一、项目背景

　　砂砾石广泛分布在河床和岸坡滩地，开采施工成本低，压实后具有较高的强度和变形模量，是构筑高坝的良好天然材料。但天然砂砾料由于级配的离散性、间断性和施工易分离性，抗渗透破坏和冲蚀能力较差。国外已建成多座百米以上的高砂砾石面板坝，但大多借用堆石面板坝筑坝经验。Golillas坝(127m)建成初期曾产生1800L/s的渗漏量，Aguamilpa坝(187m)也产生了250L/s的渗漏量，1993年我国沟后砂砾石面板坝的溃决则一度使人们对砂砾石面板坝的安全性产生了怀疑。但与混凝土坝相比，砂砾石坝在经济上具有明显的优势，特别是在我国广袤的西部地区，这种材料更是随处可见。经过认真的技术经济比较，新疆乌鲁瓦提(131.8m)和青海黑泉(123.5m)两座水库决定采用砂砾石面板坝。这也是目前我国最高的砂砾石面板坝。为确保两座大坝的顺利建设和安全运行，水利部建设与管理司和国际合作与科技司组织新疆乌鲁瓦提水利枢纽建设管理局、青海黑泉水库建设管理局、南京水利科学研究院、新疆水利水电勘测设计研究院、青海水利水电勘测设计研究院、新疆农业大学、新疆水利水电科学研究院、青海水利水电科学研究院、中国水利水电科学研究院、河海大学等14家工程建设及科研院所、大学、施工单位就砂砾石面板坝的主要关键技术进行了较为深入系统的研究。

　　二、主要技术内容

　　1．对原级配砂砾石料的工程特性，特别是渗透和渗透稳定性开展了全面系统的试验和研究，以期更为准确地揭示砂砾石料的渗流和渗流破坏特性，从而采取相应的防渗和排水工程措施，确保大坝安全。

　　2．面板周边缝是面板堆石坝，特别是面板砂砾石坝的生命线。为此，重点对面板周边缝止水结构和形式进行了研究。

　　3．较为深入系统地研究和优化了垫层料的级配、垫层的结构和坝内排水体结构形式。

　　4．对在寒冷、干旱、多风地区填筑高混凝土面板砂砾石坝的施工技术进行了研究。

　　5．对混凝土原材料优选、配合比优化和改性、养护工艺、施工工艺和质量控制等方面进行了大量试验，以研究在寒冷、干旱、多风地区如何有效减少混凝土面板裂缝的相关技术和工程措施。

　　6．采用离心模型试验以及有限元数值方法，研究了两座依托工程(新疆乌鲁瓦提水库和青海黑泉水库)大坝的应力变形特性和渗透稳定特性，对处于8度强地震区的黑泉水库大坝进行了动力反应和稳定分析。

　　7．进行了寒冷地区高混凝土面板砂砾石坝原型观测，分析研究了乌鲁瓦提和黑泉两座砂砾石坝的原型观测成果，揭示了依托工程的工作特性。

　　8．研制带有电测功能的DSP-1型电测引张线式水平位移计以及DCJ—1型电测水管式沉降计，以期实现堆石坝坝体内部变形的原型监测自动化。

三、主要创新点 　　1．在国内外首次研制成功了大型高压固结渗透仪(H=2400mm，He=1200mm，D=1000mm，P=1.0MPa)，解决了试验过程中连续稳定地供应高压水这一技术难题，并提出了一套完整的实验操作程序和安全评价方法。在两个依托工程中的成功应用表明，该仪器可克服试样的缩尺效应，使试验结果更为符合实际，可广泛应用于面板堆石坝。特别是对砂砾石面板坝坝体的原级配砂砾石料的渗透和渗透稳定性试验和研究，更加准确地揭示了砂砾石料的渗流和渗流破坏特性。
	图1 波纹双金属止水片结构示意

　　2．在国内外首次研制成功了结构简单、对大变形适应能力强、止水效果好、检修方便的混凝土面板周边缝波纹双金属止水片结构(如图1)。

　　3．开发研制成功了带有电测功能的DSP-1型电测引张线式水平位移计以及DCJ-1型电测水管式沉降计，获得国家实用新型专利，在国内外首次实现了面板坝坝体内部变形的监测自动化。

　　4．提出了一套寒冷、干旱、多风地区填筑高砂砾石面板坝先进、实用的施工技术。其主要内容为：

　　(1)注重坝体各区碾压次序，减少粗细颗粒分离对施工质量的影响。
　　(2)严格控制冻料上坝，减薄铺料层厚，施工工序紧密衔接，采用大型挖运和16t以上重型碾压机械，实现了不加水碾压和冬季施工。
　　(3)注重铺料碾压次序和碾压方法，确保了坝内排水体的碾压质量。
　　(4)采用三因素相关图控制坝料填筑密度，保证了超大粒径砂砾料的填筑质量。

图2 新型布料槽车示意图

　　5．提出了一套寒冷、干旱、多风地区有效减少混凝土面板裂缝的成套工程措施。其主要内容为：

　　(1)总结出了评价混凝土面板抗裂性能的经验公式。
　　(2)在大量试验的基础上，总结出了寒冷、干旱、多风地区能有效减少混凝土面板裂缝的混凝土配合比。
　　(3)研制成功了浇筑混凝土面板的新型布料槽车(见图2)，从而可有效降低混凝土坍落度损失，减小了混凝土骨料的分离和布料不均，确保了混凝土面板的浇筑质量。
　　(4)在多种养护方法比较的基础上，提出了混凝土初凝后揭掉塑料薄膜并覆盖双层毛毯，洒水养护至水库蓄水的补偿收缩混凝土养护措施。
　　(5)提高面板砂浆垫层的平整度、刷沥青和改变钢筋网架立结构可减小面板的基础约束，在面板分缝间刷沥青可减小面板的侧向约束，从而可降低面板产生裂缝的可能性。

　　四、主要特点及典型案例

　　1．从立项开始就有明确的目标，从解决依托工程的技术难题出发，研究出具有普遍意义的成果，以提高坝工建设的理论与实践水平。

　　2．本项目的研究成果大部分得到了应用，依托工程的建成和良好的运行状态，说明研究成果的正确性。同时，研究成果具有良好的推广价值，如该项目的部分研究成果已分别应用于在建的青海公伯峡、新疆吉林台、贵州洪家渡、湖北水布垭和拟建的新疆察汗乌苏等高面板坝工程，推广应用前景广阔。

　　3．本项目在国内外首次对高砂砾石面板坝的关键技术进行了全面系统的研究，取得了成套高砂砾石面板坝的关键技术，对提高我国高砂砾石面板坝的建设水平、拓宽土石坝筑坝材料范围、降低工程造价具有重要作用。

　　新疆乌鲁瓦提和青海黑泉水库均位于我国西部少数民族地区，是促进当地经济和社会发展的民心工程。该技术密切结合依托的新疆乌鲁瓦提和青海黑泉水库两座高砂砾石面板坝工程开展研究，成果已大部分应用于依托工程，通过优化设计和施工，新疆乌鲁瓦提水利枢纽工程节省直接工程投资5430万元，青海省黑泉水库工程节省直接工程投资2200万元。目前，两座依托工程都经受了高水位的考验，运行正常，渗流量很小。乌鲁瓦提水库在最高水位下渗漏量为4.8L/s，黑泉水库未见明显渗漏。两座大坝坝体变形均较小，沉降稳定快。乌鲁瓦提坝最大沉降为38.4cm，黑泉坝最大沉降为41.2cm。这两座水库的安全运行和正常发挥效益，对确保少数民族地区的社会稳定具有重要意义。同时，新疆乌鲁瓦提和青海黑泉两座高砂砾石面板坝的建成和安全运行还消除了自青海省沟后水库砂砾石面板坝溃决后人们对该坝型安全性的怀疑，对今后在西部地区广泛利用砂砾石材料筑坝具有重要的意义，可为国家节约大量投资，促进我国筑坝技术水平的进一步提高，社会效益和经济效益显著。　■

　　项目组主要成员简介：
　　陈生水 1962年10月生，岩土工程博士，南京水利科学研究院教授级高工，博士生导师。主要从事土石坝工程的科学研究和技术咨询工作。先后获国家科技进步二等奖2项，部级科技进步二等奖2项、三等奖1项，主编和参编专著3本，发表学术论文40余篇。

责任编辑 王晓平