1.1 混凝土面板堆石壩的發展和特點

1.1.1 混凝土面板堆石壩的發展

混凝土面板堆石壩是以堆石或礫石為支撐結構，并在其上游面設置混凝土面板為防滲體的堆石壩，是土石壩的主要壩型之一。該種壩型自19世紀中葉于美國問世以來，以其投資省、工期短、安全性好、施工方便、適應性廣等諸多優點，受到國內外壩工界的普遍重視，在世界范圍內得到廣泛應用。我國自20世紀80年代中期開始用現代技術修筑混凝土面板堆石壩，到目前已經建壩100多座。還有很多面板堆石壩處于設計論證階段。

1.1.1.1 混凝土面板堆石壩在我國的應用

我國最早修建的混凝土面板堆石壩為貴州省貓跳河二級百花水電站大壩，于1966年建成，采用拋填式筑壩技術，壩高48.7m。1985年開始采用現代筑壩技術修建混凝土面板堆石壩，最早開工建設的是湖北西北口水庫混凝土面板堆石壩，壩高95m；最早建成的是遼寧關門山水庫混凝土面板堆石壩，壩高58.5m。截至2014年已建和在建的有140多座。其中壩高在70m以上的高壩有60多座，壩高在100m以上的有30多座。已建成的最高混凝土面板堆石壩是湖北省水布埡水電站大壩，壩高233m；擬建的最高混凝土面板堆石壩是新疆大石峽水電站大壩，壩高251m。

隨著關門山、西北口等首批混凝土面板堆石壩的建成及水布埡、天生橋一級、三板溪、洪家渡、灘坑、吉林臺、紫坪鋪、東津、萬安溪等第二批混凝土面板堆石壩的建設，在引進、消化、吸收國外先進經驗的基礎上，混凝土面板堆石壩在我國得到了較快的發展并積累了一定的經驗。在混凝土面板堆石壩工程實踐中，專業技術人員結合國內具體情況，豐富和完善了混凝土面板堆石壩技術，如無軌滑模、碾壓砂漿固坡、縫間塑性填料、面板混凝土配合比、大噸位振動碾、壩體材料等。我國混凝土面板堆石壩的設計和施工技術已日趨成熟，不僅制定了設計導則和施工規范，而且混凝土面板堆石壩安全性、適應性、經濟性好的特點在壩工界得到了共識，使混凝土面板堆石壩成為壩工方案比較選擇的主要壩型。

1.1.1.2 混凝土面板堆石壩技術的進展

（1）國外混凝土面板堆石壩的進展。

1）壩體基礎要求放寬。出現了建在軟巖、全風化巖石或砂礫石地基上的面板壩，如智利的圣塔揚那壩，壩高106m。

2）壩體填筑分區標準化、簡單化。J.B.庫克根據混凝土面板堆石壩建設經驗，除對壩體堆石進行詳細分區外，對各區堆石料的級配進行相應要求，使筑壩料的料源更廣泛，誕生了混凝土面板砂礫石壩。

3）趾板設計得到簡化。較傳統面板壩，趾板尺寸較小，配筋減少，趾板分縫按施工要求設置。

4）混凝土面板趨薄、配筋趨少。面板厚度從每米0.3+0.0067H減少到每米0.3+（0.002～0.0035）H；鋼筋配筋量從每排的0.5%減少到水平0.3%，垂直和壩肩附近為0.35%～0.4%。

5）縫的做法簡單化。大多數混凝土面板壩面板周邊縫省去了中間的橡膠止水帶，水平縫不設止水，垂直縫也只設簡單止水。

6）堆石填筑和趾、面板混凝土澆筑規范化。堆石填筑一般采用重型振動碾薄層碾壓施工；趾、面板混凝土一般采用無軌滑模澆筑施工。

（2）混凝土面板堆石壩的進展。我國混凝土面板堆石壩建設起步雖晚，但起點高，發展快。幾十年的建設歷程中，在吸收國外先進經驗的同時，不斷積累實踐經驗，同時，結合工程實際，進行了大量科學研究和試驗工作，在筑壩材料、地基處理、面板混凝土、接縫止水材料、施工導流、結構抗震、施工技術、原型觀測等方面取得了豐碩成果，并應用于工程實際，有些已達到國際先進水平，主要表現在下列幾個方面。

1）在樞紐布置上充分考慮壩址地形、地質、氣象等自然條件。如考慮土石方平衡和利用有效開挖渣料上壩；利用混凝土齒墻改善局部不利地形地質條件，趾板地基可以利用風化巖石和砂卵石覆蓋層等。

2）拓寬了筑壩材料的應用范圍。除傳統的硬巖外，軟巖、砂礫石都得到廣泛的應用。

3）對趾板布置和地基處理進行了改進。用混凝土防滲墻對砂礫石沖積層作防滲處理，將趾板置于砂礫石上，將混凝土防滲墻與面板連接起來的布置型式；對風化破碎巖層上的趾板，采用向下游延伸的混凝土板以滿足滲徑要求，并用反濾層覆蓋，以防止細料沖蝕。

4）對面板混凝土原材料和配合比進行了系統研究，主要是利用外加劑和摻和料改善常規混凝土的抗裂、抗滲、耐久和施工性能。此外還開發了高強低彈、纖維增強等高性能混凝土，結合施工工藝的改進和嚴格要求，面板裂縫問題已得到控制。

5）已開發了適應200m級高混凝土面板堆石壩的周邊縫止水結構形式及材料，主要結構形式為底部銅止水加表面止水，省去中間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、自愈型表面無黏性細粒材料、表面金屬及PVC止水片等新材料。

6）設計計算方面，開發了考慮任意滑動面和條塊間作用力的穩定分析計算方法和應用程序，并采用了堆石料的非線性強度包線。開發了二維、三維的靜力有限元分析程序，可考慮非線性彈性、彈塑性、黏彈塑性本構關系，以及相應的參數試驗和反饋分析技術。

7）在施工導流方面，開發了多種導流方式，主要是壩體臨時斷面擋水度汛及壩面過水度汛兩種方式，以適應壩址的各種自然條件。導流度汛須與壩體施工分期相結合，安排好總進度，達到提前蓄水受益的目的。

8）在施工技術方面，開發了無軌滑模澆筑混凝土面板、碾壓砂漿加固墊層上游邊坡、反滲水的處理、填筑質量的無損傷檢測方法、銅止水片的現場加工和異型接頭的工廠模壓成型、混凝土面板澆筑專用的布料臺車等新技術和新工藝。

9）對地震動力分析和實驗研究做過大量工作，表明混凝土面板堆石壩具有較好的抗震能力。混凝土面板堆石壩材料的動力特性試驗、三維動力反應分析、大型振動臺動力模型試驗等都具相當水平。

10）在原型觀測方面，已開發出成套的變形、應力及滲流的原型觀測設備。

1.1.2 混凝土面板堆石壩的特點

混凝土面板堆石壩由于其自身在技術、經濟方面的優勢，決定了它在安全、經濟、施工、運行等方面具有其他壩型所不可代替的潛力。這些優勢集中了混凝土面板堆石壩自身的特點，主要包括以下幾個方面。

1.1.2.1 面板堆石壩具有良好的適應性

混凝土面板堆石壩對壩址地形地質及各類型的工程條件都有較好的適應性，使其具有廣泛的應用領域。在已建成的面板壩中，既有建于峽谷地區的，如澳大利亞的塞沙那壩（Cethana）、水布埡大壩，也有建于寬闊河谷中的，如天生橋一級等；既有建于巖基上的，如萬安溪壩，也有建在砂礫石層上的（如柯柯亞壩、智利的圣塔揚那（Santa Juana）壩等）；既可用于新建水庫大壩，也可用于老庫壩體加高加固；既可用于常規水電站樞紐工程，也可用于抽水蓄能水電站工程等。

1.1.2.2 面板堆石壩具有良好的安全可靠性

混凝土面板壩結構設計上，壩體堆石全部作用在面板下游，水荷載作用于面板，整個堆石體重量及面板上部水重均在抵抗因水荷載作用所引起的水平推力，有利于壩體的穩定。同時，由于堆石具有良好的透水性，壩體堆石幾乎不受滲透力的影響。分析已建的面板壩，大多數在設計時不作穩定分析，而是參照已有工程選擇壩體坡度，使其低于碾壓堆石的內摩擦角。所有這些因素，都使混凝土面板堆石壩具有良好的抗滑穩定性。

壩體堆石本身具有較好的透水性，加之堆石體是具有良好顆粒級配的石渣形成，使壩體堆石料在滲流作用下能保持優良的滲流穩定性。

面板壩沉降變形很小，具有良好的抗震性能。近年來有研究資料表明，坡度為1∶1.3～1∶1.4的混凝土面板堆石壩能夠抵抗強烈地震，而不會發生嚴重破壞。

1.1.2.3 混凝土面板堆石壩建造簡捷、經濟

混凝土面板堆石壩結構簡單，堆石填筑、面板施工、趾板及其灌漿施工等工序均可獨立進行，各工序的相互干擾較少，便于組織機械化施工，施工進度較快。

現代混凝土面板堆石壩，由于結構布置較為緊湊，施工進度較快等因素，在綜合經濟效益方面具有較為明顯的優勢。和土質心墻壩比較，由于混凝土面板堆石壩結構斷面較小，壩體填筑量可比土質心墻壩節省40%～50%。