简要信息

【获奖类型】应用二等奖

【任务来源】中国水电顾问集团重点科研项目

【课题编号】岩0203072008

【课题起止时间】2007年～2009年

【完成单位】中国水利水电科学研究院

【主要完成人】徐泽平、邓  刚、邵  宇、谢定松、魏迎奇、孙  平、于  沭　　

立项背景

我国从1985年开始引进现代技术修建混凝土面板堆石坝以来，已经历了20年历程。由于这种坝型在实践中体现出来的安全性、经济性和良好的适应性，因此得到了广泛应用和迅速发展。据不完全统计，到2004年底我国已建和在建的混凝土面板堆石坝已超过150座，其中坝高超过100m的有37座。我国混凝土面板堆石坝在数量、坝高、规模、难度等方面都居世界前列，这些混凝土面板堆石坝遍布全国，覆盖了各种不利的气候、地形、地质条件，由此积累了应对各种困难情况的经验和教训，在科学技术方面也有所发展。

随着混凝土面板堆石坝技术的不断进步与发展，以及社会经济对水利水电需求的不断增长，混凝土面板堆石坝的建设高度也不断攀升。20世纪末，国内外相继建成了一批坝高在200m左右的高混凝土面板堆石坝，200m级高混凝土面板堆石坝的筑坝技术正逐渐成熟。而由于中国在200m级高面板堆石坝建设上的技术进步和技术积累，目前已基本具备向250～300m或更高的面板堆石坝发展的技术储备条件。

随着我国西部水电开发进程的加快，特别是在交通运输不便、经济不发达地区，如金沙江、澜沧江、怒江、雅砻江、大渡河和黄河上游以及西藏的雅鲁藏布江等，有许多适宜建设高面板堆石坝的河谷地形地质条件，如古水、马吉等水电站，坝高都在250～300m左右，因不能把握300m级高面板堆石坝的工程特性、关键技术和运行特点，不能直接选择面板堆石坝方案，而选用外来运输量大、造价高的混凝土坝方案或体积大且占用耕地多对环境和水土保持易造成不利影响的土心墙堆石坝方案，有的工程在近坝区甚至没有可用的防渗土料。这使得水电站经济指标竞争力降低，工程建设各方迫切希望在300m级高面板堆石坝筑技术上所有突破。

通过本项研究，总结国内外已建200m级高面板堆石坝建设经验和教训，探讨300m级高面板堆石坝建设的可能性和需进一步开展研究的主要技术方向，为高山峡谷地区、交通运输不便、经济不发达地区选择300m级高面板堆石坝奠定理论基础。研究成果的应用可以大大降低这些地区建坝的投资成本，有着巨大的经济效益和推广应用价值。

详细科学技术内容

本研究在系统总结200m级高面板堆石坝建设经验与教训的基础上，针对澜沧江上的古水、怒江上的马吉、西藏的如美和黄河上游的茨哈峡等水电站大坝的综合特点，采用室内试验和数值计算分析的方法，研究了坝高250～300m左右的高混凝土面板堆石坝对这些坝址的适应性问题及其相关对策措施，明确了开展进一步开展可行性研究的重点，为300m级高面板堆石坝方案研究提供了技术支撑。项目研究主要包括以下几方面的内容：

（1）国际高混凝土面板堆石坝筑坝技术调研

调研了国外20世纪末至21世纪初修建的主要高混凝土面板堆石坝的建设情况，系统总结了国外高混凝土面板堆石坝筑坝技术的最新进展和经验教训。通过对近期国际上高混凝土面板堆石坝工程建设经验的回顾与总结，研究了近代高混凝土面板堆石坝建设中设计理念和施工方法上存在的技术问题。基于对300m级超高混凝土面板堆石坝建设中面临技术挑战的系统分析，提出了建设超高混凝土面板堆石坝所需解决的关键技术问题。

（2）国内高混凝土面板堆石坝技术总结和反馈分析

采用数值计算分析方法，对洪家渡混凝土面板堆石坝和三板溪混凝土面板堆石坝进行了应力变形反演计算分析。总结、考察了土石坝反演分析的原理、方法和步骤，对200m级以及较低混凝土面板堆石坝已有的计算模型进行了分析和评价。采用邓肯-张E-B非线性模型和沈珠江三参数流变模型，对洪家渡混凝土面板堆石坝的应力变形进行了反馈分析。采用邓肯-张E-B非线性模型，对三板溪混凝土面板堆石坝应力变形进行了仿真分析。计算分析较好的对混凝土面板堆石坝的施工、蓄水过程进行了仿真或反演，较全面的考察了典型的200m级高混凝土面板堆石坝的应力变形特性。在反演计算分析的基础上，研究、改进了现有分析模型和计算方法。建立了适用于300m级高混凝土面板堆石坝的计算分析方法。

（3）300m级高混凝土面板堆石坝稳定性评价与变形控制标准研究

在总结国内外已建200m级高混凝土面板堆石坝建设经验和教训的基础上，从坝体应力、变形控制的角度，探讨了300m级高混凝土面板堆石坝建设的可能性，研究确定了需进一步开展研究的主要技术方向。研究工作从300m级高混凝土面板堆石坝的坝坡稳定分析、堆石材料的渗透稳定分析、以及坝体的应力变形分析这三个方面展开，重点研究特高混凝土面板堆石坝的变形规律与特征，在此基础上，分析、研究了控制与适应特高混凝土面板堆石坝变形、改善混凝土面板应力状态、控制接缝位移的相关工程处理措施。

发明及创新点

（1）针对近年来国际上混凝土面板堆石坝的技术发展进行了系统的归纳、总结，并对当前混凝土面板堆石坝的经验和教训等进行总结和分析，明确了我国未来300m级高混凝土面板堆石坝筑坝技术的发展方向。

（2）采用邓肯-张E-B非线性模型和沈珠江三参数流变模型，对洪家渡混凝土面板堆石坝的应力变形进行了反馈分析；采用邓肯张EB非线性模型，对三板溪混凝土面板堆石坝应力变形进行了仿真分析。计算分析较好的对混凝土面板堆石坝的施工、蓄水过程进行了仿真或反演，较全面的考察了典型的200m级高混凝土面板堆石坝的应力变形特性。

（3）对筑坝堆石料的抗剪强度指标特性和采用非线性强度指标进行混凝土面板堆石坝边坡稳定分析所应采取的相应安全标准进行了系统的研究。结合现行规范对300m级高混凝土面板堆石坝坝坡稳定特性进行了分析与研究，论证了300m高混凝土面板堆石坝坝坡设计的可行性。

（4）在总结200m级高混凝土面板堆石坝经验教训的基础上，对300m级高混凝土面板堆石坝堆石料的渗透稳定进行了分析论证。提出了建议的垫层料级配标准、垫层区水平宽度和垫层料反滤设计准则。

（5）对目前常用的堆石本构模型进行了系统的总结、归纳与评价，分析了各计算模型的特点与适用范围。在此基础上，初步明确了开发高应力水平、复杂应力状态下堆石本构模型的方向。专题在相关试验研究的基础上，重点研究了堆石的流变特性，提出了堆石流变分析模型，并以此对300m级高混凝土面板堆石坝的长期变形特性进行了分析、研究。

（6）结合典型计算分析模型和实际工程，对300m级高混凝土面板堆石坝的应力变形特性进行了深入、细致的分析研究，初步得出了300m坝高情况下坝体堆石和混凝土面板的应力变形规律。同时，通过不同计算方案的对比分析，研究了堆石材料参数、坝体分区、面板分缝等因素对坝体和面板应力变形特性的影响，研究、探讨了加强堆石体变形控制、改善混凝土面板应力状态的工程措施。

（7）在上述研究的基础上，从坝体边坡稳定、堆石渗透稳定、坝体变形控制的角度，论证了300m级高混凝土面板堆石坝建设的可行性与适应性，针对300m坝高情况下可能出现的工程问题，初步提出了相应的工程措施。同时，还对今后应重点关注的问题进行了分析与讨论。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

国内外200m级高面板堆石坝建设统计见表1。从统计资料来看，2000年之前，国内外完建的200m级高面板堆石坝只有两座，墨西哥阿瓜米尔巴坝，高186m，1993年建成，国内天生桥一级坝，高178m，2000年建成。2000年之后，完建的有洪家渡坝（坝高179.5m，2005年建成）和三板溪坝（坝高186m，2007年建成）、在建或拟建的则比较多，国内有世界上最高的水布垭坝（坝高233m）、江坪河坝（坝高221m）。国外完建的有巴西巴拉格兰德坝（坝高185m）、坝泼斯·诺瓦斯坝（坝高202m）、冰岛卡拉努尔坝（坝高196m）、以及墨西哥艾尔卡扬坝（坝高189m）、马来西亚巴贡坝（坝高205m）等。

表1  国内外200m级高面板堆石坝建设统计表

序号	坝名	国家 河流	建设 情况	坝高 (m)	坝长 (m)	总体积 (104m3)	库容 (108m3)	主要 任务	装机容量 (MW)
1	阿瓜米 尔巴	墨西哥 圣地亚哥河	完建 (1993年)	186	642	1300	69.5	发电 防洪	960
2	天生桥 一级	中国 南盘江	完建 (2000年)	178	1104	1800	102.6	发电	1200
3	洪家渡	中国 六冲河	完建 (2005年)	179.5	427.8	920	49.47	发电	600
4	三板溪	中国 清水江	完建 (2007年)	185.5	423.3	828.3 (主堆石)	40.95	发电	1000
5	水布垭	中国 清江	在建	233	660	1526	45.8	发电 防洪	1600
6	巴拉格 兰德	巴西	已建	185				发电
7	坝泼斯· 诺瓦斯	巴西	已建	202		1211
8	卡拉努卡	冰岛	已建	193
9	巴贡	马来西来	在建	205
10	艾尔卡扬	墨西哥	在建	189

国内外150～200m级高面板堆石坝河谷特征及变形、渗漏量、裂缝和面板脱空等运行特性统计见表2。由表可见，2000年以前国内和国外完建的200m级高面板堆石坝变形大、面板裂缝多和渗漏量偏大。据悉，近期巴西、冰岛等国家建设的200m级高面板堆石坝也不顺利，蓄水初期即产生顶高程中部面板沿垂直缝挤压破坏。中国2000年以后建设的面板堆石坝，沉降量均较小，不超过坝高的1%，面板裂缝也较少，渗漏量和面板脱空宽度都不大，运行状况呈现良好势头，说明高质量建设200m级高面板堆石坝是可能的，中国的高面板堆石坝技术水平是处于国际领先水平的。通过“七·五”、“八·五”和“九·五”科技攻关，100m级和200m级高混凝土面板堆石坝筑坝关键技术问题得到充分研究，在总结2000年前建设经验和教训的基础上，200m级高面板堆石坝的筑坝技术逐渐成熟，已基本形成了一套较为完整的200m级面板堆石坝建设的理论和实践经验体系。马来西亚在建的巴贡坝由中国水电顾问集团西北院和中国水电工程建设集团公司承担设计和施工任务，借鉴了我国的高坝建设技术。

表2  国内外150～200m级高面板堆石坝河谷形状及运行特性统计表

目前，国外尚无建设300m级高面板堆石坝的成功经验可供借鉴，我国也还不具备修建300m级高面板堆石坝的理论和经验。

成果应用情况及社会经济效益

由于目前各相关工程均处于前期准备阶段，因此本专题的研究主要结合一些潜在工程项目的前期论证和预可研阶段的工作。但是，探讨300m级高面板堆石坝建设的可能性和需进一步开展研究的主要技术方向，将为高山峡谷地区、交通运输不便、经济不发达地区选择300m级高面板堆石坝奠定理论基础。研究可以大大降低这些地区建坝的投资成本，有着巨大的经济效益和推广应用价值。本项目的研究成果可以为工程设计方案的选取和优化提供强有力的技术支撑。