第二节　高混凝土面板堆石坝设计新理念

总结发展历史，混凝土面板堆石坝可以分为三个阶段。1965年前为第一阶段，主要采用抛填堆石加面板防渗，其代表工程为盐泉坝。1965年到20世纪末为第二阶段，其特点为工程经验设计、小吨位振动碾薄层碾压施工。虽然对100m级高的混凝土面板坝是成功的，但是高178m的天生桥一级面板堆石坝、高187m的阿巴密尔帕（Aguamilpa）坝、185m高的巴拉·格兰特（Barra Grande）坝和202m高的坎普斯·诺沃斯（Campos Novos）坝建成后出现了面板脱空、面板结构性裂缝、面板挤压破坏和严重渗漏等问题，表明了经验设计方法的不适用性［7，8，9］。特别是认为面板上水荷载作用在坝轴线上游的坝基上，上游堆石区应具有低压缩性，下游堆石区不要求低压缩性等设计理念是不正确的。因此，20世纪末建设的水布垭、三板溪等200m级高混凝土面板坝，开展了大量的科研工作，但依然存在面板挤压破坏、面板脱空等突出问题。基于对高混凝土面板堆石坝破坏模式和机理的分析，提出了坝体变形协调新理念，建立了变形协调准则、判别标准和变形安全设计计算方法以及变形安全对策。高混凝土面板堆石坝的设计施工开始进入了以变形安全理论为指导的定量化设计阶段。代表性工程包括已建成的马来西亚巴贡（Bakun）等混凝土面板堆石坝，在建的猴子岩等混凝土面板堆石坝。

高混凝土面板堆石坝设计新理念包括稳定安全设计、渗流安全设计和变形安全设计3个方面。分述如下［10，11］。

一、稳定安全设计［11］

根据国际大坝委员会填筑坝材料专业委员会2007年技术公报和《国际水电和大坝建设》1997年和2003年的统计，国外坝高100m以上的面板堆石坝的主要特性如表1-6所示。

从表1-6可以看出：尽管现代面板堆石坝沿着经验设计的道路走过了40年，国外坝高100m以上混凝土面板堆石坝的坝坡仍在一个较大的范围内变化，上游坝坡最陡的1：1.3，最缓的1：1.7；下游坝坡最陡的1：1.2，最缓的1：2.0。很难以先例—类似工程的样例来进行经验设计。即难以参照已建工程选用坝坡，而不进行稳定分析。

从沟后坝溃决的实例可以看出，砂砾石坝体在饱和状态下，抗剪强度降低，会导致部分坝体失去稳定。显然“经验确定坝坡，不需要进行坝坡抗滑稳定计算分析”是不合理的。因此混凝土面板堆石坝依然需要进行稳定安全设计，稳定安全设计包括下列内容：

（1）进行坝址区工程地质和水文地质勘测，包括河床覆盖层工程特性的确定，若采用趾板建在覆盖层上的混凝土面板堆石坝，宜采用现场取原状样进行室内试验、现场进行旁压试验或荷载试验进行反演分析等多种手段来确定覆盖层的工程特性。

（2）进行筑坝材料料场的勘测试验和建筑物开挖料的试验，坝料试验宜考虑缩尺效应，宜进行坝料长期变形（流变）试验，在地震区建坝，应进行坝料动力特性试验。

（3）基于变形协调原则和水力过渡原则，充分利用建筑物开挖料，通过技术经济比较，进行坝体分区设计。

（4）针对不同的坝体分区设计方案，依据设计规范，进行抗滑稳定计算分析，地震区建坝，应进行抗震稳定计算分析，宜采用极限平衡法与有限元法相结合的计算方法，通过计算分析来确定坝坡与坝体分区设计。

猴子岩水电站和文登抽水蓄能电站上库两座混凝土面板堆石坝就是进行稳定安全设计的实例。

坝高223.5m的猴子岩混凝土面板堆石坝坝轴线下游部分覆盖层不挖除，下游坝体3C1区采用建筑物开挖的弱风化白云质及变质灰岩料，经抗滑稳定计算分析（如图1-11所示），下游坝坡分别采用1：1.5和1：1.6。

坝高101m的文登抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝，采用库区开挖的石英二长岩料筑坝，为充分利用强风化和全风化料，经抗滑稳定计算分析（如图1-12所示），马道间下游坝坡确定为1：2.0。

二、渗流安全设计［11］

无论趾板建在基岩上的面板堆石坝防渗体系（由趾板—面板—防浪墙及接缝止水组成）还是趾板建在覆盖层上的面板堆石坝防渗体系（由混凝土防渗墙—连接板—趾板—面板—防浪墙及接缝止水组成），在正常情况下都是相对不透水的，同时硬岩堆石料的面板堆石坝的坝体是自由排水的，砂砾石和软岩堆石料的面板堆石坝设置了自由排水的L形排水体。因而混凝土面板堆石坝的渗流安全设计内含与土质防渗体堆石坝的渗流安全设计是不同的。

混凝土面板堆石坝产生渗漏或严重渗漏甚至导致溃坝的主要渗漏途径分别是接缝止水损坏和面板裂缝、挤压破坏甚至坍塌，混凝土面板堆石坝渗漏影响到渗流变形稳定安全和抗滑稳定安全两方面。因此混凝土面板堆石坝的渗流安全设计应包括下列主要内容：

（1）减小与控制接缝位移，特别是垂直缝张开位移和周边缝三向位移。

1）优化坝体分区设计，特别是在狭窄河谷中建坝，增大两岸附近坝体的变形模量，减小岸坡岩体与堆石坝体之间模量差别，尽量减小因堆石坝体变形而产生的周边缝位移。例如位于狭窄河谷的坝高223.5m猴子岩坝在两岸附近与坝体底部设置主堆石特别碾压区如图1-13所示。

2）修正趾板建基面的地形和趾板下游的地形，避免不良的地形条件引起堆石坝体的不均匀变形，从而导致周边缝过大的位移。

3）提高周边缝附近特殊垫层区与垫层区的填筑标准，同时应使得周边缝附近的垫层区、过渡区和堆石区的填筑标准和变形模量彼此相近，避免各分区变形不协调而导致面板产生挠曲应力裂缝。

（2）减小甚至避免面板裂缝。详见变形安全设计和本书第五章。

（3）适应大变形的接缝止水结构和止水材料。特别是建立面板接缝稳定止水设计理念，详见本书第四章。

（4）垫层料内部渗透变形稳定的研究和设计。多座混凝土面板堆石坝垫层料被冲蚀以及用粉质砂土淤堵的方法不能根本解决严重渗漏的现象说明目前单纯凭经验设计确定的垫层料是不够完善的。应进行垫层料渗透变形试验，仿真模拟垫层区在面板裂缝或接缝止水损坏情况，研究在不同水头、不同渗流速度条件下的垫层料的渗透变形特性，研究和确定满足垫层料渗透变形稳定要求的垫层料和过渡料的设计。

（5）坝体各分区之间渗透变形稳定的研究和设计。应进行大尺寸的垫层料与过渡料、过渡料与堆石料之间的渗透变形试验，仿真模拟渗流乃至止水损坏时的水流冲刷条件，研究和确定坝体各分区坝料满足渗透变形稳定的设计。

三、变形安全设计［10，11，12］

高混凝土面板堆石坝变形安全设计的内涵包括：变形协调准则、判别标准、计算方法和对策。

变形安全设计的核心是变形协调理念，变形安全设计和变形协调理念中采用下列符号：

x——坝轴向坐标，cm；

y——上下游方向坐标，cm；

z——竖直向坐标，cm；

1，2，3，…，i，i＋1，…——空间点序号；

1，2，3，…，j，j＋1，…——时间序号；

DB——坝体水平位移，cm；

DBy——坝体上下游方向水平位移，cm；

DBx——坝体坝轴向水平位移，cm；

S——坝体沉降即竖直向位移，cm；

dfy——面板上下游方向水平位移，cm；

dfz——面板竖直向位移，cm；

df——面板挠度，cm；

α——面板（或垫层）坡角；

Dv——面板垂直缝位移，cm；

Dvo——面板垂直缝张开位移，cm；

Dvc——面板垂直缝闭合位移，cm。

变形协调理念包括变形协调准则的建立、变形协调判别标准的建立和变形协调理念计算方法三部分。［12］

1.变形协调准则

（1）坝体变形协调准则。坝体变形协调准则包括坝体沉降协调准则、坝体上下游方向位移协调准则和坝体坝轴向位移协调准则。

1）坝体沉降协调准则。坝体沉降协调准则可用式（1-1）、式（1-2）表示：

2）坝体水平位移协调准则。坝体水平协调准则包括坝体上下游方向位移协调准则和坝体坝轴向位移协调准则，可用式（1-3）、式（1-4）表示：

（2）坝体变形和面板变形同步协调准则。

1）面板法线方向坝体变形和面板变形同步协调准则。面板顺坡向变形很小，比面板法线方向的变形（即面板挠度）小1～2个数量级，因此坝体变形和面板变形的同步协调主要考虑面板法线方向的变形协调，即衡量面板法线方向附近坝体的变形与面板挠度的同步变形协调。

面板挠度

坝体在面板法线方向的位移

在面板法线方向坝体变形和面板变形同步协调准则：

2）面板坝轴向坝体变形和面板变形同步协调准则：

面板允许脱空高度［Hs］以及坝体与面板在坝轴向（或顺坡向）允许变位差［J］视面板混凝土抗压弹性模量Ec、面板混凝土抗压强度fcc、面板厚度tf和面板与坝体之间约束程度或摩擦系数Cf而定。

（3）面板混凝土破坏准则。坝体在坝轴向变形远大于面板在坝轴向变形，导致坝体对面板产生摩擦力，摩擦力引起河谷中央面板产生坝轴向压应力，若压应力超过面板混凝土允许抗压强度fcc，则造成河谷中央面板混凝土挤压破坏。摩擦力引起两岸坝肩附近面板产生坝轴向拉应力，若拉应力超过面板混凝土允许抗拉强度fct，则会造成两岸坝肩附近面板产生拉裂缝。同样坝体的沉降远大于面板在顺坡向变形，两者之间摩擦力会引起顶部面板产生顺坡向拉应力，底部面板产生顺坡向压应力，若顺坡向应力超过面板混凝土允许强度，则产生拉裂缝或挤压损害，可用式（1-10）、式（1-11）表示：

从上述准则可以看出：要达到坝体变形和面板变形同步协调，可以从下列5方面着手：①增加面板垂直缝的坝轴向允许位移，采用新型止水材料和结构；②设置面板永久水平缝，采用新型止水材料和结构；③减小坝体变形，提高堆石坝体的变形模量；④减小面板与堆石坝体之间的约束；⑤选择合理的面板浇筑时间和坝体填筑形象面貌。

2.变形协调判别标准

变形协调判别标准包括坝体材料允许倾度［I］、坝体材料允许变位差［T］、面板适应坝体变形的面板允许脱空高度［Hs］和坝体与面板在坝轴向（或顺坡向）允许变位差［J］，都可以通过室内试验或原型观测资料分析得到。

（1）坝体材料允许倾度［I］。面板堆石坝坝体分区包括垫层料区、过渡料区、堆石料区和排水体材料区，这些材料都是颗粒状材料，只是其最大粒径和颗粒级配不同，这些材料几乎没有抗弯曲的能力，但是这些材料可以产生较大的变形（沉降）而不产生连续贯穿的裂缝，也就是有适应一定不均匀变形（不均匀沉降）的能力，这个能力称为坝体材料允许倾度［I］。坝体材料允许倾度［I］取决于坝体应力状态和坝体材料的物理力学特性，包括其颗粒组成（最大粒径和颗粒级配）、干密度（或孔隙率、相对密度）、变形特性和强度特性。

室内试验可采用大型单剪仪，用坝体材料（垫层料）或缩制的坝体材料（过渡料、堆石料或排水体料）制成与坝体填筑密度（或孔隙率、相对密度）相同的试样，试样先处于坝体该点（i点）相同的应力状态，使试样发生剪切，在试样剪切变形发生突变或试样产生裂缝时的最大剪切应变，可视为坝体材料的允许倾度［I］。

选取坝体产生裂缝的面板堆石坝，例如垫层区产生裂缝的天生桥一级坝和Mohale坝等，堆石区产生裂缝的株树桥坝，分析该坝因变形不协调而产生裂缝时坝体沉降观测资料，可以得到这类坝体材料的允许倾度［I］。

（2）坝体材料的允许变位差［T］。坝体材料的允许变位差［T］取决于坝体材料的物理力学特性，包括其颗粒组成（最大粒径和颗粒级配）、干密度（或孔隙率、相对密度）、变形和强度特性，特别是坝体材料一定应力状态下抵御拉伸变形的能力。

室内试验可采用应力控制式大型三轴试验仪，用坝体材料或缩制的坝体材料制成与坝体填筑密度相同的试样，试样先处于与坝体该点（i点）相同的应力状态，减小轴向应力即大主应力σ1或增加小主应力σ3，使试样产生拉伸的轴向应变，在试样轴向拉伸应变发生突变时的拉伸应变，可视为坝体材料的允许变位差［T］。

选取坝体产生裂缝的面板堆石坝，例如垫层区产生裂缝的天生桥一级坝和Mohale坝等，坝体堆石区产生裂缝的株树桥坝，分析该坝因变形不协调而产生裂缝时坝体水平位移观测资料，可以得到这类坝体材料的允许变位差［T］。

（3）面板允许脱空高度［Hs］。一般来说面板法线方向的坝体变形较大，而面板挠度较小，两者不协调时面板脱空，面板是一块钢筋混凝土薄板，它具有一定的抗挠曲能力，即只有面板脱空长度到某一定值以后，面板在其自重和水压力作用下产生的挠曲变形到一定程度，挠曲应力使面板的拉应力超过钢筋混凝土的允许拉伸强度才会引起面板裂缝，因此面板允许脱空高度［Hs］是与面板不产生裂缝的脱空长度有关的参数，它表征着面板抵御挠曲应力的能力，主要是取决于面板的几何尺寸、面板混凝土的强度等级（拉伸强度）和面板配筋，一般可以通过钢筋混凝土板的计算来得到面板不产生挠曲应力裂缝的面板允许脱空长度［LP］，面板允许脱空长度［LP］越大，面板允许脱空高度［Hs］越大，面板适应坝体变形的能力越强。

选取面板产生或未产生挠曲应力裂缝的面板堆石坝，例如天生桥一级和洪家渡坝，分析对比它们在面板法线方向的坝体位移、面板挠度和面板脱空的观测资料，可以得到面板允许脱空高度［Hs］。

（4）坝体与面板在坝轴向（或顺坡向）允许变位差［J］。坝体与面板在坝轴向（或顺坡向）允许变位差［J］的内含包括面板混凝土抵御挤压破坏能力和面板受坝体约束的程度，前者随着面板混凝土抗压强度fcc的增加、抗压弹性模量Ec的降低和面板厚度tf的增加而增大，后者取决于面板混凝土表面与坝体垫层区的光滑程度或接触介质的性能。

室内试验可采用大型接触面试验仪或改进的大型单剪仪，模拟混凝土面板堆石坝具有垂直缝（或水平缝）及缝间止水材料的面板与垫层区的接触形态，测定在不同垂直荷载（模拟面板承受的库水荷载）作用下在面板与垫层区不同变位差情况下垂直缝（或水平缝）止水材料的压缩变形，在止水材料压缩变形急剧增加时的变位差可视为坝体与面板在坝轴向（或顺坡向）允许变位差［J］。

选取河谷中央面板产生挤压破坏的面板堆石坝，例如天生桥一级坝、水布垭坝、Mo-hale坝、Barra Grande坝和Campos Novos坝等，分析其因坝体变形与面板变形在坝轴向不同步协调时产生混凝土挤压破坏时坝体变形、面板变形和面板应力的观测资料，可以得到坝体与面板在坝轴向允许变位差［J］，作为判断类似面板堆石坝是否满足坝体变形与面板变形同步协调准则的依据。

面板混凝土抗压强度fcc和面板混凝土抗压弹性模量Ec都可以按SL 352—2006《水工混凝土试验规程》测定。

3.变形协调理论计算方法

变形协调计算方法主要采用三维有限元计算方法，通过计算可以得到混凝土面板堆石坝的应力变形性状。运用坝体沉降协调准则和坝体水平位移协调准则式（1-1）～式（1-4）来判断堆石坝体是否符合变形协调，运用坝体变形与面板变形同步协调准则式（1-5）和式（1-9）来判断面板变形与堆石坝体变形是否符合同步变形协调。要正确地预测面板堆石坝的应力变形性状，应正确掌握筑坝材料的物理力学特性包括流变特性、本构模型及其参数以及筑坝材料的允许倾度［I］和允许变位差［T］。要建立正确的面板与垫层之间的接触面模型及其参数以及面板允许脱空高度［Hs］和允许变位差［J］。

四、变形协调新理念的技术支撑

1.基于破碎能耗的堆石料本构模型

高混凝土面板堆石坝变形协调的核心之一是堆石坝体的变形协调，包括堆石坝体各区在时间与空间上的变形协调，因此研究堆石坝体的应力变形性状，建立符合高混凝土面板堆石坝工作状态的堆石料本构模型是进行变形协调理论计算的主要技术支撑。［12，14］

目前土石坝（包括面板堆石坝）的应力变形计算广泛应用的堆石料本构模型主要是以邓肯—张E—B模型为代表的非线性弹性模型和以南水双屈服弹塑性模型为代表的弹塑性模型，这两个模型详见本书第二章所述。邓肯—张E—B模型的弹性模量是应力状态的函数，可以描述堆石料应力应变关系的非线性和压硬性，但是它是建立在广义虎克定律的基础上，不能描述堆石料的剪胀性和剪缩性。南水双屈服面弹塑性模型假定体积应变与轴向应变之间为抛物线关系，反映的剪胀又过于强烈。众多高混凝土面板堆石坝安全监测资料表明：采用这两类本构模型预测的坝体变形计算值与实测值有一定的差距，为此建立新的堆石料的本构模型是高混凝土面板堆石坝安全建设的迫切需要。

混凝土面板堆石坝的施工填筑和蓄水加载过程中堆石料颗粒发生破碎、滚动或移动，颗粒级配和结构发生变化，导致堆石坝体在施工期、蓄水期和运行期产生变形，也就是说颗粒破碎和结构调整是堆石坝体变形（包括流变）的主要原因。因此建立新的本构模型必须考虑堆石料的颗粒破碎。［14］

（1）堆石料剪切过程中能耗分析按式（1-12）计算：

从堆石料剪切试验结果可知，剪切过程中的破碎能耗EB与轴向应变ε1之间关系可用双曲线函数表示，如式（1-13）、式（1-14）所示：

因此

当ε1→0时，为初始破碎能耗的倒数。

当ε1→∞时，为极限破碎能耗的倒数。

初始破碎能耗和极限破碎能耗与周围压力σ3的关系可用幂函数表示，按式（1-15）、式（1-16）计算：

（2）新的考虑颗粒破碎能耗的堆石料本构模型。新的本构模型中切线弹性模量Et和切线体积比μt，分别表达为：

式（1-18）中φm为机动摩擦角，可表达为：

式（1-18）中

式（1-19）中的峰值应力比Mp，可表达为：

式（1-19）中B为参数

上述式中　Et——切线弹性模量；

Ei——初始弹性模量；

μt——切线体积比；

σ1——轴向正应力；

σ3——周围压力；

σ1-σ3——应力差；

ε1——轴向应变；

εv——体积应变；

Rf——破坏比；

Sl——应力水平；

φm——机动摩擦角；

φp——峰值摩擦角；

M——摩擦系数；

Mp——峰值应力比。

其中

新的考虑颗粒破碎的本构模型共包含11个参数，前5个同南水双屈服面弹塑性模型，后6个分别为c1、n1、c2、n2、c3和n3。较之南水模型增加了3个参数。

（3）新的本构模型与现有模型的比较。

1）三轴剪切试验结果的比较分析。新的本构模型并与目前常用两种模型——南水双屈服面弹塑性模型与非线性弹性模型——邓肯—张E—ν模型的比较。

为比较方便将考虑颗粒破碎的剪胀方程分别引入邓肯—张E—ν非线性模型和南水双曲服面模型，通过两种途径即，三轴固结排水剪切试验成果的对比分析和工程实例的有限元数值分析，来说明新的本构模型可较好地反映材料的剪胀特性，验证了新的本构模型的合理性和可靠性。

采用丰宁抽水蓄能电站上库面板堆石坝灰岩堆石料高围压下三轴剪切试验结果比较分析了现有常用的南水双屈服面模型、邓肯—张E—ν模型与基于颗粒破碎能耗的本构模型。

为阐述方便，分别采用模型N—1为南水双屈服面弹塑性模型；模型N—2为采用Rowe剪胀方程修正的南水模型，模型N—3为基于颗粒破碎能耗的本构模型。三个模型的预测结果与试验结果的比较如图1-14所示。在围压高达1500kPa时，模型N—1计算结果表现了强烈的剪胀，与试验成果不符。模型N—2计算的体胀有所减小，但与试验结果仍相差较大。采用模型N—3计算的体胀明显减小，而体缩明显增大，反映了颗粒破碎的影响，其计算成果与试验成果更为接近。

为阐述方便，分别采用：模型D—1为邓肯—张E—ν非线性弹性模型；模型D—2为采用Rowe剪胀方程的修正邓肯—张E—ν模型；模型D—3为基于颗粒破碎能耗的本构模型。三个模型的预测结果与试验结果如图1-15所示。模型D—1不能反映剪胀，模型D—2计算的体变明显偏小，模型D—3中考虑了体积应变曲线的变化过程，且可通过式（1-27）求得体积应变，因此模型D—3的计算结果与试验结果更为接近。

2）高面板坝工程实例比较分析。采用三个本构模型来分别计算高混凝土面板堆石坝工程实例进行比较。依托工程为丰宁抽水蓄能电站上水库混凝土面板堆石坝，坝顶高程1508.00m，坝顶长512m，坝顶宽10.0m，最大坝高118m。有限元计算时共分为26级模拟坝体填筑和蓄水过程，其中坝体填筑过程分14级模拟，蓄水过程分12级模拟。

计算结果如表1-8和表1-9，图1-16、图1-17和图1-18所示。从以上图表可以看出：模型N—3较之模型N—2能反映颗粒破碎的影响，且可以反映颗粒破碎引起材料强度的降低，因而其计算的沉降最大，模型N—1的计算结果过于偏小，而模型N—3的计算结果则相对更为合理。

从面板的坝轴向压应力来看，模型N—3较之模型N—2和模型N—1分别增大了约17.7%和27.4%；从面板的坝轴向拉应力来看，模型N—3较之模型N—2和模型N—1分别减小了约35.2%和22.2%；从面板的顺坡向压应力来看，模型N—3较之模型N—2和模型N—1分别增大了约20.1%和37.6%。国内外高混凝土面板堆石坝防渗面板的破坏方式主要表现为河床部位面板的挤压破坏而不是两岸部位面板的张开裂缝，可见考虑颗粒破碎能耗的本构模型N—3的计算结果更为合理。

2.接触面损伤本构模型

高混凝土面板堆石坝变形协调的核心之一是混凝土面板变形与堆石坝体变形的同步协调，因此研究面板与垫层之间的接触面特性，建立接触面模型是进行变形协调理论计算的主要技术支撑［11，12，13］。

采用专门研制的接触面试验仪研究了猴子岩（坝高223.5m）和金川（坝高112m）两座高混凝土面板堆石坝垫层料与混凝土面板之间的接触面特性，试料最大粒径10mm和5mm，采用混合法缩制试料的级配。采用数字图像位移量测技术从宏观和细观两个方面研究了接触区应力变形性状，定量测定接触区垫层料颗粒位移的典型试验结果如图1-19所示。［13］

接触面试验研究了垫层料最大粒径、混凝土面板表面粗糙度、剪切位移和应力状态对接触区厚度和接触区力学特性的影响，典型的试验结果如图1-20和图1-21所示。

根据接触面试验结果、基于损伤理论建立了接触面损伤本构关系，按式（1-28）计算：［13］

接触面损伤本构模型计算参数如表1-10所示，接触面损伤本构模型的拟合结果如图1-22所示。

五、变形安全设计要点［6，11］

高混凝土面板堆石坝结构设计新理念中重要的是变形安全设计新理念。变形安全设计包括下列几个方面。

1.变形安全设计原则

坝体分区设计应遵循4条原则：料源决定原则、水力过渡原则、开挖料利用原则和变形协调原则。

（1）料源决定原则。坝体分区应根据料源和筑坝材料的工程特性，进行技术经济比较，尽量选用抗剪强度高、压缩性低、压实特性好，距坝址较近以及开采、运输和碾压施工方便的筑坝材料。

（2）水力过渡原则。坝体各区筑坝材料的渗透性宜从上游向下游逐渐增大，并应满足水力过渡要求，下游各区的坝料对于相邻上游各区的坝料应满足层间关系，即满足内部渗透稳定要求，防止产生内部管涌和冲蚀，特别是面板砂砾石坝各区坝料之间，以及面板堆石坝垫层料、垫层料和过渡料之间。下游水位以上的下游堆石区不受此限制。

（3）开挖料利用原则。水利水电枢纽包括泄洪建筑物（溢洪道、泄洪洞等）、放水建筑物（放空洞、输水洞等）、引水发电建筑物（引水发电隧洞、电站厂房等），面板堆石坝坝体分区应尽量做到充分利用这些建筑物的开挖料。

（4）变形协调原则。重点是变形协调原则，既要做到坝体各区的变形协调、又要做到坝体变形和面板变形之间的同步协调。测定筑坝材料变形特性包括流变特性，采用合理的本构模型和数值分析方法来比较不同分区方案的坝体变形和面板应力变形性状，以变形协调、改善面板工作性状，面板不产生脱空和裂缝为原则来合理确定坝体分区。

2.变形协调设计内容

具体来讲变形协调设计包括下列几个方面：

（1）上下游堆石区的变形协调。实践证明：高混凝土面板堆石坝的上游堆石体与下游堆石体是协同支撑面板并共同承担面板传递的水荷载，原型观测和数值计算分析均表明：下游堆石体的变形对上游堆石体和面板的应力变形性状有显著的影响，上下游堆石区变形的不协调将导致顶部坝体水平位移增大、垫层区裂缝、面板脱空和裂缝以及面板顺坡向拉应力的增加，影响高混凝土面板堆石坝的安全。

（2）坝肩堆石区与河谷中央堆石区的变形协调。建于V形河谷或狭窄河谷的高混凝土面板堆石坝，其坝肩堆石区的变形受河谷形状及两岸约束作用的影响较明显，与河谷中央堆石区的变形会有一定差异，坝肩堆石区的沉降变形倾度较大，水平位移梯度也较大，会导致垫层区和面板产生斜向裂缝，因此，对于V形河谷狭窄河谷中的高混凝土面板堆石坝在坝肩附近坝体与顶部坝体应设置高变形模量的堆石区（简称增模区），以达到坝肩堆石体与河谷中央堆石体的变形协调。

（3）各堆石区变形的同步协调。堆石体的变形取决于压缩层厚度、上覆荷载（填筑层高度）、面板传递的水荷载，在施工期和蓄水期这些因素都在变化；堆石体的变形还取决于坝体材料本身的变形特性，包括其流变、劣化等特性，也是随时间而变化的。因此在施工期、蓄水期乃至运行期不同空间位置堆石体变形还需要同步协调。变形同步协调设计主要包括下列两方面：

1）坝体各分区的坝体材料（包括利用的开挖料）的变形特性尤其是其流变变形特性应互相协调，以免随时间各区的变形产生较大的差异。

2）坝体的填筑顺序与形象面貌应注意各分区的变形同步协调，各分区的填筑高程不宜相差过大，尽可能全断面均衡上升。

（4）混凝土面板变形和堆石坝体变形的同步协调。混凝土面板是浇筑在堆石坝体上的钢筋混凝土薄板，其几何尺寸（质量）和刚度与堆石坝体相差很大，堆石坝体的变形往往是面板变形的数倍或高1～2个数量级，两者变形的不协调尤其是不同步协调，会使得面板脱空，导致产生水平向挠曲应力裂缝，也使得面板受到坝轴向挤压，导致河谷中央面板混凝土挤压破坏，或使得坝肩附近面板产生较大的拉应力，导致面板产生拉裂缝。

混凝土面板变形和堆石坝体变形的同步协调设计主要包括下列三个方面：

1）在堆石料源确定的情况下，应注意筑坝材料颗粒级配、压实标准与碾压施工机械的选择，使堆石坝体的变形特性尽可能改善。

2）正确选择面板分期与面板浇筑时间，在堆石坝体变形的变化速率与面板变形相协调的情况下确定浇筑时间，即在堆石坝体变形基本趋于稳定时浇筑面板混凝土（称为预沉降时间），浇筑时坝体填筑顶面高程应高出该期面板顶面高程一定高度（称为超高），使面板浇筑后的面板变形与坝体变形同步协调。

3）减小面板与垫层区之间的约束，减小坝体变形与面板变形的差别而产生的对面板的摩擦力，从而减小此摩擦力引起的面板应力，尤其是减小坝肩附近的面板的坝轴向拉应力、河谷中央部位面板的坝轴向压应力，避免或减轻坝肩附近面板的拉裂缝和河谷中央部位面板混凝土的挤压破坏，同时减小面板顺坡向应力，避免顶部可能产生的拉裂缝和底部面板可能产生的压碎现象。

（5）针对不同地形地质条件采用新的坝体分区设计。猴子岩面板堆石坝是一实例。［11］建在倾斜地形条件的宜兴抽水蓄能电站上库面板堆石混合坝又是一例，为了增加坝体抗滑稳定性、减小对坝趾高挡墙的土压力，并改善高程427.00m以上坝体和面板的工作条件。提高了高程427.00m以下坝体变形模量，提高其填筑标准，称为增模区如图1-23所示。［15］

（6）适当提高下游堆石区的填筑标准。下游堆石料或建筑物开挖料的岩性、风化程度和颗粒级配较差，提高其填筑标准，使坝体各区的变形模量相近，达到坝体变形协调，避免或减小面板脱空和裂缝。三板溪坝主堆石区的垂直压缩模量110～120MPa，下游堆石区80～90MPa，没有出现面板脱空和挠曲应力裂缝。

（7）合理确定在纵剖面和横剖面上坝体填筑形象进度。合理组织筑坝材料开挖、储存和填筑，尽量做到坝体填筑全断面均衡上升，在施工期坝体变形协调，垫层区不产生裂缝。

（8）合理确定面板分期浇筑时间以及面板浇筑时已填筑坝体顶面与该期面板顶面之间的高差，在测定筑坝材料流变特性的基础上采用数值计算方法分析不同浇筑时间和不同高差情况下堆石坝体与面板的应力变形性状，优化面板浇筑施工设计，使堆石坝体变形与面板变形同步协调，不产生面板脱空和挠曲应力裂缝。

（9）减小堆石坝体在坝轴线方向的位移，减小面板与垫层之间的约束，从而减小堆石坝体向河谷中央的变形产生的对面板的摩擦力，以改善面板应力状态，减小两岸坝肩附近面板的拉应力以及河谷中央面板的压应力，避免两岸坝肩附近面板产生拉裂缝以及河谷中央面板挤压破坏。使得堆石坝体与面板在坝轴线方向的变形协调方法包括：提高堆石坝体的变形模量，特别是上半部分的坝体的变形模量，如图1-13所示的猴子岩坝在顶部1/4坝体采用主堆石特别碾压区3BB，除了提高该坝抗震能力以外，也是使得堆石坝体与面板在坝轴线方向变形协调，避免面板拉裂缝和挤压破坏的设计措施。［11］