碾压混凝土坝应用的关键问题及前景展望

朱金华

（南方电网调峰调频发电公司海南抽水蓄能项目部，海口 570105）

1 前言

碾压混凝土筑坝，是七十年代以来国际上新兴的一种筑坝技术，是对混凝土坝传统设计理论和施工工艺的一次重大改革。碾压混凝土的基本特征，是采用干硬性混凝土，掺入适量的火山灰（一般用粉煤灰）以代替部分水泥用量，然后用高频振动碾，通仓薄层振压密实，达到简化工艺，快速施工，节约水泥，降低造价的目的。

碾压混凝土拱坝既有常态混凝土拱坝具有的超载能力大、工程量少的特点，又具有水泥用量少、准备工作量少、大仓面快速施工的特点，因而近几年发展迅速。

2 碾压混凝土坝的材料

碾压混凝土是一种低水泥用量干硬性的混合材料，使用硅酸盐水泥、火山灰质掺和料、水、外加剂、砂和分级控制的粗骨料拌制成无塌落度的干硬性混凝土，和易性相对较差，有别于常态混凝土。在运输和摊铺过程中易分离，整体抗渗性能较常态混凝土差，如果层间结合面处理不好，极易形成渗漏通道。

碾压混凝土与常态混凝土根本不同点是捣实方法的不同，前者在外部压实震捣，后者在内部震捣。为承载外部压实震捣的机械，要求混凝土为干硬性。碾压混凝土与常态混凝土的另一主要区别是碾压混凝土水泥用量较少，原因在于碾压混凝土单位用水量少，并掺用粉煤灰或火山灰等活性掺合料替代部分水泥。

2.1 碾压混凝土的掺合料

目前，大多数碾压混凝土坝选用的掺合料是粉煤灰。掺用粉煤灰是一种既能填充碾压混凝土骨料空隙、改善和易性及提高后期强度，又可降低水化热、减少温度裂缝的可行措施。棉花滩水电站碾压混凝土中粉煤灰最大掺量达65%。武汉大学的室内研究显示，高掺粉煤灰可能抑制碱骨料膨胀，其掺量可以达到2/3。

除粉煤灰以外，火山灰或其他有活性的掺合料在国外一些工程中得到了应用。大朝山水电站是我国首例采用非粉煤灰掺合料的工程，选用的是凝灰岩和磷矿渣。经过现场试验和实际操作，除开始时因为石粉掺量不够，和易性较差外，经过调整配合比，检查温度，抗渗最终达到设计要求。我国西南水利资源充沛，粉煤灰匮乏但磷矿渣资源丰富。可以预见，用磷矿渣分做碾压混凝土的掺合料，前景广阔。

2.2 碾压混凝土的砂石骨料

大部分工程选用天然产砂石，而在西南地区，高坝大多采用人工砂石骨料。因灰岩骨料的膨胀系数较大，在抗裂上占有优势，其他物理性能也较好，所以高坝都在坝址附近尽量寻求这种料场，如江垭、汾河二库、普定等工程。但也有些高坝的坝址附近没有这种优良的石骨料，为了降低运费、节省开支，只能用火成岩，如百色的辉绿岩，大朝山的玄武岩，沙牌、棉花滩的花岗岩。火成岩具有较高的密度，其优点可体现在可提高坝体容重、减少坝体体积，但在治砂过程中，较难回收石粉。如在大朝山工程中，为了多回收石粉专门设置了沉淀池，仍不能达到17%的最优比例。

2.3 碾压混凝土的配合比

混凝土配合比是保证混凝土质量的关键之一。混凝土的配合比要根据坝址自然条件和材料而定。在工程实践中采用的混凝土施工配合比是在大量试验基础上提出的，并随着施工进展和需要，在满足设计要求的前提下，不断优化和完善。

1999年开始，南京水科院根据已有的经验数据，将国内外碾压混凝土坝的实际应用的配合比加以汇总分析，建立碾压混凝土配合比的数据库，通过统计分析，可在输入坝址所在的自然条件和设计要求后，预选较适合的配合比，仅用少量的室内实验进行验证，即可取得合适的配比，极大地节约试验工作和时间。

常用三级配碾压混凝土粗骨料的比例是小石：中石：大石=30%∶40%∶30%。在季节变化时，碾压混凝土配合比可做适当调整，以便取得更好的施工质量。在北方干燥、多风、蒸发量大的地区，应选用优质的砂、石、粉煤灰等原材料。

2.4 碾压混凝土的外加剂

虽然外加剂分量在材料配比中一般不到1%，占量很小，但可以有效地改善碾压混凝土的性能，增强其耐久性。由于缓凝减水剂可以延长初凝时间，以使碾压混凝土层面结合有所加强，所以此类外加剂在我国选用较广泛。

为提高抗冻性，在国内工程常用松香皂和改性松香类、聚氧化乙烯醚类及皂角等引气剂。同时许多室内实验也已证明了碾压混凝土的抗冻性并不比常态混凝土差。

3 碾压混凝土坝的设计

碾压混凝土坝具有混凝土坝枢纽布置之特点，又有近似土石坝施工工艺之优点。因此设计时应考虑其特有的施工特性，充分发挥该坝型的优越性。基本原则和指导思想是：①有适当的施工场面，以利各种机械运转；②尽可能减少干扰、保证施工的连续性；③做到经济和技术的统一。

3.1 结构布置

结构布置上应减少碾压混凝土施工干扰和防止发生裂缝。通过坝体的孔洞、管道应按常态混凝土坝设计，如坝块太长应设置纵缝，经冷却后灌浆，并采用防止裂缝向上延伸的措施。如观音阁坝在坝底部和中部设置导流底孔和永久放水孔，都产生较多的裂缝，并向上发展贯穿坝体。结构布置和施工安排上要避免临空面长期暴露，以减少裂缝。观音阁坝因铁路穿过坝体，引水钢管、泄水孔存在等问题不能与相邻坝段同时上升而造成侧向临时空面，经过一个冬季产生较多裂缝。

苏风营水电站在设计中对大坝结构布置进行了大量优化，采用台阶式下游非溢流坝面，取消坝体排沙底孔、坝内电梯井及楼梯井，减少坝内廊道及采用预制廊道。

3.2 施工导流方式

导流方式也是碾压混凝土筑坝特点之一。既可采一次断流围堰和隧洞泄流的方式，也可用底孔导流、分期导流、坝体过水等方式，比较灵活。

最好采用一次断流方式，底孔或隧洞泄水，使全坝平起上升，避免缺口或梳齿导流。

3.3 防渗设计

碾压混凝土坝防渗设计的三个主要目的：①减少渗透水量；②降低坝体层面上的扬压力；③降低排水幕上游面混凝土中和防渗结构中的水力比降，防止发生水力击穿等渗透破坏现象。

几种常见的碾压混凝土坝防渗结构包括 “金包银”防渗结构、薄层防渗结构、薄膜防渗结构、沥青混合料防渗结构、以碾压混凝土自身防渗为基础的联合防渗结构、钢筋混凝土面板防渗结构、变态混凝土防渗结构等。

1993年贵州普定工程开创了全断面碾压混凝土筑坝技术的先河，采用碾压混凝土自身防渗，是中国筑坝技术上的重大创新。坑口破压混凝土坝采用沥青砂浆防渗，它具有防渗性能好，施工速度快、干扰少，且具有较好的热稳定性和耐久性等优点。

4 碾压混凝土坝的施工

碾压混凝土筑坝技术是一种新的施工工艺，各国在施工方法上存在不少差异，采用的许多施工设备、材料运输方法、碾压工艺、模板、施工缝处理及质量控制等方面都不一致。需要不断实践，不断总结经验，再根据实际情况逐步完善。

4.1 施工要点

碾压混凝土坝施工方法按近于土石坝的填筑方法，采用通仓薄层铺料，振动碾压压实。它克服了常态混凝土施工工艺中的许多缺点。由于碾压混凝土坝取消了纵缝，同时也不用模板形成横缝，所以少用模板，浇筑面积可以灵活调整、易于做到均衡生产，施工设备可以得到充分利用，设备利用率较高。

与常态混凝土坝比较，碾压混凝土坝没有柱状分块，不受仓面限制，可以通仓碾压。准备工作量少，减少模板和脚手架用量，取消冷却水管、灌浆管等项目繁多的附属工作，不受垂直运输能力限制，减化了温控措施，施工速度快，节省了投资，改善了劳动条件。

同常态混凝土相比，由于碾压混凝土坝取消了纵缝，同时也不用模板形成横缝，所以少用模板，浇筑面积可以灵活调整，易于做到均衡生产，施工设备可以得到充分利用，设备利用率较高。

4.1.1 拌和、运输和卸料

拌和及配料拌和用的粗细骨料、水泥、粉煤灰等，均储存于储料筒或料仓内，用皮带输送机和螺旋输送机，按要求的配合比设计，均匀连续地送入拌和机内。应配备适用的配水器，使其能在规定的范围内分配拌和用水。

混凝土搅拌应严格按配合比及参数的要求进行，控制好搅拌时间和坍落度。拌和好的混凝土必须尽快地运送到浇筑仓面。从装料、运输和卸料的全过程，必须防止混凝土分离。为避免混凝土在转运中砂浆流失和骨料分离，宜采用低坍落度混凝土。

4.1.2 防渗防裂工艺

施工期裂缝预防，通常采用的措施是原材料的选择、结构设计、表面保温、原材料降温、合理安排施工进度以及加强混凝土质量等措施。但重点要从结构和材料方面进行研究，以避免大坝在无措施部位开裂，解决大坝越冬层面水平施工缝的开裂问题。

面板浇筑后，严格控制拆模时间。由于15d之内混凝土仍处于膨胀高峰期，面板钢筋以外的保护层较厚，拆模后解除约束，容易形成表层裂缝，甚至进一步发展为贯穿裂缝，所以拆模时间均应在浇筑后的14d以上。

防渗面板与周边的连接施工是难度较大的工序，面板与河床坝基的连接施工采用在基础垫层混凝土施工的同时浇筑防渗面板混凝土。岩基表面处理要完善，采用与补偿收缩混凝土的类似配方，即水泥浆掺适量的膨胀剂，尽管使混凝土与岩基面不会出现接触裂缝。防渗面板与左、右坝身的连接采用预留槽及埋止水铜片。

4.1.3 温控

碾压混凝土坝在施工期间采用整体通仓浇筑，施工速度快，层面间歇短，产生的水化热积蓄在坝体内不易散发，致使温度成为重力坝的主要荷载之一，严重时还会产生裂缝。坝内的最高温升不一定比常规混凝土坝低很多，并且与常规混凝土相比，抗裂能力较差。因此，施工过程中的温度控制尤为重要。

景洪电站工程在高温气温条件下，遮阳蓬采用帆布作为遮阳材料，仓面隔热材料一般选择两层1cm厚的聚乙烯卷材外套塑料编织彩条布作为保温被，并结合风机喷雾和掺气管喷雾等仓面喷雾。

光照水电站工程得到的经验有：①选用水化热低的水泥，在满足混凝土强度、耐久性和和易性的设计要求前提下，改善混凝土级配，加入优质的掺和料和外加剂以适当减少单位水泥用量，以降低水化热温升；②合理利用施工时段，严格控制浇筑层厚度；③采用制冷工艺；④控制浇筑温度，水管冷却降低混凝土的浇筑温度，加强表面保护以及加强过水度汛层的保护。

龙滩大坝碾压混凝土的温控与防裂关键技术主要有如下几点：①优化混凝土配合比，采用中低热水泥、高温型高效缓凝减水剂以及高掺粉煤灰技术，拌制预冷混凝土等常规温控技术；②充分利用温控计算成果，采取分区冷却，合理控制混凝土内部温差和内外温差，降低混凝土温度应力；③加强通水冷却，严格控制坝体内混凝土最高温度；④选择合理的坝段长度，对容易产生劈头裂缝的上游面布设防裂钢筋网；⑤选用新型喷雾机，减小雾滴粒径，增大喷雾覆盖范围，在仓面的小环境内，进行物理降温保湿。

岩滩大坝采用碾压混凝土内埋置高密聚乙烯塑料水管通天然河水、强迫冷却的方法，有效降低了混凝土的温升，简化了施工温控措施，更经济、方便、快捷。

4.2 碾压混凝土坝施工工艺的改进

碾压混凝土坝通常的施工程序是先在下层块铺砂浆，汽车运输入仓，平仓机平仓，振动压实机压实，在拟切缝机位置拉线，机械对位，在振动切缝机的刀片上装铁皮并切缝至设计深度，拔出刀片，铁皮则留在混凝土中，切完缝再沿缝无振碾压两遍。普通的通仓薄层铺筑法仓面过大，拌和楼容量不足，碾压混凝土层间间隔时间过长，难以保证下层初凝前完全铺盖上层进行碾压。

针对以上施工困难，建议混凝土坝采用斜层铺筑法。斜层法可以较好地符合大坝来的层间结合质量和抗剪强度的高要求。斜层铺筑法的作业面积相对比较小，缩短了碾压层之间的间隔，有利于保证碾压混凝土的层间结合，对高温季节施工的温控混凝土，可以减少温度倒灌，喷雾等措施也易于实施。不必高掺量高效缓凝剂以延长混凝土初凝时间，降低了混凝土的费用。可选用较小的浇筑强度进行大仓面施工，减小混凝土浇筑能力资源配置，降低施工成本。若遇降雨，由于斜坡面的存在，可以降低雨水对新浇碾压混凝土的侵害。

可以看出，斜层浇筑法兼顾质量、经济、效率等几个方面，可以在资源配备有限的情况下，做到最大效率的连续施工，提高设备的利用率，充分发挥了碾压混凝土筑坝的优势。

在江垭工程和白莲崖水库枢纽工程等实例中，斜层施工法都得到了较好的应用。斜层碾压施工的三个控制要点，即坡度、厚度和坡角处理。斜层施工工艺的坡度1∶20～1∶10，斜层摊铺厚度34～36cm，压实厚度30cm左右为宜。

但任何事物都好坏两面，斜层浇注法也不例外。斜层碾压的层面比平层多，且层面面积之和比平层大，如层面处理不当，则层间质量难以保证。整个坝体必须浇筑得充分连续一致，使之凝结成一个整块，不允许出现渗水通道或层间薄弱面。

5 研究方向展望

碾压混凝土技术进展不仅仅是材料本身，更多的在于混凝土材料配比和浇筑方法。采用土石坝运输、摊铺和碾压机械，将混凝土优良的性能与土石坝快速填筑施工结合起来。在20年来的碾压混凝土筑坝经验中得出的结论是，碾压混凝土设计应选择最佳方案，至少应在其它坝中应用过的方案中选择。下面从设计、材料实验、施工工艺三个方面来展望碾压混凝土坝的研究方向。

5.1 设计方面

在设计上，进一步完善设计理论，依据碾压混凝土特点优化坝体细部结构。

对碾压混凝土坝施工期及运行期的温度、徐变应力仿真计算研究的框架已基本建立，但就仿真分析而言，其参数的选取存在着不稳定性，尚待深入研究。

计算机技术的发展将进一步推动实验模拟的进程，优化产业。工程方案的选择也不能违背设计工艺要求。在大坝中采用碾压混凝土的条件极为广泛，但不是任何条件都适用。

5.2 材料试验方面

在材料试验方面，要在提高碾压混凝土的粘聚性、耐久性、抗冻性等方面进行优选配合比，进一步寻找解决抗冻问题的最佳途径。

5.2.1 外掺MgO微膨胀碾压混凝土

在碾压混凝土中外掺MgO，可以减少碾压混凝土的收缩，提高抗裂性能。但从2000年建成的第一座全坝掺MgO拱坝—广州长沙坝以及后来的坝美坝等实例来看，仅靠MgO混凝土的微膨胀，不足以完全补偿温降收缩。需要进一步研究实验。

5.2.2 复合外加剂

目前提高碾压混凝土性能的最有效的做法是既用引气剂提高其耐久性，同时用缓凝减水剂以延长初凝时间，即配制复合外加剂，一举两得。复合外加剂在普定、大朝山、棉花滩等工程中得到较好的运用，应进一步发展。

5.2.3 变态混凝土

变态混凝土是指在碾压混凝土拌合物中加入适量的水泥灰浆，使其从干硬性变为亚流态性，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。变态混凝土的使用可以有效解决靠近模板不便碾压处加水泥灰浆的问题。此材料从1989年在岩滩碾压混凝土工程研发并取得了较好的效果后，被推广至荣地、普定和江垭等工程中。

5.3 施工工艺方面

一般多采用常态混凝土的拌制机械。美国及日本均选用大容量拌和机。但从实践中看，常态混凝土拌和机叶片易粘结过多砂浆，需频繁清洗，叶片易磨损，需经常更换，耗费较多时间和金钱。因此研制适合于拌制干硬性混凝土的拌和机械，将成为一个研究的课题。

6 结语

碾压混凝土筑坝是筑坝技术上的一次革命，碾压混凝土技术将会成为水利水电工程建设的主导，具有旺盛的生命力和广阔的发展前途，将取得更大的经济效益和社会效益。

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