第1章 高土石壩發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1.1 土石壩的發(fā)展

1.1.1 概述

土石壩是指由土、石料等當(dāng)?shù)夭牧咸钪傻膲危菤v史最為悠久的一種壩型，也是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。

中國(guó)是建壩最早的國(guó)家之一。早在公元前250年，四川岷江即修建了都江堰，創(chuàng)造了竹籠裝填卵石筑壩壅水和溢洪的堰。公元前240年，在陜西鄭國(guó)渠建成30m高的木籠填石壩。公元前34年，在河南泌陽(yáng)河修建的馬仁陂土壩，殘壩壩高16m，經(jīng)歷代維修后運(yùn)行至今。聞名世界的長(zhǎng)達(dá)百里的洪澤湖大堤為東漢時(shí)期開始修筑，后經(jīng)數(shù)次大修，臨湖堤段基本用條石砌筑，逐漸形成規(guī)模。早期所建的壩，特別是砂質(zhì)地基上的土壩，因泄洪和滲透穩(wěn)定兩大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒有得到解決，大多沖毀殆盡。有的土壩如洪澤湖大堤能夠存在至今，靠的是不斷維修加固。

由于筑壩經(jīng)驗(yàn)的積累，以及基本理論如土的強(qiáng)度理論、滲流理論、有效應(yīng)力原理和固結(jié)理論等的創(chuàng)立，才使得近代建造的土石壩更加安全可靠，也逐步推動(dòng)了現(xiàn)代高土石壩建設(shè)技術(shù)的發(fā)展。因此，土石壩在壩工建設(shè)中的比重逐年增加，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界所建設(shè)的100m級(jí)以上的高壩中，土石壩所占的比重呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，20世紀(jì)60年代占比接近40%，70年代占比接近60%，80年代占比為70%以上，至21世紀(jì)初占比增加至80%以上。

土石壩得以廣泛發(fā)展的主要原因主要如下：

（1）可以就地、就近取材，節(jié)省大量水泥、木材和鋼材，減少工地的外線運(yùn)輸量。由于土石壩設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的發(fā)展，放寬了對(duì)筑壩材料的要求，幾乎任何土石料均可用來(lái)筑壩。

（2）能適應(yīng)各種不同的地形、地質(zhì)和氣候條件。除極少數(shù)例外，幾乎任何不良地基經(jīng)處理后均可修建土石壩。特別是在氣候惡劣、工程地質(zhì)條件復(fù)雜和高烈度地震區(qū)的情況下，土石壩大多時(shí)候成為唯一可取的壩型。

（3）大容量、多功能、高效率施工機(jī)械的發(fā)展，提高了土石壩的壓實(shí)密度，減小了土石壩的斷面，加快了施工進(jìn)度，降低了造價(jià)，促進(jìn)了土石壩建設(shè)的發(fā)展。

（4）由于巖土力學(xué)理論、試驗(yàn)手段和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，提高了分析計(jì)算的水平，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度，進(jìn)一步保障了大壩設(shè)計(jì)的安全可靠性。

（5）高邊坡、地下工程結(jié)構(gòu)、高速水流消能防沖等土石壩配套工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的綜合發(fā)展，對(duì)加速土石壩的建設(shè)和推廣也起到了重要的促進(jìn)作用。

近幾十年來(lái)，我國(guó)的土石壩建設(shè)取得了舉世矚目的成就。20世紀(jì)50年代初，我國(guó)的土石壩高度僅40～50m，之后陸續(xù)建成當(dāng)時(shí)亞洲第一高的毛家村土壩（壩高82m）以及碧口（壩高102m）、魯布革（壩高104m）、小浪底（壩高160m）等一批標(biāo)志性土石壩工程。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)土石壩筑壩技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，在數(shù)量、壩高和建設(shè)規(guī)模等方面都得到前所未有的發(fā)展，陸續(xù)建成了天生橋一級(jí)（壩高178m）、洪家渡（壩高179.5m）、紫坪鋪（壩高156m）、水布埡（壩高233m）等200m級(jí)高土石壩。2013年建成的261.5m高的糯扎渡心墻堆石壩為當(dāng)時(shí)同類壩型中高度世界第三、亞洲第一。在天生橋一級(jí)、水布埡、糯扎渡等世界一流土石壩工程建設(shè)中，積累了大量工程經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)土石壩筑壩技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。特別是糯扎渡高心墻堆石壩，其心墻堆石壩壩高261.5m，項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)比此前國(guó)內(nèi)已建最高的小浪底心墻堆石壩提升了約100m，許多技術(shù)問(wèn)題超出了現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍，在糯扎渡高心墻堆石壩工程建設(shè)中，昆明院經(jīng)過(guò)15年的勘測(cè)設(shè)計(jì)研究工作，在超高心墻堆石壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、計(jì)算分析理論、施工工藝及安全控制技術(shù)等方面取得了多項(xiàng)具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新性成果，使我國(guó)堆石壩筑壩技術(shù)水平邁上了一個(gè)新臺(tái)階。

21世紀(jì)，在國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的支持下，一大批水利水電工程將在西南地區(qū)水力資源豐富的江河上開工建設(shè)，這些筑壩地點(diǎn)大多處于交通不便、地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，自然條件相對(duì)惡劣，施工困難較多，修建土石壩具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，因此，土石壩工程必將在西部大開發(fā)的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。

1.1.2 高心墻堆石壩的發(fā)展及建設(shè)情況

心墻堆石壩是在壩體中心設(shè)置直立的或略偏上游傾斜的防滲體的土石壩，防滲體可以為土料、瀝青混凝土、鋼筋混凝土等，目前采用較多的為黏土心墻堆石壩。

早期建設(shè)的心墻堆石壩，由于沒有大型振動(dòng)碾壓設(shè)備，堆石大多用拋填法填筑，這樣建成的高壩大多都產(chǎn)生裂縫。例如，美國(guó)的泥山（Mud Monutain）壩采用拋填式堆石，裂縫嚴(yán)重，不能正常蓄水。我國(guó)20世紀(jì)60年代初期用拋投式堆石筑成的南谷洞斜墻土石壩，堆石體變形太大使得土斜墻裂縫沖刷，幾經(jīng)修補(bǔ)，數(shù)次塌坑，后來(lái)鋪筑瀝青混凝土面板修復(fù)，仍裂縫漏水。20世紀(jì)60年代末期，振動(dòng)碾的良好壓實(shí)效果得到公認(rèn)，多數(shù)高壩的堆石壩殼和砂卵礫石壩殼都采用振動(dòng)碾壓實(shí)，大大縮小了填筑堆石料的孔隙率，使得壩體變形減小，逐步控制了裂縫的產(chǎn)生。心墻料的使用范圍也逐步擴(kuò)大，礫質(zhì)黏土、殘積土、風(fēng)化巖、洪積土、冰磧土等均可用來(lái)作為心墻土料。隨著重型振動(dòng)碾的發(fā)展及投入使用及建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，使得心墻堆石壩建設(shè)高度逐漸增加。我國(guó)1976年建成的碧口心墻堆石壩，壩高101.8m，是我國(guó)第一座現(xiàn)代碾壓式堆石壩，砂卵石、石渣、堆石經(jīng)重型振動(dòng)碾薄層碾壓，密實(shí)度高，壩體變形小，且經(jīng)歷了多次地震的考驗(yàn)，至今運(yùn)行狀況良好。此后，1990年建成魯布革心墻堆石壩（壩高104m）也較為成功。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)的心墻堆石壩建設(shè)朝著更高的方向發(fā)展，2001年建成了小浪底斜心墻堆石壩（壩高154m），2006年建成了瀑布溝心墻堆石壩（壩高188m）。2013年建成的糯扎渡水電站心墻堆石壩壩高達(dá)到261.5m（圖1.1-1），大量創(chuàng)新性研究成果及成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)大大提高了工程界建設(shè)更高心墻堆石壩的信心，當(dāng)前在建、擬建心墻堆石壩最大壩高達(dá)300m級(jí)（兩河口壩高295m，雙江口壩高312m，如美壩高315m）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)西部，目前有近20座水電站（壩高200m以上）將心墻堆石壩作為代表性壩型，表1.1-1列出了設(shè)計(jì)建設(shè)中的幾座典型高心墻堆石壩的概況。

1.1.3 高混凝土面板堆石壩的發(fā)展及建設(shè)情況

混凝土面板堆石壩是用堆石料或砂礫石料分層碾壓填筑及用混凝土面板做上游防滲體的壩。面板堆石壩主要由防滲面板、防滲接地結(jié)構(gòu)、堆石壩體等三大部件組成，防滲面板是面板堆石壩的防滲部件，面板通過(guò)周邊縫與防滲接地結(jié)構(gòu)連接，防滲接地結(jié)構(gòu)主要控制通過(guò)地基及兩岸壩基的滲流，減小滲水量并使得滲水得到安全排出。堆石壩體則是面板的支撐結(jié)構(gòu)，也是面板的基礎(chǔ)，并且要安全排出通過(guò)面板及其接縫的滲水。

混凝土面板堆石壩至今已有100多年的歷史，按國(guó)際面板壩專家?guī)炜说慕y(tǒng)計(jì)，國(guó)際面板堆石壩的發(fā)展可分為以拋填堆石為主的早期階段（1940年以前）、碾壓堆石引入前后且相對(duì)停滯的過(guò)渡期階段（1940—1970年）和以薄層碾壓為主的現(xiàn)代階段（1970年以后）。早期的面板堆石壩都是一些木框堆石壩，在木框上游面設(shè)置木板防滲，到大約20世紀(jì)初開始采用混凝土面板防滲，該時(shí)期的堆石大多采用拋填式，拋填層高往往達(dá)到10~50m以上，由于孔隙率及壓縮性較大，大多產(chǎn)生很大的漏水量，且更高的面板堆石壩的拋填堆石會(huì)使得混凝土面板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的開裂及損壞，因此約75m成為該時(shí)期混凝土面板堆石壩的極限高度。20世紀(jì)40年代，由于生產(chǎn)的發(fā)展需要建設(shè)更高的壩，但是由于拋填式面板堆石壩不適用于75m以上高壩，因而轉(zhuǎn)向建設(shè)能適應(yīng)拋填堆石變形的心墻壩，這時(shí)期為過(guò)渡期。隨著碾壓堆石的出現(xiàn)，振動(dòng)碾碾壓堆石的低壓縮性在實(shí)踐過(guò)程中得到證明，且碾壓堆石使得質(zhì)量較差的巖石也可用于筑壩，至20世紀(jì)70年代，碾壓堆石完全取代了拋填堆石，進(jìn)入了碾壓堆石時(shí)期即現(xiàn)代面板堆石壩時(shí)期。現(xiàn)代面板堆石壩的設(shè)計(jì)表現(xiàn)在碾壓堆石趾板和基礎(chǔ)灌漿的接地防滲、趾板到壩頂?shù)恼w面板、半透水性的墊層料、多道止水的周邊縫等。

現(xiàn)代面板堆石壩不僅大大減小了漏水量，而且具有造價(jià)低、工期短的特點(diǎn)，在壩型比較中往往占有優(yōu)勢(shì)，因此得到了蓬勃發(fā)展，1990年以后面板堆石壩開始向200m級(jí)高壩發(fā)展，圖1.1-2為國(guó)際面板堆石壩發(fā)展示意圖。據(jù)有關(guān)資料，到2008年年底，國(guó)外已建壩高30m以上的面板堆石壩約275座，壩高150m以上的約10座。表1.1-2列出了國(guó)外部分已建、在建和擬建的150～200m級(jí)高面板堆石壩。

我國(guó)自1985年開始用現(xiàn)代技術(shù)修建混凝土面板堆石壩，起步雖晚，但近幾十年來(lái)，我國(guó)的面板堆石壩建設(shè)取得了舉世矚目的成績(jī)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2009年年底，國(guó)內(nèi)已建壩高30m以上面板堆石壩約170座，其中壩高150m以上的約7座，最高的是水布埡壩，壩高233m。已建、在建和擬建150～200m級(jí)高混凝土面板堆石壩的初步統(tǒng)計(jì)情況見表1.1-2。我國(guó)已建面板堆石壩幾乎遍布全國(guó)各地，涉及各種不利的地形、地質(zhì)條件和氣候條件，工程設(shè)計(jì)建設(shè)總體是成功的，積累了應(yīng)對(duì)各種困難情況的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。目前，我國(guó)面板堆石壩的數(shù)量、規(guī)模、技術(shù)難度都已居于世界前列。

在目前規(guī)劃的我國(guó)西部金沙江、瀾滄江、怒江、雅礱江、大渡河、黃河上游及雅魯藏布江的梯級(jí)電站中，有較多的電站將混凝土面板堆石壩作為比選或推薦壩型（表1.1-3和表1.1-4），這些混凝土面板堆石壩的高度均在200~300m級(jí)，大多在250m級(jí)高度，超過(guò)目前世界上最高的水布埡面板堆石壩（壩高233m），因此，我國(guó)高混凝土面板堆石壩的建設(shè)技術(shù)面臨著向250m級(jí)及以上高度跨越發(fā)展的挑戰(zhàn)。這一大批250m級(jí)高混凝土面板堆石壩的安全建設(shè)與運(yùn)行將成為水利水電工程中被廣泛關(guān)注的重點(diǎn)。

但應(yīng)當(dāng)指出，面板堆石壩屬經(jīng)驗(yàn)壩型，雖然我國(guó)面板堆石壩經(jīng)過(guò)近30年的基礎(chǔ)理論研究和建設(shè)實(shí)踐，取得了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)200m級(jí)高面板堆石壩的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)已有探索趨向成熟，但目前僅達(dá)到半經(jīng)驗(yàn)半理論的技術(shù)水平，而且已建的200m級(jí)高混凝土面板堆石壩較少，運(yùn)行時(shí)間也較短，在大壩建設(shè)及運(yùn)行方面積累的經(jīng)驗(yàn)較少，還有較多的基礎(chǔ)性問(wèn)題需進(jìn)一步研究突破。例如，近期建設(shè)的幾座高面板堆石壩在取得成功及寶貴經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，部分工程出現(xiàn)壩體變形偏大、面板擠壓破壞、防滲體系破損、滲漏量較大等問(wèn)題；再如，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)資料表明，高面板堆石壩壩體變形與設(shè)計(jì)階段的計(jì)算預(yù)測(cè)值相比經(jīng)常偏大很多，且穩(wěn)定時(shí)間偏長(zhǎng)。有些高面板堆石壩壩在經(jīng)過(guò)十多年的擋水運(yùn)行后，其變形（尤其是不均勻變形）的量值變化尚未穩(wěn)定，運(yùn)行期壩體或面板結(jié)構(gòu)破損的情況時(shí)有發(fā)生。

上述問(wèn)題的發(fā)生使得目前工程界對(duì)于能否安全建成250m級(jí)或更高的面板堆石壩表現(xiàn)出了疑慮，在許多適宜建設(shè)高堆石壩的壩址，因不能把握250m級(jí)以上高面板堆石壩的工程特性和技術(shù)可行性，不能直接選擇面板堆石壩方案，而選用體積大、施工受天氣條件影響、占用耕地較多對(duì)環(huán)境破壞造成不利影響的心墻堆石壩方案，有的工程在近壩區(qū)甚至沒有可用的防滲土料，使得水電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)力降低。因此，我國(guó)混凝土面板堆石壩的發(fā)展面臨著從200m級(jí)壩高向300m級(jí)壩高發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)。近幾年，我國(guó)水利水電工程領(lǐng)域相關(guān)設(shè)計(jì)、科研、建設(shè)單位依托正在開展可行性研究工作的古水、茨哈峽、馬吉、如美等250~300m級(jí)高面板堆石壩，系統(tǒng)地開展了300m級(jí)面板堆石壩適應(yīng)性及安全性等關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了大量新的研究成果，相信這些研究成果對(duì)于指導(dǎo)300m高面板堆石壩建設(shè)可發(fā)揮積極作用。