混凝土面板堆石坝由于其自身在技术、经济方面的优势，决定了它在安全、经济、施工、运行等方面具有其他坝型所不可代替的潜力。这些优势集中了混凝土面板堆石坝自身的特点，主要包括以下几个方面。

1.1.2.1 面板堆石坝具有良好的适应性

混凝土面板堆石坝对坝址地形地质及各类型的工程条件都有较好的适应性，使其具有广泛的应用领域。在已建成的面板坝中，既有建于峡谷地区的，如澳大利亚的塞沙那坝（Cethana）、水布垭大坝，也有建于宽阔河谷中的，如天生桥一级等；既有建于岩基上的，如万安溪坝，也有建在砂砾石层上的（如柯柯亚坝、智利的圣塔扬那（Santa Juana）坝等）；既可用于新建水库大坝，也可用于老库坝体加高加固；既可用于常规水电站枢纽工程，也可用于抽水蓄能水电站工程等。

1.1.2.2 面板堆石坝具有良好的安全可靠性

混凝土面板坝结构设计上，坝体堆石全部作用在面板下游，水荷载作用于面板，整个堆石体重量及面板上部水重均在抵抗因水荷载作用所引起的水平推力，有利于坝体的稳定。同时，由于堆石具有良好的透水性，坝体堆石几乎不受渗透力的影响。分析已建的面板坝，大多数在设计时不作稳定分析，而是参照已有工程选择坝体坡度，使其低于碾压堆石的内摩擦角。所有这些因素，都使混凝土面板堆石坝具有良好的抗滑稳定性。

坝体堆石本身具有较好的透水性，加之堆石体是具有良好颗粒级配的石渣形成，使坝体堆石料在渗流作用下能保持优良的渗流稳定性。

面板坝沉降变形很小，具有良好的抗震性能。近年来有研究资料表明，坡度为1∶1.3～1∶1.4的混凝土面板堆石坝能够抵抗强烈地震，而不会发生严重破坏。

1.1.2.3 混凝土面板堆石坝建造简捷、经济

混凝土面板堆石坝结构简单，堆石填筑、面板施工、趾板及其灌浆施工等工序均可独立进行，各工序的相互干扰较少，便于组织机械化施工，施工进度较快。

现代混凝土面板堆石坝，由于结构布置较为紧凑，施工进度较快等因素，在综合经济效益方面具有较为明显的优势。和土质心墙坝比较，由于混凝土面板堆石坝结构断面较小，坝体填筑量可比土质心墙坝节省40%～50%。