浅论混凝土面板堆石坝在昭通市黑石罗水库工程建设中的应用.docx
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浅论混凝土面板堆石坝在昭通市黑石罗水库工程建设中的应用
浅论混凝土面板堆石坝在昭通市黑石罗水库
工程建设中的应用
昭通市黑石罗水库工程建设管理局邱珺
摘要:
随着我国水利建设的不断发展和进步,混凝土面板堆石坝在水利工程建设中得到长足的发展,技术日趋成熟,适应性非常强,各项指标良好,在全国得到广泛的推广及应用,本文以黑石罗水库工程建设为实例,说明混凝土面板堆石坝在云南昭通偏远山区的迅速推广和应用。
关键字:
混凝土面板堆石坝;水利工程;昭通地区;推广;应用
0引言
我国用现代技术修建混凝土面板堆石坝始于1985年,由于这种坝型在水利水电工程中具有断面小、施工方便、安全性、经济性和适应性良好的特点,常常成为交通不便、天然建筑石材丰富、可以就近取材的山区河流建坝首选坝型,并在坝工建设中得到了广泛应用。
在从国外引进混凝土面板堆石坝之前,我国山区河流中小型建坝大多选择土坝,施工断面大、用料多,耕地破坏面积大,土料要求高、选料较为困难,施工不便,安全性和经济性不高。
通过从国外引进混凝土面板堆石坝技术后,经过不断的研究、开发、利用,从目前的发展水平看,100m和200m级坝高的混凝土面板堆石坝筑坝技术日渐成熟。
我国的混凝土面板堆石坝在数量、坝高、工程规模、技术难度等方面现已走在世界前列,这些混凝土面板堆石坝遍布全国,覆盖了各种不利气候、地形、地质条件。
据不完全统计,截至2009年底,我国坝高30m以上混凝土面板堆石坝已建成约170座,在建、拟建各约40座,总数约260座。
高度100m以下的中坝最多,大中型水库为主,中小型电站居多。
我国已建、在建及拟建的混凝土面板堆石坝分布在全国29个省(区、市)。
已建的混凝土面板堆石坝最高的是水布垭坝,坝高233m,亦为目前世界最高的混凝土面板堆石坝。
坝体填筑规模最大的是天生桥一级坝,坝高178m,坝顶长1104m,填筑量约1800万m3,水库总库容102.57亿m3。
云南省的混凝土面板堆石坝起步修建较其他省市稍晚,至2009年底,已建混凝土面板堆石坝超出10座。
昭通地区的混凝土面板堆石坝修建始于1998年,分别开始修建巧家县的炉房水库,总库容1860万m3,坝高53.1m;镇雄县大水沟水库,总库容2270万m3,坝高75.6m。
至今昭通地区已建有混凝土面板堆石坝5座,均属于中型水库。
现在建的混凝土面板堆石坝有13座,其中8座属于中型水库,5座属于小
(1)型水库。
昭通市黑石罗水库是目前昭通地区在建的中型水库中库容最大的一座混凝土面板堆石坝,总库容4992.1万m3。
彝良县双河水库是目前昭通地区在建的中型水库中最大坝高的一座混凝土面板堆石坝,坝高82.5m。
这种坝型在全市范围内水利工程建设中得到迅速广泛的推广及应用。
1工程概况
昭通市黑石罗水库位于冷水河中下游,行政区划属昭阳区苏甲乡水井村,距离昭阳城43km。
坝址坐标东经103°33′42″,北纬27°31′31″。
水库总库容4992.1万m3;正常库容4575.2万m3;死库容980.9万m3;调洪库容1299万m3。
灌溉渠道总长82.166km。
黑石罗水库是一座以集镇和农村人畜饮水及农业灌溉为主,兼有下游村镇、农田防洪保护作用的综合性中型水利工程。
设计集镇和农村供水人口15.1万人、牲畜18.1万头,灌溉面积5.5万亩,下游防洪保护人口1.6万人、农田1.75万亩。
水库枢纽工程主要由混凝土面板堆石坝、溢洪洞、输水隧洞及泄洪冲砂(导流)隧洞组成。
坝轴线布置在杏子树处河道转弯后下游300m,坝型为混凝土面板堆石坝,坝高78.7m,坝顶长206.0m,坝顶宽8.0m。
溢洪洞紧靠右坝肩布置,轴线全长339.993m,平面上呈转弯布置。
输水隧洞布置在左岸,轴线呈折线布置,全长353.5m,洞身断面为圆形有压洞型。
泄洪冲砂(导流)隧洞布置在右岸,轴线呈直线布置,隧洞全长469.10m,洞身断面为圆形有压洞型。
黑石罗水库工程规模为中型水库,工程等别为Ⅲ等。
大坝建筑物级别为2级;溢洪洞、输水隧洞及泄洪冲砂隧洞等主要建筑物级别为3级;次要建筑物级别为4级;临时建筑物级别为5级;灌区建筑物级别为5级。
洪水标准为:
土石坝按50年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核;溢洪洞消能防冲建筑物洪水标准按30年一遇洪水设计;渠系建筑物洪水标准按10年一遇洪水设计。
工程区地震基本烈度为Ⅶ度,工程设防地震烈度按Ⅶ度设防。
2大坝设计
大坝主要由趾板、面板及其接缝止水系统、大坝填筑体、坝顶防浪墙及坝面护坡等组成。
大坝上游设置铺盖,下游坝脚设置观测渗漏的量水堰。
2.1大坝形体结构
大坝坝顶长206.0m,坝顶高程2051.7m。
趾板最低建基面高程1973m,最大坝高78.7m,最大坝底宽242.2m,坝顶宽8.0m。
上游坝坡1:
1.5;下游坝坡1:
1.5。
在下游坝坡中间位置设置净宽3.6m的上下梯步,采用混凝土阻滑梁和预制块护坡。
在高程2026.7m、2006.7m及1988.0m处设三道2.0m宽马道。
坝顶上游侧设置“L”型钢筋混凝土防浪墙,防浪墙高3.7m,墙底高程2049.0m,墙顶高程2052.7m,底部伸入坝体2.7m,坝顶以上1m,与面板坚固、稳定的紧密结合。
2.2混凝土面板
面板采用垂直缝分块。
混凝土强度等级为C25,抗渗等级为W8,抗冻等级为F100。
面板顶部垂直坝面厚度为0.3m,底部最大厚度为0.55m。
面板总面积1.75万m2。
在面板中部配置单层双向钢筋,各向含筋率约为0.4%;在面板靠近垂直缝、周边缝的边缘配置面板边缘钢筋。
2.3混凝土趾板
趾板为0.5m的等厚趾板。
1993.0m高程以下趾板宽度为7.0m;1993.0m高程以上至2013.0m高程趾板宽度为6.0m;2013.0m高程以上趾板宽度为5.0m。
趾板混凝土强度等级为C25,抗渗等级为W8,抗冻等级为F100。
表面布置一层温度钢筋,含筋率约0.35%。
钢筋保护层厚度为10~15cm。
为增强趾板与地基的连接,在基础上设置4.5m长的Φ28锚筋。
2.4分缝和止水
止水材料:
主要有止水铜片、塑性填料、沥青乳胶剂、聚乙烯闭孔泡沫板等。
止水铜片型式:
主要有“W”型、“F”型和“U”型。
分缝主要有周边缝、面板垂直缝和伸缩缝:
(1)周边缝:
顶部(与防浪墙接缝位置)周边缝止水结构型式采用“W”型止水铜片,缝面安装厚12mm的聚乙烯闭孔泡沫板,缝口设橡胶棒(Φ=25mm),表面设防渗遮盖带密封,两者之间的空隙填塑性止水填料,两侧采用镀锌角钢固定;趾板周边缝止水结构型式采用“F”型止水铜片,缝面安装厚12mm的聚乙烯闭孔泡沫板,缝口设橡胶棒(Φ=25mm),表面设三元乙丙复合遮盖带密封,两者之间的空隙填塑性止水填料,两侧采用镀锌角钢固定。
(2)面板垂直缝:
止水结构型式采用“W”型止水铜片,缝面涂刷厚3mm的沥青乳胶剂,缝口设橡胶棒(Φ=25mm),表面设防渗遮盖带密封,两者之间的空隙填塑性止水填料,两侧采用镀锌角钢固定。
(3)伸缩缝:
止水结构型式采用“U”型止水铜片,缝面涂刷厚3mm的沥青乳胶剂,表面设三元乙丙复合遮盖带密封,两者之间的空隙填塑性止水填料,两侧采用镀锌膨胀螺栓固定。
2.5观测设计
2.5.1变形监测设施的布置
变形监测包括表面变形监测、面板变形监测、堆石坝体变形监测。
(1)表面变形监测:
在堆石坝体顶部及下游坝面布置4条视准线,视准线布置在坝顶防浪墙及坝后坡高程2026.7m、2006.7m、1988.0m马道附近,利用工作基点监测表面位移监测点的水平位移和垂直位移,以监测大坝的表面变形情况。
(2)面板变形监测:
包括面板周边缝、垂直缝的缝面开合度监测,面板变形扰度监测。
面板缝面之间采用埋设单向测缝计进行观测;周边缝采用埋设三向测缝计进行观测;在面板监测主断面上布置倾角仪进行面板扰曲变形监测。
(3)堆石体变形监测:
在坝横断面1989.2m、2007.9m、2027.9m的3个不同高程处埋设贯穿坝体上下游的水平位移计和水管式沉降仪,进行坝体水平位移和垂直位移监测。
2.5.2应力应变监测设施布置
应力应变监测包括面板应力应变、温度及其内部钢筋应力监测。
在面板内埋设混凝土应变计、无应力计、温度计和钢筋计,进行面板应力应变监测。
2.5.3渗流监测设施的布置
渗流监测包括坝基渗透压力、坝基渗流、绕坝渗流、坝体渗流的监测。
(1)坝基渗流监测:
在堆石坝上游周边缝面板的垫层料内、最大坝剖面防
渗帷幕下游和沿坝基顺河向埋设渗压计,进行坝基渗流监测。
(2)绕坝渗流监测:
在两坝肩、坝体下游岸坡布置水位孔测压管,进行绕
坝渗流监测。
(3)渗流总量监测:
在下游坝脚设置1座量水堰,进行坝体和坝基总渗流
量监测。
2.6坝基开挖与处理
2.6.1坝基开挖
坝基开挖分为三个区域,Ⅰ区为趾板下游0.4~0.5倍坝高范围内的建基面,要求挖至与趾板建基面相同的高程,将影响堆石压实的陡坎、倒悬体挖除,清除所有的松散风化岩石,达到完整的建基面;Ⅱ区为Ⅰ区边界至坝轴线范围内,Ⅱ区两岸坡要求挖至强风化岩层;Ⅲ区为坝轴线至下游坝脚范围内,要求两岸坡挖除第四系、清除地表耕作层及树根。
2.6.2坝基处理
趾板基础全部进行固结灌浆和帷幕灌浆:
固结孔二排,排距3.0m,孔距3.0m,孔深深入基岩8m。
帷幕灌浆孔分三种方式布置,两岸延长段布一排,孔距1.5m;趾板基础高程2025.5m以上布一排,孔距1.0m;趾板基础高程2025.5m以下布两排,孔距1.5m,排距1.0m,孔深深入基岩至透水率5Lu线以下5m,两岸延伸至地下水位与正常蓄水位交点处。
帷幕轴线总长481.8m,其中左岸自坝肩延伸80.0m,右岸自坝肩延伸60.0m,岸坡及河床段长341.8m。
对Ⅰ区坝基内的裂隙及破碎带需进行清理后,采用M7.5浆砌石回填处理;若趾板基础范围内局部出现破碎带,清除后用同标号的混凝土回填处理;对坝基范围内的探洞采用M7.5浆砌石回填处理。
2.7坝体填筑分区、坝料设计及碾压控制参数
2.7.1坝体填筑分区
大坝填筑主要分为三个区:
1区为防渗补强区,分为1A区和1B区,1A区在面板上游铺盖粉煤灰(或粉细砂);1B区在1A区上覆盖任意料。
2区为垫层区,分为2A区和2B区,2A区为水平距离3m宽的垫层;2B区为特殊垫层,设在周边缝下侧,80cm宽,175cm厚。
3区为堆石区,分为3A区、3B区、3C区和3E区,3A区为水平距离3m宽的过渡层;3B区为主堆石区;3C区为下游次堆石区;3E区为排水棱体。
坝体填筑分区剖面图如下:
2.7.2填筑坝料设计
(1)垫层料采用天然砂筛分,要求具有低压缩性、高抗剪强度、非塑性、级配良好、颗粒坚硬、耐久,不含土和有机物等杂质的河床砂石料。
(2)过渡料要求来源于堆石料场或隧洞开挖的级配良好的细堆石料。
(3)堆石料采用建筑物和堆石料场开挖的弱风化及其以下的粉砂岩。
(4)上游盖重料为任意料。
2.7.3大坝各区填筑设计控制参数及碾压试验确定的参数
(1)大坝各区填筑设计控制参数见下表:
分区
填料名称
设计干密度(g/cm3)
空斜率
(%)
最大粒径(cm)
渗透系数(cm/s)
铺料厚度(cm)
最少碾压遍数
2A
垫层料
≥2.2
≤19
8
≤1×10-3
40
6
2B
特殊垫层料
≥2.2
≤19
4
≤1×10-3
20
6
3A
过渡料
≥2.15
≤21
30
≥1×10-2
40
6
3B
主堆石
≥2.15
≤22
60
≥1×10-1
80
8
3C
次堆石
≥2.10
≤23
60
≥1×10-1
80
8
3E
排水棱体
≥2.05
≤25
60
自由排水
80
8
(2)施工碾压试验确定的参数见下表:
分区
填料名称
碾压设备重量(t)
设计干密度(g/cm3)
空斜率
(%)
最大粒径(cm)
渗透系数(cm/s)
铺料厚度(cm)
最少碾压遍数
2A
垫层料
22
≥2.2
≤19
8
≤1×10-3
40
8
2B
特殊垫层料
22
≥2.2
≤19
4
≤1×10-3
20
8
3A
过渡料
32
≥2.15
≤21
30
≥1×10-2
40
8
3B
主堆石
32
≥2.15
≤22
60
≥1×10-1
80
8
3C
次堆石
32
≥2.10
≤23
60
≥1×10-1
80
8
3E
排水棱体
32
≥2.05
≤25
60
自由排水
80
8
2.8后坝护坡设计
后坝坡沿坡面边界处设置钢筋混凝土阻滑梁和浆砌石坡面排水沟。
在1988.0m、2006.7m、2026.7m三道不同高程的马道内侧设置钢筋混凝土阻滑梁,在马道上设置80cm宽的花池来种植花草,马道外沿设置70cm宽人行过道。
在坝坡中间设置3.6m净宽的上下梯步。
坡面采用30cm的粗砂碎石垫层找平,铺填边长30cm、厚度12cm的混凝土预制块进行护坡。
3大坝填筑施工
黑石罗水库大坝填筑施工分3期进行,填筑方量约106万m3。
Ⅰ期度汛坝体填筑43.8万m3,坝高42.5m,填筑至高程2015.5m。
工程形象面貌:
2014年1月7日至4月20日,共3.5个月,平均强度12.5万m3/月。
Ⅱ期坝体填筑计划于2014年11月底封顶。
工程形象面貌:
截止2014年9月30日,共5.5个月,填筑至高程2020m,填筑方量26.2万m3,平均强度4.8万m3/月。
Ⅲ期为坝上游铺盖任意料填筑。
大坝填筑施工,石料场石料开采爆破施工高峰期有2台液压潜孔钻和2台高风压潜孔钻钻孔,钻孔梯段高度8~10m,孔间、排距2.5m,同时配备10把手风钻钻孔解爆超径石,1台破碎锤机械破解超径石,5台反铲挖装石料,15台20~25T自卸汽车运料上坝。
坝面堆石填筑采用进占法,4台推土机平整坝料;1台反铲进行边角处理和后坝坡面修整;2台32T自行式振动碾碾压8遍,碾压采用错距法,层厚控制在80cm。
同时在Ⅰ区填筑两岸坡部位时,在挤压边墙处顺下游方向铺填50cm厚,40m长的垫层料,避免在岸坡接触带部位出现粗料集中架空现象。
坝面洒水采用塑管从上游河道内抽水,人工喷洒和洒水车喷洒相结合。
大坝上游垫层料和过渡料的分层厚度均为40cm,先进行垫层料上游的挤压边墙混凝土施工,挤压边墙高度为40cm,与垫层料铺填等厚。
在挤压边墙混凝土施工完成2小时后即可进行垫层料铺填,采用1台22T自行式振动碾碾压8遍。
随后进行过渡料铺填,同样采用1台22T自行式振动碾碾压8遍。
每施工2层挤压边墙、垫层和过渡层,即可同1层堆石层等厚,做到整个坝体填筑施工均衡上升。
在大坝填筑施工过程中,采用挤压式混凝土边墙技术代替传统的上游垫层护坡斜坡碾压、砂浆固坡技术,简化了施工程序,加快了施工进度,保证了工程施工质量。
挤压边墙属于干硬性混凝土,强度等级小于C5,弹性模量低于8000MPa,渗透系数控制在1×10-2~1×10-3cm/s。
4工程建设进展情况
黑石罗水库工程于2012年10月26日开工建设,经过半年的前期准备,2014年4月1日泄洪冲砂(导流)隧洞开始施工,6月18日导流隧洞开挖全线贯通,全长440m;9月30日完成混凝土衬砌;10月20日完成隧洞回填、固结灌浆,11月15日通过云南省水利厅组织的截流阶段验收,11月25日正式截流。
大坝基础于2013年7月15日开始开挖,12月23日通过昭通市水利局组织的大坝基础开挖阶段验收。
2014年1月2日,河床位置趾板第一仓混凝土开始浇筑,同年5月10日趾板混凝土浇筑顺利完成,5月13日趾板边坡支护完成。
坝体填筑于2014年1月7日开始进行,Ⅰ期度汛坝体于4月20日填筑完成,填筑高度42.5m,填筑方量43.8万m3;现在正进行Ⅱ期坝体填筑,截止今年9月底,填筑至高程2020m,填筑方量70.0万m3,计划于11月底实现大坝填筑封顶。
溢洪洞开挖于2013年12月6日开始施工,2014年4月22日实现开挖全线贯通,全长339.993m。
输水隧洞于2014年4月25日开始施工,同年7月30日实现开挖全线贯通,全长353.5m。
5工程项目管理
5.1工程建设BT模式
黑石罗水库工程是云南省2012年开工建设的“三个一百”重点建设项目之一,是昭通市“十二五”规划建设的骨干水源工程,也是昭通市首个以BT模式进行建设的水利工程。
BT模式作为一种新的政府融资运作方式,该项目总投资6.59亿元,除国家、省级投资外,市级投入部分2亿元全部纳入BT模式融资建设范围。
中标人负责项目所需市级投入部分的融资和本项目建安工程施工工作,由招标人负责费用支付,工程完工后,通过竣工验收,将合格的工程移交给回购人,即为BT模式的内涵。
该工程采用BT模式建设,有助于缓解工程建设初期政府财政压力;有助于防范地方政府债务风险;有助于加快工程进度,缩短工程建设工期;有助于控制工程建设项目成本和保证工程建设质量。
较好地体现了资本、技术、管理、市场以及政策等资源的有效整合。
随着我国社会经济的快速发展,BT模式在基础设施建设中会被越来越多地使用。
5.2工程项目管理
5.2.1坚持项目法人责任制
工程建设成立组建了昭通市黑石罗水库工程建设管理局作为项目法人,行使项目法人职责,负责工程建设管理。
管理局下设办公室、技术科、安全生产管理科、移民科和财务科五个科室。
为抓好工程建设管理工作,管理局制定了基本工作制度、财务管理制度、质量管理制度、合同管理制度、安全管理制度、技术管理制度、监理管理制度、文档管理制度等一系列制度。
建立健全管理机制,运作体系。
明确了个人岗位职责和科室职责。
局长负责主持全局工作,设1名技术总工分管技术工作;1名副局长分管移民搬迁安置及建设征地工作;1名副局长分管办公室及安全生产管理工作。
形成了各司其职、分工合作的有机工作系统。
目前,机构运行正常,建设管理工作正在有序向前推进。
5.2.2坚持招标承包制
黑石罗水库工程采取了公开招标、BT模式建设。
通过招标,择优选定了经济实力强、信誉好、报价合理、技术可靠的承包商云南建工水利水电建设有限公司承担项目所需市级投入部分的融资和建安工程施工工作。
该公司具有水利水电工程施工总承包壹级资质,连续近三年属于中国500强企业;具有与本项目相应的融资能力,近五年内有承担过类似工程施工的经验和业绩;具有与工程规模相应的设备和专业技术力量,完全能够胜任工程建设施工。
目前,工程施工建设正按总体施工进度计划稳步向前推进。
5.2.3坚持建设监理制
通过招标,黑石罗水库工程择优选择湖南江海科技发展有限公司作为本工程监理。
监理部设总监1名,负责主持全面监理工作;副总监1名,协助总监工作;监理工程师4人,监理员3人。
监理部人员长驻工地,包括总监、副总监,负责工程建设过程中进度、质量、安全和投资控制。
通过对工程施工现场的日常巡视检查、平行检验、抽检、旁站监督等工作,对施工中存在的问题,积极采取现场口头指示、书面通知、监理报告、监理例会等方法进行解决,使工程施工建设得到有效的监督与控制。
目前,工程建设进度、质量、安全情况良好,均处于受控状态。
5.2.4充分发挥建设单位的主导作用,努力实现工程建设进度、质量、安全管理目标
(1)统揽全局,精心组织,确保工程进度目标
黑石罗水库工程建设管理局作为整个工程建设总的组织者、协调方,通过精心组织,统揽全局,协调参建各方,构建了和谐的工程建设氛围。
根据工程建设实际情况及特点,管理局召集参建各方商讨制定了施工建设总体进度网络计划,明确了工程节点工期目标,并根据工程总体进度计划确定年度工程建设任务,同时将年度建设计划任务分解到具体的项目,落实到基层、部位、落实到月计划、周计划,关键项目、重点部位落实到日计划。
层层建立计划完成保证机制,建立制度化的生产决策协调机制,实行工程月进度奖惩制度。
定期召开进度、质量、安全生产例会,分析对照检查生产计划任务的完成情况,及时解决施工中出现的重大问题。
对滞后的项目及时研究对策,采取有效措施,确保工程进度目标的实现。
目前,黑石罗水库工程建设正按总体施工进度计划顺利向前推进。
(2)围绕工程总体工期目标,强化工程质量、安全管理
黑石罗水库工程建设管理局在紧抓工程建设进度的同时,不断强化工程质量、安全管理。
管理局下设了技术科、安全生产管理科,同时配备了技术分管领导和安全生产分管领导来主抓工程建设施工中的质量和安全生产。
制定了质量、安全生产管理制度、现场管理实施细则和相应的质量、安全生产奖惩措施。
明确了质量、安全管理职责。
监理单位也明确了质量、安全管理责任人,建立了质量、安全管理体系。
并按照监理实施细则对工程施工建设进行监理。
对关键部位,重要工序进行了全过程控制,实行旁站监理。
同时督促施工单位建立健全质量保证体系,制定质量管理制度,实行三检制,严格施工工艺,保证施工质量。
严格检测、验收和签证制度,杜绝任何质量事故的发生。
在安全方面,坚持“安全第一,预防为主”的方针,严格安全操作规程,落实安全防范措施,杜绝重大安全事故的发生。
目前,工程施工建设未发生过任何大小的质量、安全事故。
6结束语
混凝土面板堆石坝技术从引进至今,在我国已经历了29年的发展历程,技术日益成熟,积累了许多经验,具有很多优点,适应性很强,是山区河流建坝的首选坝型,在我国各地得到广泛的推广应用,推进了水利工程建设的快速发展。
但是,随着混凝土面板堆石坝坝高的增加,对于未来的超高混凝土面板堆石坝则仍难以把握其技术上的可行性和适应性,一些工程特性、关键技术和运行特点还面临重大挑战,有待于进一步进行深入、细致的研究。
参考文献:
[1]蒋国澄.《中国混凝土面板堆石坝20年》(中国水利水电出版社)
[2]杨泽艳.《中国混凝土面板堆石坝的发展》(中国水利水电出版社)
[3]易英仲.《混凝土面板堆石坝快速施工管理应用研究》
[4]徐泽平.《超高混凝土面板堆石坝建设中的关键技术问题》
[5]《昭通市黑石罗水库工程大坝填筑施工技术要求》、《昭通市黑石罗水库工程大坝趾板及面板施工技术要求》、《昭通市黑石罗水库工程大坝接缝止水安装施工技术要求》、《昭通市黑石罗水库工程大坝灌浆设计施工技术要求》