第八节 碾压混凝土重力坝
常态混凝土重力坝是采用拌和机拌制、吊罐运输入仓，然后平仓、振捣的方式施工。如坝体剖面较大，常须沿纵向分块浇筑，进行冷却和接缝灌浆。碾压混凝土坝是改革常态混凝土坝传统的施工技术，采用无坍落度的干硬性贫混凝土，用土石坝施工机械运输、摊铺和碾压的方法分层填筑压实成坝。近20多年来，碾压混凝土筑坝技术迅速发展，应用亦较广泛。1974年巴基斯坦的塔贝拉坝修复工程，首次使用碾压混凝土并获得成功。1980年在日本建成岛地川坝（坝高89m）成为世界上第一座碾压混凝土重力坝。据不完全统计，目前世界上已建成和在建的碾压混凝土坝约200余座。
我国1979年开始研究推广碾压混凝土，近几年来发展很快，继坑口水库大坝（图4-63）建成后，又有铜街子、沙溪口、隔河岩、天生桥、观音阁（坝高82m）、龙门滩、大潮山（坝高111m）、江垭（坝高131m）及岩滩等工程的大坝或围堰采用了碾压混凝土。这些工程都做了大量的室内及现场试验研究，取得了许多科研成果，总结了不少经验，推进了碾压混凝土筑坝技术的发展。至1998年底，我国已建成和在建的碾压混凝土坝共40多座，其中龙滩重力坝第一期坝高192m，后期坝高216.5m，为目前世界上的最高碾压混凝土坝。
一、碾压混凝土的原材料
1.水泥
碾压混凝土的原材料与常态混凝土无本质区别。因此，凡适用于水工混凝土使用的水泥品种均可采用，包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。为降低混凝土温升，应尽可能减少碾压混凝土硬化初期的水化热，在选用水泥时应同时考虑掺用混合材料。
2.混合材料
由于碾压混凝土的含水量和水泥用量均少，一般都要加入粉煤灰或火山灰等混合材料，以增加微细颗粒的绝对体积，利于压实和防止材料分离。其掺量一般为胶凝材料总量的30%～60%，甚至更多，有的高达70%。研究表明，增加掺量不但能更好地填充骨料间的空隙，降低水化热，同时粉煤灰能与水泥的游离石灰起化学反应，还可在某种程度上提高混凝土的后期强度。
3.细骨料
砂的含水量的变化对碾压混凝土拌和物稠度的影响比常态混凝土敏感，因此控制砂的含水量十分重要。另外，对细骨料中微细颗粒含量的限制一般可以放宽些，它有类似粉煤灰的部分作用，目前我国控制在7%～15%（常态混凝土为6%～12%）。
4.粗骨料
石子最大粒径和级配，对碾压混凝土的分离、压实和胶凝材料用量，以及水化热温升都有显著的影响，必须选择适当。通常采用连续级配，最大粒径一般为80mm，也有采用150mm的，这主要取决于建筑物的结构形式，施工工艺与设备，以及管理水平等。我国目前一般选用最大粒径为80mm，当最大粒径小于80mm时，拌合物的分离现象可以减少，但含砂率将增大，水泥用量也随之增加，对大坝混凝土的温控不利。
图4-63 坑口碾压混凝土坝溢流坝段剖面图（单位：m）
1—坝轴线；2—正常蓄水位；3—校核洪水位；4—沥青砂浆防渗层；5—死水位；6—钢筋混凝土预制板；7—钢筋混凝土防冲层；8—坝内碾压混凝土；9—灌浆排水廊道；10—集水井；11—原地面线；12—下游校核洪水位；13—下游设计洪水位；14—混凝土预制板；15—常态混凝土
5.外加剂
由于碾压混凝土的铺筑仓面面积大，为了提高混凝土拌和物的和易性，推迟初凝时间，使大体积混凝土的碾压层保持“活态”，从而充分保证整体性，防止产生冷缝，一般必须使用缓凝型的减水剂。如工程有特殊要求，还需掺用相应的外加剂。
6.配合比
配合比的选择宜通过试验确定。一般要进行砂浆容重试验，强度试验，振动台干硬度试验，以及砂率的试验等，确定合适的单位体积用水量，水泥用量，砂率和各级骨料比，并通过现场试验验证。一般坝工碾压混凝土的水胶比在0.45～0.75之间较适宜。关于胶凝材料的用量，对于大体积碾压混凝土，我国规定一般不宜低于130kg/m3，包括水泥、粉煤灰及其他活性混合材料总量。近年来为改善碾压混凝土的密实度和层间的结合，胶凝材料有增加的趋势。如美国1987年建成的上静水坝，高90m，总胶凝材料用量竟达252kg/m3。实践证明，加大胶凝材料对改善层间结合及防渗是有效的，同时也提高了碾压混凝土强度和抗渗性能。
二、碾压混凝土坝的特点
碾压混凝土和常态坝工混凝土相比，除前述需要通过分层填筑碾压成坝外，最基本的特点之一是单位体积胶凝材料用量少。一般为混凝土总重量的5%～7%，扣除粉煤灰等活性混合材料，每立方米碾压混凝土的水泥用量一般仅为60～90kg，但各项物理力学性能（抗压强度、抗拉强度、弹性模量等）均可满足工程要求。不难理解，降低单位体积水泥用量不仅涉及工程造价，更重要的是可以减小水化热温升，降低施工期温度应力，简化温控措施。
基本特点之二是单位体积用水量少。一般比常态混凝土少40%左右，以便于振动碾通过混凝土表面碾压密实。因此碾压混凝土是一种无坍落度的干贫性混凝土。由于这一特征，才有可能使碾压混凝土筑坝技术得以实现，使之突破了传统的柱状间断浇筑，发展成不设纵缝、通仓、薄层、连续均匀铺筑，大大简化分缝分块、温控措施和水平施工缝的处理，节省接缝灌浆和模板等工程量，使得在降低造价，缩短工期以及施工管理等方面，显示出明显的经济效益。碾压混凝土的单价一般比常态混凝土可降低15%～30%，如我国坑口碾压混凝土坝坝体的总投资比同等条件下常态混凝土坝可降低16.45%，节省水泥44%。
基本特点之三是抗冻、抗冲、抗磨和抗渗等耐久性能比常态混凝土差。特别是在层面或材料分离严重部位，抗渗性更差。因此，很多碾压混凝土坝在坝基、上下游坝面2～3m的范围内及坝顶部位都另浇常态混凝土或用预制板加以保护。同时对水平层面也进行适当处理，例如日本常在水平层面浇后24～36h先用压力水喷射，形成糙面，间隔3～4天，再铺一层1.5～2.0cm厚水泥砂浆，然后再铺筑碾压混凝土。这样可加强层面之间的结合，提高抗渗和抗剪性能。
三、坝体剖面设计及细部构造
（一）剖面设计
碾压混凝土重力坝的剖面形态与常态混凝土重力坝基本相同，可做成非溢流坝，也可做成溢流坝。但因筑坝材料和施工方法的不同，坝体剖面设计也具有其特点。为了满足坝面机械化作业的要求，碾压混凝土重力坝一般应尽量减少坝内管道的设置，坝体体型应力求简单，便于施工，坝顶最小宽度应不小于5m，上游坝面宜采用铅直面或斜面，尽量避免折面。碾压混凝土采用分层碾压方式施工，极易造成隐伏层状结构，在坝体剖面设计中应根据工程等级考虑设置上游坝面防渗层、下游坝面保护以及溢流面的抗冲耐磨层，以弥补碾压混凝土施工过程中所带来的缺陷。
碾压混凝土重力坝仍可按《混凝土重力坝设计规范》（NB/T 35026—2014）（SL 319—2005）的抗滑稳定和应力等要求进行设计，但必须核算沿最不利层面的抗滑稳定安全度，特别是对高坝应论证施工层面剪应力对坝体结构安全的影响。碾压混凝土本身的抗剪断强度一般可达抗压强度的20%～25%，但设计中采用c′值常只用到10%的抗压强度，f′可用1.0。如施工不妥，层面上的c值会大为降低，必须加以注意。由于内部混凝土与常态混凝土的力学性能相近，所以碾压混凝土重力坝的应力分析与常态混凝土重力坝基本相同。
（二）细部构造
1.坝体分缝
碾压混凝土坝由于水泥用量减少，水化热减少，采用薄层通仓浇筑，自然散热，因而取消纵缝，可少设或不设置横缝。但不设横缝的碾压混凝土坝必须对坝址河谷断面地形、地质及基础，进行深入细致的分析研究，判断是否有产生不均匀沉陷的可能性。对基础变形必须在设计中考虑，采取适当的工程措施，避免产生应力集中和开裂。横缝常由切缝机切割而成，也有利用手工打（钻）连续孔，初凝前以人工或风镐打孔，或在初凝后风钻钻孔，或预埋分缝板，预留软弱带成缝。横缝不一定要从基础开始，也不一定要全部通到坝顶。横缝止水一般应设两道。
2.坝体防渗
碾压混凝土坝上游面的防渗措施有以下几种。
（1）在坝的上游面采用常态混凝土作防渗层，其最小有效厚度一般为坝面水头的1/30～1/15，但不宜小于1.0m，我国多采用1.5～3.5m。其优点是可在较厚的防渗层内设置横缝，缝内布置止水，防渗效果较好；缺点是增加坝体施工程序，影响施工速度，增加工程投资。
（2）在上游坝面附近，采用高胶凝碾压混凝土形成防渗层，起加强防渗作用。
（3）在坝的上游面用6cm厚的沥青砂浆作防渗层，沥青砂层的外表面用6cm厚的钢筋混凝土预制板保护。预制板与坝体之间用钢筋连接，兼作沥青砂灌注的模板，如我国坑口坝。
（4）在上游面采用预制混凝土板，预制板背面加设防水土工合成材料（如高密度聚氯乙烯薄膜），如美国的温切斯特坝。
（5）在坝的上游面喷涂2mm合成橡胶防渗薄膜于混凝土面上，如美国的盖尔斯维尔坝。
（6）坝体碾压混凝土防渗，常态混凝土只用来作模板兼坝面防护层，图4-64为美国上静水坝剖面及用滑模施工的坝面结构型式，由于在坝体内部采用高胶凝材料的碾压混凝土，并采取有效的施工措施，使碾压层间结合良好，因此在坝体上游面没有设置专门的防渗设备。
图4-64 美国上静水坝施工剖面示意图
（7）变态混凝土防渗，即在坝体的防渗部位，用变态混凝土代替碾压混凝土。所谓变态混凝土以二级配防渗混凝土为基础、加浆、振捣而成。即在碾压混凝土拌合物中加入适量的水泥灰浆（一般为变态混凝土总量的4%～7%）使其具有可振性，再用插入式振捣器振动密实，形成一种具有常规混凝土特征的混凝土。
3.坝内排水及廊道
碾压混凝土重力坝也需在坝体上游部位和坝基布置排水系统，以降低扬压力。坝内排水系统的布置与坝面防渗层的抗渗性能和厚度有关；基础及岸坡接头排水布置与坝址地质条件有关。坝内竖向排水管一般为预制的无砂混凝土管，管距2.0～3.0m，内径为7～15cm，亦可用钻孔或逐层拔管等方法形成。图4-65为美国莫克斯维尔坝的排水系统布置。
图4-65 美国莫克斯维尔溢流坝坝内排水布置示意图
1—碾压混凝土；2—梯级跌水的面层混凝土；3—坝内排水管；4—廊道；5—基础排水管；6—基础固结灌浆；7—基础帷幕灌浆；8—岩石基线；9—回填土；10—混凝土校平垫板
为减少施工干扰，加大施工作业面，坝内最好不设廊道或少设廊道，尽量做到一个廊道兼起多种用途。一般中等高度的坝常只设基础灌浆廊道，兼起排水、检查及交通之用，如图4-63所示的坑口重力坝，只设二道基础廊道。对于较高的坝，如日本玉川坝，坝高100m，也只有在坝体上游部分设置两层纵向廊道，如图4-66所示。
碾压混凝土坝的施工要点是：①混凝土是在强制式拌和机中拌和制成；②用自卸汽车直接入仓散料；③用推土机将混凝土推铺摊平，每层铺筑厚度一般为20～50cm；④用重力为80～150kN的振动碾碾压密实，碾压次数由试验确定，一般振动碾压为6～8遍；⑤有横缝的常用振动切缝机切割成缝；⑥在浇筑新一层混凝土前，用钢丝刷将老混凝土面刷毛、清洗，或用压力水冲刷，以加强层间结合；⑦喷雾养护。
图4-66 日本玉川坝标准剖面混凝分区示意图