A面板堆石坝导流及大坝施工安排.docx

1、A面板堆石坝导流及大坝施工安排面板堆石坝导流及大坝施工安排曹克明（华东勘测设计研究院 浙江 杭州 310014）摘 要 本文用于讨论面板坝施工导流方案选择，并介绍白溪及天生桥两工程的经验，以供施工导流方案选择参考。此外，在分析白溪及天生桥坝施工期坝体及面板变形基础上，提出面板坝施工安排的建议。认为施工安排关键点是在面板浇筑前面板下卧堆石有足够长的停放时间，以便控制施工期间面板顶端挠度。本文提出不同坝高的停放时间建议及施工期面板顶端挠度控制值，供讨论与参考。关键词 面板堆石坝施工导流方案 大坝施工安排 堆石停放时间 白溪坝 天生桥坝1 概况面板坝利用垫层料挡水渡汛，早在70年代初在修建塞沙纳（C

2、ethana）面板坝时就已得到开发。塞沙纳坝在1969年8月施工期遇到100年一遇洪水，挡水55 m，漏水量达到70 m3/s。当时底部面板已到达可以抵挡15年一遇洪水的20 m高度，意外洪水造成垫层料（含沥青护面）挡水，造成了下游尾水工程淹没及施工一度中断，但面板、垫层料都未受到损坏1, 2。塞沙纳是第一座现代面板坝，除继承碾压堆石、面板整体浇筑、趾板结构等项的里程碑式发展外，还首先采用多道周边缝止水及半透水垫层料等技术，因此完成了标志现代面板坝的设计五大特色。此外，塞沙纳还第一次采用垫层料挡水渡汛。但是，当时的垫层料较粗，最大粒径9”(23 mm)，含砂量0 %40 %。谢拉德指出3，这些

3、级配垫层料易产生施工分离，并产生不含细料的粒径大于1英寸的粗料集中的区域，其渗透系数可以大于10 cm/s；这种易渗漏区域可以贯穿垫层料区的全部宽度，而造成垫层料的阻水作用的失效。塞沙纳坝高达70m3/s的漏水量就生动的说明了谢拉德指出的现象。但是，漏水量到达70 m3/s，堆石仍能安然无恙，却可说明碾压堆石却具有很高的抗冲蚀性。碾压堆石的抗冲蚀性与其粒径的粗度及组成有关，塞沙纳坝主堆石平均粒径80 mm，小于25 mm平均含量25 %，小于5 mm平均含量10 %，因此是一种较干净的粗堆石料。塞沙纳利用垫层料挡水的设想是在施工中才形成的。塞沙纳称枯水围堰为第一期围堰，坝体挡水断面为第二期围堰

4、。起先准备在第二期围堰底部用钢板防渗，但先前的23层的沥青护面（包括其瓜子石）在当较小洪水水深17 m时漏水量并不大。因此，在此次洪水考验后，决定采用在原沥青护面上加喷2层沥青及瓜子石。嗣后又遇到几次小洪水，漏水量都未超过250 L/S，不影响尾水工程的正常施工。我国面板坝起步较晚，垫层料一开始就采用谢拉德的或与其接近的级配，其渗透系数一般在110-3 cm/s左右。在我国首先修建的面板坝都利用了垫层料挡水的成熟先进经验，其中可能以成屏面板坝实例最为典型。成屏面板坝位于浙江遂昌，剖面见图1。坝高74.6 m，坝顶长325 m，于1986年开工，1989年建成。面板面积15 800 m2，分两期

5、浇筑，1988年12月完成第一期面板后，即将导流洞封堵，开始蓄水，1989年5月库水位上升至338.50 m，离正常蓄水位347.40 m不到10 m。坝前水深61 m，超出一期面板18.5 m，此时实测漏水量仅为150 L/S。因无其它放空手段，被迫形成利用垫层料（含碾压砂浆护面）挡水发电的局面，历时3个月发电700万度4。图1 成屏面板坝最大剖面成屏坝的挡水高度比塞沙纳坝高，成屏坝垫层料的宽度为1 m比塞沙纳的3 m小，但由于垫层料级配的区别，漏水量仅为塞沙纳的1/200。成屏垫层料施工是采用下比曼技术，在过度料上游面清除超径石后，再填垫层料料的。这种施工工艺的优点，可以通过清除过度料的上

6、游面超径石的方法来保证过度料对垫层料的反滤作用，因此还可以放宽对过度料级配要求，可以不要求采用加工料，可以采用料场选择料。垫层料最好采用反铲施工，成屏采用装载机。装载机也可有效防止施工分离。总之，碾压堆石面板坝在施工期利用垫层料挡水渡汛，约在1970年后就已成为一项成熟先进经验。近年来，由于垫层料级配的改进，漏水量已可以很小，不会因此影响正常施工。此外，导流还需要根据当地自然条件，主要是河道水流的特点及坝基处理工程量。我国地域广阔，自然条件相差悬殊，导流要因地制宜。总的说来，我国气候受控于季风，有明显的雨季及旱季，因此我国导流有自身的特点。我国南方的导流方式可以大致分成两类：1.1 枯水围堰、

7、坝体挡水渡汛全年导流方案当河床冲积层浅薄，或河床冲积层可以留作坝基时，可以实现截流后当年由坝体经济断面度汛。度汛坝高已达到70 m。在截流后的第一次汛后就可以浇筑一期面板，第二次汛后可以浇筑二期面板并开始蓄水，这样截流后约30个月就可能发电。因此对设计及建设单位均有很大的吸引力。此方案不仅工期短，并且实现截流后，大坝的施工不发生中断，有利于设备及人力的充分利用与减低工程费用。因此，只要有条件应首先考虑采用。一般枯水期导流采用上下游非过水围堰及导流隧洞。其中导流隧洞的规模主要由汛期导流标准及可能渡汛坝高确定，不存在坝高与隧洞直径的经济比较，经济断面坝高愈高愈有利。因此，设计的关键是论证现实坝高，

8、施工关键是在截流后约半年内形成经济渡汛断面。在第一期挡水渡汛后，施工困难度就可以得到缓解。我国采用此种导流方式的有东津、珊溪及白溪等工程。现在正在施工的洪家渡及引子渡也采用这种导流方案，并有新的发展。1.2 前期围堰过水后期坝体挡水渡汛导流方案将导流分成两个阶段，初建阶段及大坝主要施工阶段。初建阶段完成大坝坝基处理及坝面过水保护，一般采用枯水围堰及隧洞导流。大坝主要施工阶段，利用大坝临时断面（经济断面）渡汛，直至导流洞下闸封堵。导流洞下闸封堵后进入后期导流。这个方案的优点可以修较高的渡汛断面，因此可以利用水库调蓄作用削减洪峰，而大大减小导流隧洞工程量。首次渡汛断面高度已经达到约100 m。如果

9、安排得当，此方案有可能不控制发电工期。总之，导流方式主要取决于许多因素，主要是坝基处理工程量有多大？坝是否为关键线路等。准备以白溪电站为例介绍枯水围堰、坝体挡水渡汛全年导流方案经验，以天生桥工程为例，介绍前期围堰过水后期坝体挡水渡汛导流方案经验，并讨论它们的施工安排经验。2 白溪坝导流及坝体填筑及面板浇筑时间安排白溪水库工程位于宁波地区，距宁波市78 km，是以供水、防洪为主，兼顾发电、灌溉等效益的综合水利枢纽。水库流域面积254 km2，多年平均流量8.92 m3/s，正常蓄水位170 m，死水位140m（供水死水位100m），总库容1.684亿m3，装机容量18 MW，平均年发电量4 38

10、0万kwh。工程枢纽由大坝，左岸溢洪道（最大泄量为4534 m3/s），右岸地面厂房，下游反调节水库（调节库容为20万m3）组成。供水系统由反调节水库取水，其最大设计流量为6.60 m3/s，年供水1.73亿m3。拦河坝坝型为混凝土面板堆石坝，其布置及剖面见图2及图3，坝高124.40 m，坝顶长398 m，坝顶宽8 m，混凝土面板面积48 370 m2。坝河床冲积层11.219.80 m。坝顶高程为176.20 m，防浪墙高5.22 m，墙顶高程为177.40 m，墙底高出正常蓄水位3.38 m。上游坝坡1：1.4，下游坝坡设有宽10 m的施工公路，路间坡度为1：1.25，平均坝坡为1：1.

11、52。坝体总填筑量390万m3，其中开挖料填筑量约320万m3、天然砾石填筑量约68万m3。实际开挖料利用率高达93 %。白溪水库工程于1997年1月土建承包商进点，1998年9月底截流，1999年11月2000年1月完成一期面板浇筑，2000年1012月完成二期面板浇筑，2000年10月20日下闸蓄水，2001年6月29日蓄水到正常蓄水位（差0.6m），2001年5月机组发电，2001年12月竣工，量水堰实测最高水位时最大漏水量为4 L/S。2.1 导流方案由于坝基处理工程量小，导流采用枯水围堰坝体挡水渡汛全年导流方案。2.2 导流标准第一个枯水期（10月16日5月15日）采用10年一遇（Q

12、=349 m3/s）。围堰截流，隧洞导流。第一个汛期采用50年一遇，临时坝体渡汛，入库洪水流量为2 480 m3/s ，导流洞流量为1 605 m3/s，相应库水位为119.30 m。2.3 导流建筑物上游土石围堰高程84.00 m，围堰高度约12 m。下游土石围堰高程为81.00 m，高9 m。上、下游围堰基础冲积层采用混凝土防渗墙作为防渗处理。要求第一个汛期渡汛临时坝顶高程120.50 m，坝体高度67.5 m。采用经济断面时，坝体填筑量约85万m3。所谓经济断面是指“坝体上游坝坡按1：1.4 永久坝坡，下游坝坡按平均1：1.4临时坝坡，坝顶宽30 m”的断面，见图3。它是满足稳定要求及临

13、时抢险需要的最小断面。图2 白溪面板坝平面布置图3 白溪面板坝最大剖面2.4 坝体填筑分期为了确保1998年10月截流，防渗墙提前于1998年16月完成。后由于1998年遇到枯水年份，于是决定提前于1998年9月28日底截流。这样实际枯水期段长7.5个月，比预计有利。实际在施工安排基本上采用平起填筑，而完成了215万m3。1998年4月至9月先在坝轴线下游右岸滩地预填筑了15万m3。截流后10月到1月4个月内，完成趾板的基坑开挖35万m3（趾板至下游30 m范围内的冲积层开挖及趾板基础开挖）趾板混凝土浇筑5 200 m3，坝体填筑约70万m3。25月的4个月，完成坝体填筑约130万m3。坝体上

14、游30m达到50年一遇渡汛高程el.120.5，其余达到el.116.0。截流后到5月的填筑期为8个月，由于基坑开挖的影响，前4个月只完成70万m3，后4个月完成了月130万m3。后4个月平均月32万m3 /月，5月份达到了46.7万m3。基坑开挖的同时，在基坑下游，即上游面下游30 m以后的坝体进行填筑。趾板基坑开挖及趾板混凝土浇筑于1999年1月17日才完成，30 m宽预留坝体于1999年1月17日才开始填筑，填筑上升速度达到16.9 m/月。1999年7月15日大坝填筑到挡100年一遇渡汛高程el.126，99年8月18日全断面到达el.130.00(达到200年渡汛标准)。坝体填筑实际

15、分期见图3。1999年9月初平起到达134.5 m高程，以后上游面40 m留作浇筑一期面板的场地，填筑在其下游继续进行。图4 白溪坝坝体填筑分期白溪坝初期达到的施工强度出于意料，按白溪实际完成的填筑量计算，如采用经济断面渡汛，渡汛坝体高度可以达到8090 m，或提前于3月份完成经济断面施工。为完成第一个枯水期工程量，坝的上下游及坝内布置了7条坝外道路和5条坝内道路。坝后左岸CD线为上坝主干道，路宽9 m，进坝高程el.97，接下游坝面之字路，基本贯穿整个填筑的始终，为防止CD线在运行时发生堵塞影响上坝，在大坝下游右岸布置116线，接坝右岸坡上临时道路至100 m高程，形成坝下游循环道路，确保溢

16、洪道下游工作面直接料上坝，间接堆存料，垫层料，过渡料，砾石料上坝。为满足上游堆料场、溢洪道上游直接开挖料上坝，上游布置了53线、98线、130线，3条过趾板上坝线与坝内道路衔接，形成上下游通道。El.120.5渡汛断面总填筑量215万m3中，砾石占65万m3（由下游河道开采直接上坝），堆石占150万m3。堆石备料100万m3，直接开采上坝50万m3。溢洪道引渠长240 m，宽50 m，高105 m，只能由上、下两个断面进行槽挖，开挖强度只能达到1315万m3/月，因此提前一年备料。配置足够机械设备：挖掘机14台，25.3 m3，1027 t自卸汽车128辆，推土机6台。总之，道路布置，料物开采

17、及贮备，与资源配置都是关键措施。2.5 面板浇筑分期及浇筑时间为满足提前蓄水、提前发电要求，面板分成两期。1999年11月2000年1月完成一期面板浇筑，2000年1012月完成二期面板浇筑，2000年10月20日下闸蓄水，2001年6月29日蓄水到正常蓄水位（差0.6 m），2001年5月机组发电。面板浇筑时间安排的特点是在汛后浇筑，其下卧堆石有相当长的停放时间，可以因此减小了面板的挠度。面板的挠度是堆石体变形产生的上游坡法向位移产生的，脱空前两者是相容的，脱空后就不相容，白溪面板未发生脱空。一期面板顶部高程128.5 m，最长面板129 m。临时坝顶高程为134.50 m，于10月25到达

18、。混凝土浇筑在1999/11/102000/1/20进行。面板施工期间，上游面40 m宽留作面板施工通道，40 m下游继续填筑，至1999年底填至150 m高程。一期面板顶部高程128.5 m处无观测点，现以坝体最大剖面0+210处的el.120(V6/H1)作为顶部堆石面最大法向位移点。其顶部法向位移可以由V6/H1观测值计算如下D=0.814V+0.581H式中：D=上游面计算点法向位移，向下为正蓄水引起的面板挠度的1/2；V=沉降仪读数，向下为正；H=水平仪读数，向下游为正；0.814=cos35.54o；0.581=sin35.54o；35.54o=上游坝坡角。计算成果见表1。在面板浇

19、筑前堆石预位移（法向）10.6 cm，面板浇筑后到水库蓄水期间的“工后位移”10.6 cm，第一次蓄满的由水库蓄水引起的位移9.8 cm。在白溪工程恰好各约占1/3，各为10 cm左右。面板浇筑前顶部堆石停放时间4.5个月，其减小的一期面板顶部处下卧堆石法向位移量相当于第一次蓄水引起的面板挠度。从表中还可以看出，停放7个月增加效果有限。二期面板顶部无观测设施，无法计算顶部的堆石上游面拉应变发展情况。因此，堆石停放有利于减小面板位移挠度。表1 一期面板顶部高程最大法向位移(cm)发展日期99.06.2699.11.102000.01.2000.10.2001.06.26情 况V6/H1埋设面板开

20、始浇筑面板浇筑完开始蓄水水库蓄满历时（月）04.571624法向位移(cm)010.61121.231面板挠度00.410.620.42.6 小结2.6.1 白溪工程坝基处理工程量小，采用枯水围堰、坝体挡水渡汛全年导流方案。其导流工程的特点： 67.5 m高临时渡汛坝体。 完成主要工程量：基础开挖量35万m3（趾板基础5万m3），趾板混凝土浇筑5 200 m3，坝体填筑200万m3。月最大填筑量为46.7万m3。2.6.2 工期特点：面板分成两期以提前蓄水与发电：截流后约24个月开始蓄水，32个月开始发电，33个月水库蓄满。2.6.3 面板浇筑时间的特点白溪工程一期面板浇筑前面板顶部部位的堆石

21、停放时间有4.5个月。如无停放时间，则第一次蓄水引起的面板挠度将会增加一倍。3 天生桥坝导流及坝体施工安排天生桥一级混凝土面板堆石坝是中国已建最高的面板坝，也是世界上已建第二高的面板坝。天生桥一级水电站工程流域面积50 139 km2，多年平均流量612 m3/s，总库容102.6亿m3。电站的总装机容量为1 200 MW。电站总布置见图5，坝剖面见图6，坝高178 m，坝顶长1 104 m，坝顶高程el.791。面板面积17.3万m2，坝体积1 770万m3。溢洪道位于右岸垭口，其泄洪能力为21 750 m3/s。溢洪道总长1 745 m，宽120 m。左岸坝基厚层砂岩及粉沙岩互层，右岸为薄

22、层灰岩及泥质砂岩及粉沙岩互层。右岸垭口为巨厚层灰岩，溢洪道的1 970万m3开挖料，用于坝料及工程混凝土粗、细骨料加工。工程的砂岩及粉砂岩开挖料也用于坝料。图5 天生桥坝平面布置坝体堆石体积1 649万m3，其中1 163万m3来自石灰岩开挖料，420万m3来自砂岩及粉沙岩开挖料，66万m3来自料场。大坝96 %堆石采用工程开挖料。工程于1991年开工，1994年12月25日截流，1997末导流洞封堵，水库1998年开始蓄水，2000年9月至正常蓄水位，第一台机组于1998年12月发电。2000年7月坝体完工。2000年9月初次到达正常蓄水位时的漏水量为150 L/S，单位面积漏水量为8.7

23、L/S。面板没有发现集中漏水点及进行水下处理。天生桥坝的初期漏水量与Aguamilpa、Xingo、Foz do Areia、Segredo等高面板坝比较，在总量及单位面积方面都是最低的。Aguamilpa坝初期漏水量260 L/S，单位面积漏水量为19.3 L/S。图6 天生桥坝最大剖面3.1 导流方案坝基冲积层最深厚度26 m，并有淤泥夹层，需全部挖除，冲积层开挖量达206万m3，趾板基础开挖24万m3，开挖总量达230万m3，因此采用过水围堰、坝体挡水渡汛导流方案。原设计初建阶段为1年，即截流后完成围堰闭气，坝基开挖及渡汛坝面保护。大坝主要施工阶段，截流后第一个汛末至导流洞下闸封堵，按坝

24、体规划进度历时约24个月。工程实施过程，由于导流洞施工困难1994年12月25日才实现截流比原计划推后40天；上下游围堰地基防渗采用高喷板墙，需要较长工期；下游围堰也采用过水围堰，施工需要较长工期；天生桥二级水库泥沙淤积，恶化围堰基础条件，增加了基坑开挖量与施工难度。这样初建阶段延迟至1996年10月，历时2年。即初建阶段历经了2个汛期，截流后的第一个汛期（1995年）1#导流洞进口段发生大规模坍塌无法按期投运，导致1条导流洞与河床联合泄流，河床过流11次，累计历时77天，最大来流量4 750 m3/s，河床分流3 430 m3/s。截流后第二个汛期（1996年），由坝面和两条导流洞联合泄流，

25、当年坝面过水4次，最大来流量3 790 m3/s，其中坝面过流量1 290 m3/s。由于在大坝主要施工阶段，采取加快施工进度，调整坝体施工程序，提前面板浇筑时间等措施，于1997年末（第三个汛期之后）实现导流洞下闸封堵 ，使大坝主要施工阶段缩短为14个月，即大坝主要施工阶段缩由24个月压缩为14个月，保证了如期发电。右岸永久放水洞参加后期导流。3.2 导流标准1994年12月25日实行截流后的枯水期（11月11日5月20日），上游围堰挡水标准为枯水期20年一遇标准，流量1 670 m3/s。1995及1996年围堰过水保护标准为30年一遇全年洪水，流量10 800 m3/s。1997年临时坝

26、体断面挡渡汛标准300年一遇洪水，洪峰流量17 500 m3/s下泄流量9 550 m3/s，相应库水位为722.0 m，最大流速28 m/s。1998年临时坝体挡水渡汛标准为500年一遇洪水，洪峰流量18 800 m3/s。3.3 导流建筑物上游围堰高19.4 m，堰顶高程651 m，填筑21万m3，混凝土1.5万m3。下游围堰高26 m，堰顶高程647.2 m，填筑17万m3，混凝土0.7万m3。坝基基坑回填及两岸保护填筑量公约400万m3（底高程642 m，宽120 m）。导流洞两条位于左岸，直径各13.5 m（修正马蹄型），长各约1 100 m。3.4 坝体填筑分期大坝分7期填筑，见图

27、7。制定分期的原则是以最小的工程量实现渡汛及面板的分期浇筑的目标。各期的填筑实际日期见图6。1996年汛后的大规模填筑，并于1997年8月25日建成抵御300年洪水的100 m高的临时坝体断面。1998年8月25日完成5及6期，这样可以抵御500年洪水。图7 天生桥坝填筑分期3.5 面板浇筑分期及浇筑时间面板分为三期，第一期于1997年3月21日到5月2日完成，第二期于1997年12月14日到1998年5月2日，第三期于1998年12月28日到1999年5月18日。水库1998年开始蓄水，2000年9月至正常蓄水位，第一台机组于1998年12月发电。大坝主要施工阶段开始后到发电仅为26个月。由

28、于堆石停放时间过短，每期面板顶部均发生脱空。面板脱空检查都安排在下期面板开始浇筑前进行，大约在面板浇筑完成后的第9个月。3期在施工后就可以进行，因此脱空检查次数较多。由9个月沉降产生的面板脱空：一期27块，脱空9块，在河床部位；二期53块中45块，三期69块中36块。脱空沿面板底面最大深度，各为6.8 m，4.7 m，10 m。最大张口开度各为15 cm，4.7 m、15 cm。各期面板还由于顶部堆石法向位移过大发生裂缝，面板裂缝的分布情况见表2。此外，由于坝轴线上下游堆石的不均匀沉降，垫层料发生了裂缝。1998年12月中旬的一次检查发现37条裂缝。其中最长的为106 m，最宽的为5 cm，最

29、深的为1.5 m。裂缝呈垂直，沿河谷部位el.761、el.748高程发展。El.748距坝顶约0.25 H。面板的脱空及开裂由于堆石体上游面法向位移过大造成的，产生法向位移原因是多方面的，三期面板主要属于堆石徐变。图8 为R1面板（最大断面处）顶部观测点M7/L3占标的实测挠度。此占标于1999年5月1日开始观测，即在面板R1 施工完成后立即进行。因此，其观测值可代表面板竣工后的挠度。根据曲线，2000年2月28日的挠度为96 cm，1999年5月1日2000年2月28日的脱空值为15 cm，因此堆石徐变产生上游坝坡的法向位移为111 cm。徐变产生的上游坝坡法向位移是十分显著的。裂缝在19

30、99年6月21日就已发生（见表2），那时面板的挠度为48 cm，并未脱空张口。根据各面板的观测资料，面板顶部挠度小于30 cm就没有出现裂缝了。因此，目前在缺乏足够资料情况下，可以暂以此作为控制值。表2 天生桥面板裂缝统计面 板位 置检查日期裂缝的数量及宽度(mm)0.3最大一 期el.660以下97/11/1816410.8El.66068097/11/814850.5小计： 48301260.8二 期El.68072298/6/9/7/1016310.4El.72274699/6/212011482660.7小计： 6352171512670.7三 期El.74676299/6/21606

31、30.5El.762787.399/6/21(142)(66)(20)1.7El.762787.300/1/2437689794.0小计： 6134369582全 部总计：1296683258355 图8 天生桥坝R1面板顶部实测挠度因此，面板顶部发生裂缝的原因，面板浇筑后顶部挠度过大（如超过30cm），使混凝土超出极限拉伸值，发生弯曲性结构裂缝。如果把堆石停放时间加长半年，面板顶部挠度就可以减小85 cm，变成26 cm(见图7)，就可以避免发生弯曲性结构裂缝。因此，如果按原计划施工面板是不会发生弯曲性结构裂缝的，但是推后1年发电，经济损失太大。天生桥垫层料虽然开裂，但是面板却没有开裂。其主要原因是这是因为水库于2000年9月才蓄满，而上游坝坡在7月后就停止拉伸的增长，在此以前，没有足够的水库压力产生足够的摩擦力使面板拉裂。如果水库在1999年蓄满，则面板的开裂就难能避免的了。因此，推迟水库蓄满也可以防止面板开裂。这是天生桥的经验，天生桥坝漏水量比Auamilpa小的主要原因，是没有产生拉伸性裂缝。3.6 小结3.6.1 导流方案天生