1.2 碾压混凝土重力坝建设与研究现状

1.2.1 建设现状

碾压混凝土筑坝的方式，目前主要有两种类型：一是欧美各国和我国根据各自经验提出的碾压混凝土（roller compacted concrete，RCC）筑坝方法，其特点是全断面采用碾压混凝土的结构型式，采用薄层摊铺、连续升程层间不处理、短间歇、全断面薄层碾压快速施工的施工方式。二是日本在碾压混凝土坝的断面设计、混凝土材料的配比、坝体施工工艺以及温度控制等方面总结出一套方法，称为RCD（roller compacted dam-concrete），其特点是采用常态混凝土包裹碾压混凝土（“金包银”）的结构型式，采用薄层摊铺、厚层碾压，每个碾压层均间歇、处理的施工方式。

1980年，第一座碾压混凝土坝也是第一座RCD坝——日本岛地川（Shimajigawa）重力坝建成。该坝坝高89m，上下游面用3.0m厚的常态混凝土作为防渗或保护面层，坝体混凝土总量31.7万m³，其中碾压混凝土占坝体混凝土总方量的52%。1982年，第一座全碾压混凝土坝——美国柳溪（Willow Creek）重力坝建成。该坝坝高52.0m，不设纵横缝，采用30cm厚的薄层连续铺筑上升方法，在17周内完成33.1万m³碾压混凝土的铺筑，比常态混凝土重力坝缩短工期1～1.5年，造价仅相当于常规混凝土重力坝的40%、堆石坝的60%左右。柳溪坝的建设，充分显示了碾压混凝土坝所具有的施工快速和经济的巨大优势，极大地推动了碾压混凝土坝在世界各国的迅速发展。我国碾压混凝土筑坝技术研究始于1978年，经过研究、试验和局部工程应用，于1986年建成坑口碾压混凝土重力坝（坝高56.8m）。此后，我国碾压混凝土建坝数量和建坝技术方面都有长足发展，经过不断积累经验和探索研究，高碾压混凝土坝设计与施工技术也不断得到提高。

碾压混凝土重力坝由于兼具碾压混凝土可用粉煤灰大量替代水泥、施工方法简单、施工速度快和重力坝对地质条件的适应性好、泄洪布置和结构布置简单等优点，自碾压混凝土技术开始用于筑坝以来，迅速发展成为最有竞争力的坝型之一。

日本采用RCD技术建设了多座混凝土重力坝，最大坝高156.0m。国外采用RCC技术建设的最高重力坝为1997年开工；2002年建成的哥伦比亚MielⅠ大坝，最大坝高188.0m，采用PVC薄膜和变态混凝土（GE-RCC）组合防渗。我国20世纪90年代末开工建设的大朝山（坝高111.0m）、棉花滩（坝高113.0m）等100m级RCC重力坝成功建设，特别是坝高131.0m的江垭RCC重力坝建成，标志着100m级碾压混凝土坝建设已取得较为成熟的经验。龙滩水电站工程主体工程开工前，已建、在建的坝高100.0m及以上的碾压混凝土重力坝见表1.5。

重力坝依靠坝体断面维持稳定、抵挡水压力。200m级的碾压混凝土坝随着重力坝高度的增加，大坝承受的水压力与坝高成几何级数增长，坝体体积和混凝土方量也随之增大。碾压混凝土层间结合和坝体防渗问题、温控防裂问题突显，合理、经济地确定坝体断面是关系高碾压混凝土重力坝安全性和经济性的关键问题，研究实现快速、连续施工的施工技术，缩短建设工期的效益也非常显著。本书依托的龙滩工程为巨型水电工程，碾压混凝土重力坝最大坝高216.5m，碾压混凝土方量457万m³，电站装机容量6300MW，水库库容273亿m³。对于这样的特高重力坝，当时决策采用碾压混凝土筑坝在世界上尚属首次，在这样重要的巨型水电工程采用全断面的碾压混凝土筑坝也无先例。

1.2.2 研究现状

1.2.2.1 碾压混凝土材料和配合比

世界已建和在建碾压混凝土坝碾压混凝土的水泥用量为0～184kg/m³，平均水泥用量约81.50kg/m³，胶凝材料用量为60～320kg/m³，平均用量约139.42kg/m³，掺合材料的平均掺量约为41.54%。早期的碾压混凝土坝多采用低胶凝材料用量的贫浆碾压混凝土，当今的碾压混凝土重力坝多采用中等胶凝材料用量的碾压混凝土。在中国、日本、美国和西班牙这4个碾压混凝土坝最多的国家，碾压混凝土平均的水泥用量大致相当，基本上在75～85kg/m³的范围内。胶凝材料用量的差异，主要是活性掺合料（如粉煤灰）用量的不同，日本碾压混凝土胶凝材料用量较低，活性掺合料的掺量也最低，而西班牙胶凝材料用量最高，活性掺合料的掺量也最高。这4个国家中，日本、中国和西班牙已经根据本国的实际情况形成了自己的风格，在日本全部为其特有的RCD坝。

我国碾压混凝土坝从一开始就采用了高掺粉煤灰、少用水泥以减少温度控制难度的路线，碾压混凝土配合比设计一直按照高掺、中等胶凝材料用量的方向发展。在使用粉煤灰条件有困难的地区，磷矿渣和凝灰岩磨细作为掺合料也已成功采用。对岩粉在碾压混凝土中的作用的认识也逐步深入，碾压混凝土用砂中岩粉含量已允许高达22%，此外，复合外加剂被普遍证实可以提高碾压混凝土的性能和耐久性。我国目前已建成的坝高100m左右的碾压混凝土重力坝配合比中胶凝材料的用量在147（棉花滩）～164kg/m³（大朝山）之间，而200m级碾压混凝土重力坝对材料层面强度和防渗的要求将较100m高坝成倍增加，材料及配合比问题成为200m级碾压混凝土重力坝的关键技术问题。

变态混凝土是具有中国特点的创新工艺，1990年先后在荣地和普定碾压混凝土坝上游面或止水片附近得到应用，后来也成功地在江垭等多个碾压混凝土坝中应用于下游面、两岸坝肩、电梯井、通气孔、廊道周边等以前采用常态混凝土的部位。采用变态混凝土的主要目的是形成平整的外部表面和良好的内部结合面，有效地避免在紧靠上、下游坝面模板附近及靠近两岸坝肩地段出现碾压混凝土不容易被压实的现象。由于变态混凝土通过加浆振捣形成，可截断碾压混凝土层面与上游库水潜在联系通道，从而可作为防渗结构起作用，因此有必要对变态混凝土的材料、性能和施工工艺进行系统研究，发挥变态混凝土在高碾压混凝土重力坝防渗结构体系中的功能性作用。

1.2.2.2 高碾压混凝土重力坝的断面

碾压混凝土重力坝的稳定不但受坝基面控制，而且受碾压混凝土层面控制，国内外的工程实践在保障坝高100m级大坝沿层面的抗滑稳定方面已有成熟经验，但是否可以获得满足200m级高碾压混凝土重力坝坝体要求的抗剪断强度以实现全高度全断面采用碾压混凝土修筑200m级重力坝、是否存在对大坝体型进一步优化的余地以及碾压混凝土大坝体型优化的方法等，均是200m级高碾压混凝土重力坝建设必须解决的问题。

1.2.2.3 高碾压混凝土坝的防渗结构

国内外在碾压混凝土大坝中应用的防渗结构型式总体可分为碾压混凝土自身防渗和附加防渗结构两类，部分工程分缝或细部处置不当导致初期漏水比较严重。我国早期碾压混凝土大坝多采用厚常态混凝土防渗，先后还有沥青混凝土防渗、钢筋混凝土面板防渗、混凝土预制板防渗等多种型式，直到普定碾压混凝土拱坝成功采用二级配碾压混凝土防渗后，我国碾压混凝土大坝防渗结构才开始广泛采用二级配碾压混凝土防渗的实践。根据我国碾压混凝土筑坝的特点，碾压混凝土自身防渗应是防渗结构发展的基本趋势，对于200m级碾压混凝土重力坝采用何种防渗结构型式、在高水头作用下是否需要采取附加防渗措施、碾压混凝土防渗结构如何适应快速施工的要求也是200m级碾压混凝土重力坝防渗结构设计的关键技术问题。

1.2.2.4 高碾压混凝土坝的承载能力

常态混凝土重力坝的断面设计及承载能力已有较成熟的经验，其稳定应力分析和承载能力研究多采用传统计算分析方法；在传统的计算方法中，坝体应力计算采用材料力学法，抗滑稳定计算采用刚体极限平衡法；对于高水头混凝土重力坝的设计，采用传统计算方法和有限元法并用，有限元法用于分析坝体与坝基应力状态，考虑坝基变形对于坝体应力的影响，确定大坝可能滑动面和最危险的部位以及材料抗力的最有效部位，并作为工程设计的依据之一；采用非线性有限元法与刚体极限平衡法相配合，研究坝体的承载能力、综合评价大坝的稳定性。由于碾压混凝土材料和性能有别于常态混凝土的特性，因此，应根据碾压混凝土的特性，结合现代混凝土和岩石弹塑性力学、非线性断裂力学和结构动力学的最新进展，发展并综合应用多种数值分析方法和物理模型试验方法，研究高碾压混凝土重力坝的应力状态和承载能力，分析、确定高碾压混凝土坝的稳定应力状态和安全储备，为高碾压混凝土坝设计提供依据。

1.2.2.5 高碾压混凝土重力坝温控防裂技术

碾压混凝土坝的温控问题，长期以来存在较大认识差别，各工程分缝和温控标准也各具特色。已建的中低碾压混凝土坝多依靠低温季节多浇混凝土（特别是基础约束部位），次高温季节浇筑上部混凝土，高温季节停浇。次高温季节浇筑混凝土时，辅助以仓面喷雾、保湿、成品料堆防晒等常规措施解决，一般没有进行混凝土预冷或水管冷却。一些百米级的碾压混凝土坝（如江垭、大朝山、棉花滩）虽有一定温控指标要求，实际施工中也是采取上述同样措施，夏季一般不施工，或仅浇筑上部混凝土等方式实施坝体温控。早期的碾压混凝土重力坝有的既不设纵缝也不设横缝，设横缝时间距也达60m以上，上述大坝大部分产生了劈头裂缝，目前碾压混凝土重力坝一般均按20～40m间距设置横缝。碾压混凝土虽水泥用量少，大量使用掺合料，但由于混凝土发热较慢，且通仓薄层连续施工，难以通过浇筑层面散发热量，对于200m级的碾压混凝土高坝，要在高温多雨环境条件下全年施工，温控问题、层面结合质量问题等显得尤为突出。因此，应根据碾压混凝土本身特点，综合应用仿真技术分析坝体实际温度应力状态，研究确定分缝设计以及不同的施工条件、气候、环境温度下的合适的温控手段，防止或减少温度裂缝的发生。

1.2.2.6 高碾压混凝土坝施工技术

碾压混凝土具有连续快速、大仓面的施工特点，在碾压混凝土发展初期，混凝土入仓一般采用自卸汽车为主的运输方式，但多用于坝高在60.0m以下（或坝体下部的碾压混凝土）、河谷较宽阔、便于施工道路布置的工程或部位。

日本的境川、玉川、真川等工程采用斜坡道运送混凝土，解决混凝土垂直运输问题，其供料线的水平运输，多为自卸汽车，仓面也采用汽车布料，一条斜坡道相当于1台自卸汽车的运输强度，施工强度相对较低。

为解决因大高差运送混凝土产生骨料分离的问题，我国设计、制造了负压溜槽，并得到较好的应用，负压溜槽主要解决因道路布置困难、不便于采用自卸汽车运输的难题，适合于坝肩较陡，即坡度在45°左右V形河谷的工程应用，其供料线的水平运输，多为皮带机和自卸汽车，仓面采用汽车布料。施工设备生产率比斜坡道高（如普定、江垭、大朝山、棉花滩等工程），一般实际生产率平均达150m³/h。

皮带运输机是一种连续的运输机械，生产效率高，对碾压混凝土快速入仓要求适应性较强。以美国ROTEC高速皮带机为代表，带宽650～900mm、带速3.5～4m/s，最大角度达25°。皮带机可在立柱上爬升，适合于坝高、工程量大的工程应用，曾在上静水、柳溪、Miel Ⅰ等碾压混凝土坝工程应用；我国三峡工程三期碾压混凝土围堰，也采用高速皮带机配塔式布料机的入仓方式。塔式布料机平均生产率约为200m³/h。

目前在高碾压混凝土坝入仓方式采用自卸汽车、负压溜槽、斜坡道、高速皮带机、缆机、门（塔）机等多种方式的组合。如我国三峡工程三期碾压混凝土围堰采用2台塔带机配高速皮带运输机、自卸汽车等联合供料，在4个月内将110万m³碾压混凝土施工完成，高峰月强度45万m³。龙滩水电站碾压混凝土不仅坝高、工程量巨大，而且施工强度高，连续、高效、快速的入仓手段是确保大坝全年高强度施工的关键。