马来西亚巴贡水电站面板堆石坝设计综述

王君利　范建朋

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院）

【摘　要】　巴贡水电站位于马来西亚沙捞越州中部拉让江支流巴鲁伊河上。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高202m，是目前已建和在建的最高的面板堆石坝之一。地处沟梁相间的复杂地形地质条件，且雨季时段长，降雨量大，施工期长。坝体材料分区、填筑材料、压实标准、止水结构及施工期反渗排水问题等是设计工作中的重点和难点。监测成果表明巴贡面板堆石坝的设计、施工中所采用的技术是合适的。

【关键词】　巴贡水电站　面板堆石坝　技术特点及难点　布置和分区设计

1　工程概况

巴贡水电站位于马来西亚沙捞越州中部拉让江支流巴鲁伊河上，电站总装机容量2400MW（8×300MW），水库最高正常运行水位228m，最低运行水位195m，最大可能洪水位232.80m，总库容440亿m3。枢纽主要建筑物由混凝土面板堆石坝、开敞式斜槽溢洪道、电站进水口、8条有压引水发电洞及发电厂房组成。

1994年开始修建对外公路、移民新村和其他临建设施，1995年导流工程开始施工。2001年2月巴贡工程复工。主体工程于2002年10月8日开工，2003年9月实现河床截流。2004年4月下旬开始大坝填筑，2007年5月上旬填筑至防浪墙底高程。一期面板于2005年12月10日开始浇筑，二期面板于2007年8月29日开始浇筑。

2　工程特点及技术难点

（1）坝高库大，工程位于热带雨林地区，水文条件、地形地质条件复杂，为多年调节的高坝大库工程，工程具有“高边坡、多岩性、多洞室、大泄量”的特点。

（2）最大坝高202m，是目前已建和在建的最高的面板堆石坝之一。坝体变形尤其是后期变形是设计者关注和研究的关键问题，适应坝体变形的止水结构设计和面板设计是设计工作中的重点和难点。

（3）巴贡工程由于降雨量大、左右两岸沟梁相间的复杂地形以及由坚硬的杂砂岩和相对软弱的页岩构成的互层所构成的不利地质条件，使得设计和施工在解决上述问题和坝基处理问题时面临艰巨的挑战。

（4）大坝填筑施工期间雨季时段长，降雨量大，因此解决大坝反渗排水问题是重点问题之一。

（5）大坝填筑材料主要由杂砂岩和部分页岩（泥岩）组成，特别是页岩（泥岩）强度低，在干湿交替条件下易崩解。因此针对页岩易崩解的特性，开展了较为系统的工程特性（包括流变特性）试验研究，为利用杂砂岩与页岩掺混筑坝提供了依据。

3　大坝设计主要分析研究的问题

（1）针对页岩易崩解的特性，开展了较为系统的工程特性（包括流变特性）试验研究，为利用杂砂岩与页岩掺混筑坝提供了依据。

（2）试验研究成果，经过分析研究，筑坝材料主要采用轻风化至新鲜杂砂岩与页岩的混合料，坝体筑坝材料设计级配良好，填筑碾压后筑坝材料级配曲线基本控制在设计包络线范围。

（3）坝体材料分区、压实标准及变形控制设计，充分吸取近几年我国100～200m级混凝土面板堆石坝的成功经验，根据工程坝料的特点，其堆石体干密度、孔隙率较一般混凝土面板堆石坝有所提高，各区的填筑标准基本相当，变化范围控制在3%左右，对控制堆石体的变形及各区不均匀变形体起到了有利作用。

（4）机械化施工是实现高强度填筑的前提条件，本工程大量选用1.6～6.5m3挖掘机及3.6～6.9m3装载机装料，CAT及VOLVO铰接式大型自卸汽车运输，150k W到250k W推土机平料，19t及25t振动平碾碾压，确保了工期和堆石料的填筑指标，取得了明显工程效益。

（5）面板分两期施工，每期面板浇筑前，均预留一定沉降期。二期面板施工时除预留沉降期还通过坝体沉降观测资料来控制，其坝体预沉降速率按5mm/月控制。

（6）混凝土面板堆石坝填筑施工期间雨季时段长，降雨量大，因此解决大坝反渗排水问题是重点问题之一。

（7）趾板采用平趾板形式，趾板底宽取相应部位趾板底面以上水深的1/20，最小宽度取5m。当趾板底宽不足时下游设置混凝土延伸板，以防止趾板地基发生冲蚀破坏，亦可最大幅度减少开挖量。

（8）为了适应大坝后期沉降，面板坡度在高程210.8m以上和以下分别采用不同的计算方法。同时及时吸取了巴西肯柏诺沃坝面板挤压破坏的教训，增加了高程121.00m以上河床面板的厚度并采用双层配筋，以增加河床面板抵抗挤压破坏的能力。

（9）面板压性垂直缝的缝宽和填缝材料因缝的位置不同而异，在面板受压区其最大缝宽60mm，缝内填充60mm厚Pulai软木板，以确保河床面板在运行期不被挤压破坏。

（10）周边缝三向变形量值按张开100mm、沉降50mm、剪切50mm设计，以适应200m级高面板坝接缝变形。

4　坝体平面布置和分区设计

大坝最大坝高202m，坝顶长740m，宽12m，坝顶上游侧设7.5m高L形混凝土防浪墙。上游边坡坡度为1：1.4，在125.00m高程以下的面板上，加设顶宽10m坡度1：2.5的土石压坡体；下游坝坡设有10m宽的之字形上坝公路，下游综合边坡坡度为1：1.52，实坡为1：1.3。坝脚下游用弃石渣及卵漂石回填成顶高程为70.00m的平台，其中高程55.00m以下采用强透水的3DI堆石料回填。趾板建分别位于砂岩、砂岩与页岩或泥岩互层上，宽度为5～10m，在地质条件较差部位设置内部延伸板。

为了减小坝基渗漏及消除以后发生管涌和侵蚀的可能性，沿趾板的灌浆帷幕布置3排灌浆孔，帷幕最大深度140m。大坝典型剖面见图1。

4.1　坝体分区

大坝分区见图1。坝体各分区的坝料岩性、填筑参数和压实标准见表1、表2。

4.2　大坝上游反渗排水设计

大坝上游反渗水主要包括降雨、堆石碾压洒水、施工废水和坝基渗水等。经分析按降雨设计。反渗排水流量按5年一遇1h最大暴雨设计，设计雨强70mm/h，设计排水量为3.4m3/h。根据坝基开挖后的地形特点，将施工期坝体排水分为两部分，上游部分汇水通过设在趾板下两根ϕ250的钢管和高程36.00m的ϕ600钢管自流排向趾板上游的集水坑；下游部分的汇水利用河道的天然坡度自流到设在大坝下游的集水井。

5　坝基处理

5.1　趾板地基缺陷处理

（1）对于地基内有充填物的断层、节理和夹层，挖除充填物后用水泥砂浆或混凝土回填，开挖深度为2倍的断层带、节理或夹层宽度，并不超过2m；页岩基础在开挖后立即喷混凝土予以保护。

（2）对于页岩地基，在喷混凝土保护层上布置钢筋混凝土板，此混凝土板向下游一直延伸到杂砂岩并继续延伸至少0.1倍的水头，然后在延伸板上铺设厚度分别为0.4m、1.2m和1.6m的2A、2B和3A料。

5.2　趾板地基灌浆

趾板地基的固结和帷幕灌浆，以及坝肩两岸的帷幕灌浆。固结和帷幕灌浆的设计原则按坝体和坝基的总渗漏量不得超过250L/s，帷幕灌浆孔不少于3排，深度不小于孔口以上库水深度的2/3，且应深入基岩的相对不透水层。整个趾板地基都进行固结灌浆。

6　混凝土面板设计

面板为钢筋混凝土面板，采用C30二级配混凝土，共50块，除左岸坝肩的1块宽度为7.331m、右岸坝肩的2块宽度分别为10m和7.814m外，其余47块均为15m。

为了适应大坝后期沉降，面板坡度在高程210.8m以上和以下分别采用不同的计算公式。同时为了增加河床面板抵抗挤压破坏的能力，在高程121.00m以上加大了面板的厚度并采用双层配筋。

面板分两期施工，一期、二期左右岸面板采用单层双向配筋，钢筋布置在面板中部，水平向和垂直向配筋率均为0.4%（按底部断面计算），邻近趾板15m范围内每向配筋率均为0.5%。在周边缝及面板垂直压性缝附近，即距缝面2m范围的面板内，分别在面板顶部和底部设置12@200的抗挤压钢筋，以提高面板边缘的抗挤压破坏能力，从而防止面板边缘挤压破坏。

对于河床中部第19～30块面板的二期部分，采用双层双向配筋，两层钢筋网分别放置在面板的顶面和底面，每层钢筋网的每向配筋率均大于0.2%。

7　趾板

趾板采用平趾板形式，底宽取相应部位趾板底面以上水深的1/20，最小宽趾板度取5m，以保证趾板在扬压力和滑动力的作用下具有足够的稳定性。趾板厚按趾板宽度取值，其厚为1.0～0.6m。趾板与基岩间设有锚杆，以保证趾板与基岩的牢固连接。趾板采用单层双向配筋（变形钢筋，设计强度为500MPa），每向配筋率约为趾板平板段横截面（不含超挖）面积的0.4%，钢筋铺设在趾板顶面以下100mm处。

8　接缝和止水

8.1　趾板接缝和止水

趾板接缝包括施工缝和收缩缝，趾板设置收缩缝（缝面涂刷3mm厚乳化沥青、钢筋不过缝）是为了适应由于趾板地基地质条件变化或基岩面上的陡坎导致过大的不均匀沉陷；趾板设置施工缝（缝面凿毛且钢筋过缝）是为了方便施工并避免可能产生的横向裂缝，施工缝的间距按15m左右控制。

趾板共分为77块，其间共设缝76条，其中除第44～47块趾板间接缝由于地基内存在断层F13按收缩缝设计外，其余接缝均按施工缝设计。

趾板收缩缝和施工缝内均设一道平板铜片止水，止水上游端通过止水坑与基岩相连，止水下游端与周边缝底部的铜片止水和顶部的GB塑性填料止水相连。

8.2　面板接缝和止水

面板接缝主要包括施工缝和垂直缝。

面板施工缝缝面凿毛且钢筋过缝，以便新老混凝土间的良好结合，为安全起见，在缝顶设置一道GB塑性填料止水。

垂直缝是为了适应面板变形和便于滑模施工而设置的顺面板坡度方向的接缝。设置垂直缝49条。根据坝体三维有限元应力应变分析结果，选取大坝中部第16～34块面板间的18条垂直缝按压性缝设计，两侧其余的31条垂直缝按张性缝设计。第16～21块及第27～34块面板间共12条垂直缝，缝宽均为12mm，缝内填充沥青木板，木板弹性模量大于11000MPa；缝顶设100mm深的V形槽。第21～27块面板间6条垂直缝，在高程121.00m以下，缝的上部宽度均为60mm，缝内填充Pulai软木板（当地一种软木，经沥青浸泡，在1MPa作用下可变形90%）；缝的底部200mm范围宽度仍为12mm，缝内填充沥青木板；在高程121.00m以上，缝宽均为50mm，缝内填充Pulai软木板；在距周边缝15m（斜坡距离）范围以内，缝宽均为12mm，缝内填充沥青木板；缝顶设100mm深的V形槽。

面板垂直压性缝和垂直张性缝均设两道止水，在缝底设W形铜片止水，缝顶设GB塑性填料止水。

8.3　面板周边缝和止水

周边缝（面板与其周边相邻混凝土结构物间的接缝）为柔性接缝，设置该缝的目的是为了适应预期变位从而防止混凝土挤压破坏或止水撕裂。缝宽20mm，缝口设100mm深的V形楔槽，缝内填充厚20mm的沥青木板，木板弹性模量大于11000MPa。

面板与趾板间的周边缝内设三道止水，即底部铜片止水和顶部波形橡胶止水、顶部GB塑性填料止水。止水尺寸是根据坝体三维有限元计算的周边缝最大变位并考虑1.5～3倍的安全系数设计的，设计采用的周边缝变位为：张开100mm，沉降50mm，剪切50mm。

面板与防浪墙间的周边缝内设两道止水，即底部铜片止水和顶部GB塑性填料止水。底部E形铜片止水鼻子宽12mm，鼻子高80mm。在铜片止水下设砂浆垫和橡胶板，为铜片止水提供平整的基础面和可靠的支撑。在缝顶部设有一道GB塑性填料止水，缝口V形槽底部设置直径30mm的橡胶棒。

9　几点体会

（1）坝体平面布置。混凝土面板堆石坝（CFRD）布置充分利用地形地质条件，坝基范围特别是址板基础沿线范围避开了相对不利的水文地质条件，使绝大部分址板坐落在坚硬杂砂岩上，以便易形成封闭良好防渗系统。混凝土面板堆石坝上下游留有适当余地，以便布置上下围堰和坝后岸边地面厂房。布置充分利用地形地质条件和就地取材的原则，节约了工程投资，缩短了工期。

（2）坝体分区。根据规范设计原则和已建工程的成果经验，大坝分为9个区域，即2A区——特殊垫层区、2B区——垫层区、3A区——过渡区、3B区——主堆石区、3C区——次堆石区、3DⅠ区——坝体底部的强排水体、3DⅡ区——稳定和保护下游坝坡、1A区——上游铺盖区和1B区——盖重区。从大坝填筑施工期观测资料分析成果看，坝体分区设计较好的控制了堆石体的变形。

（3）筑坝材料。针对页岩在干湿交替条件下易崩解的特性，开展了较为系统的工程特性（包括流变特性）试验研究，为利用杂砂岩与页岩掺混筑坝提供了依据。

坝体材料分区、压实标准及变形控制设计，充分吸取近几年我国100～200m级混凝土面板堆石坝的成功经验，根据坝料的特点，其堆石体干密度、孔隙率较一般混凝土面板堆石坝有所提高，各区的填筑标准基本相当，变化范围控制在3%左右，对控制堆石体的变形及各区不均匀变形起到了有利作用。

（4）大坝填筑施工质量控制。

1）大坝施工期反渗排水的控制和处理。混凝土面板堆石坝填筑施工期间，雨季时段长，降雨量大，因此解决大坝反渗排水问题是重点问题之一。根据工程地形特点，将施工期坝体排水分为两部分，很好地解决了多雨地区施工期坝体反渗排水问题。确保施工期混凝土面板安全稳定。

2）机械化施工是实现高强度填筑的前提条件，本工程大量选用1.6～6.5m3挖掘机及3.6～6.9m3装载机装料，CAT及VOLVO铰接式大型自卸汽车运输，150～250k W推土机平料，19t及25t震动平碾碾压，确保了工期和堆石料的填筑指标，取得了明显工程效益。

3）面板分两期施工，每期面板浇筑前，均预留一定沉降期。二期面板施工时除预留沉降期还通过坝体沉降观测资料来控制，其坝体预沉降速率按5mm/月控制较为合适。

10　结论

巴贡大坝于2010年10月13日开始下闸蓄水。2010年10月28日，水位超过上游围堰，大坝正式挡水。2010年11月13日，库水位超过一期面板顶部高程121.00m。2012年3月9日，库水位达到正常蓄水位228.00m高程。巴贡水电站工程荣获国家优质工程奖，国际大坝委员会和中国大坝委员会颁发的“国际里程碑工程奖”。

通过对已有监测资料的分析，目前大坝所安装埋设的各类观测仪器测值规律基本正常。从沉降速率来看，坝体沉降变化不大，最大月变化量在0.3cm，坝体沉降已基本趋于稳定。

大坝最大沉降值为227.5cm，最大沉降与有限元计算结果相差不大，基本一致。通过实测沉降资料反演计算得到的坝体堆石体变形模量与设计预测值相差不大。

周边缝监测资料分析可知，各周边缝测点与设计值（60mm）相比都较小，基本在10mm以下。

已有的监测分析成果表明，巴贡高混凝土面板堆石坝的各种监测值均未超过设计允许值，亦表明巴贡面板堆石坝的设计、施工中所采用的技术是合适的。