再論新概念碾壓混凝土壩的設計

　　摘要：結(jié)合我國近年來在碾壓混凝上壩和常態(tài)混凝上壩的進展，再論新概念碾壓混凝土壩。這種混凝土介于碾壓混凝土和常態(tài)混凝土之間，由稠度(VC值)不同的零坍落度混凝土構(gòu)成。主要利用振動碾壓實，在邊緣、孔洞、接近基巖和有鋼筋部位可使用VC值較低的零坍落度混凝土以高頻振搗器密實。這樣全壩或全斷面都采用零坍落度混凝土，可免除目前常在碾壓混凝土壩中另設置常態(tài)混凝土或改性混凝土的分區(qū)。對這種新概念碾壓混凝土壩的特點和設計中應注意的事項作簡要的闡述。

　　關(guān)鍵詞：新概念碾壓混凝土；常態(tài)混凝上；坍落度；稠度(VC值)；設計 

　　1 新概念碾壓混凝土壩的提出

　　1970年前后，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了一些公路路面、機場跑道等使用碾壓混凝土的報導。這種碾壓混凝土在凝固前的稠度較稠，它的坍落度＝o(或稱干硬性混凝土)，用土壩碾壓方法進行施工，即混凝土的運輸從傳統(tǒng)的料罐改用自卸汽車，振搗器密實改用振動碾碾壓。1961年我國臺灣石門壩的圍堰心墻和1975年巴基斯坦塔貝拉修復工程都采用上法施工。這是最早在水壩局部出現(xiàn)的碾壓混凝土。至1980～1984年日本、英國和美國相繼建成了島地川、霍爾比姆伍德和柳溪等碾壓混凝土壩。1986—1989年我國相繼建成了坑口、天生橋二級、龍門灘、潘家口下池壩等碾壓混凝土壩。它們的特點是高摻粉煤灰、低水泥用量、壩體不分縱橫縫、全斷面澆筑，在迎水面或加瀝青砂漿防滲，或加補償收縮混凝土，或二級配混凝土，或在碾壓?昆凝土面上澆灑水泥等漿液。筆者等通過潘家口和石漫灘兩壩的設計以及室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究，提出了一種新概念(或新內(nèi)涵)碾壓混凝土壩，分別于1995年前后在西班牙召開的國際碾壓混凝土會議及雜志上發(fā)表了多篇淪文(見參考文獻)。

　　2 我國碾壓混凝土壩的進展和技術(shù)進步

　　我國碾壓混凝土壩起步較晚，1986年建成第一座坑口碾壓混凝土壩后，即迎來我國碾壓混凝土壩的建設高潮。迄今短短10年中建成了不同型式、不同風格和具有中國特色的碾壓混凝土壩40余座，高度突破100m的有8座；碾壓混凝上拱壩有8座，其中1994年建成了普定第一座碾壓混凝土拱壩，最高的是沙牌拱壩，高度達132m。我國的碾壓混凝土壩不僅在數(shù)量上、高度上，而且在技術(shù)上都位居國際前列(見表1)。表1以建成時間為序，列出20座國內(nèi)外碾壓混凝土壩有關(guān)參數(shù)和特征。隨時間的推移，最大壩高發(fā)展到200m級，從重力壩發(fā)展到拱壩，甚至薄拱壩，壩的質(zhì)量越來越高。從表1所列出碾壓混凝土壩的有關(guān)參數(shù)看，膠凝材料即水泥和粉煤灰的用量逐漸增大，而稠度VC值(或工作度、干硬度)逐漸更稀，從20±10s逐漸向1～3s、3～5s等發(fā)展。壩體型式由金包銀(即外部用常態(tài)混凝土，內(nèi)部用碾壓混凝土)逐步向外部澆灑水泥等漿液以減低混凝土的稠度(即和易性、工作度等)．使能以振搗密實，有稱加漿混凝土、有稱改性混凝土，亦有改用低稠度(VC值)零坍落度混凝土等。碾壓混凝土壩近年來取得了顯著的進展。

　　2.1  碾壓混凝土壩的稠度VC值和混凝土的坍落度

　　自從上世紀80年代以來，在壩工中除常態(tài)混凝土壩(混凝土壩)外，又出現(xiàn)了碾壓混凝土壩。隨著各自的密實機具(即振搗棒和振動碾)功能的提高，前者(即常態(tài)混凝土)隨著振搗棒功率、頻率和振幅的逐漸加大，使振搗棒能在坍落度更小(即稠度更稠)的混凝土中工作，國外和我國混凝土工程，如二灘拱壩中混凝土坍落度已從過去的5～7、3～5cm降至l～3cm以內(nèi)，使混凝土的質(zhì)量提高并可減少水泥用量；后者(即碾壓混凝土)在初創(chuàng)期，由于振動碾功率的很大，希望取得更好的效益，盡量加大混凝土的稠度，除要求坍落度為零外，在早期的工程中要求它們的稠度VC值如日本等在20±10s左右，而在國內(nèi)也在5～15s左右。而從近年來稠度VC值有逐漸降低趨勢(5—8s左右或更小)，同時還要適當加大水泥或膠凝材料的含量，可以大大加強碾壓混凝土的抗?jié)B性能。從上可知：原本前者的稠度較低，后者的稠度較高，近年來它們發(fā)展背道而馳，前者坍落度趨近零，已降至3～1CHl，而后者的VC值降至5～日s或更小。這說明兩者的稠度逐漸靠攏，但總的看來后者碾壓混凝土的稠度仍比前者常態(tài)混凝土要稠一些，一般說來它的水泥或膠凝材料含量要少些，從經(jīng)濟和快速施工方面看，碾壓混凝土仍占上風，但其抗?jié)B、耐久等性能上則較差。兩種混凝土壩表面上背道而馳，但都異途同歸。如VC值降至3s以下用振動碾壓就會有沉陷而呈彈簧狀況，達不到壓實效果。美國]987年曾在上靜水壩面層中采用坍落度為o.6～1.8Cm的混凝土，成功地以高頻振搗器進行密實，取得了較好效果。我國二灘工程大面積施工中，采用了組合式高頻振搗棒，使大壩坍落度降至2～3cm。這說明如加大振搗棒直徑、功率、頻率及壓重等情況下，有可能在零坍落度混凝土的邊沿部位使用。經(jīng)在潘家門下池壩、石漫灘壩中試驗，在坍落度為零的范圍內(nèi)，VC值降至1～3s，使用高頻振搗棒也是可行的。這樣,兩種不同VC值混凝土性質(zhì)趨于接近。

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　　2.2  水泥和膠凝材料的含量

　　碾壓混凝土為便于碾壓，必需具有較大的稠度，其坍落度必須為零，它的膠凝材料的含量至關(guān)重要，直接影響碾壓混凝土的密實性和各種強度(如壓、拉、剪)指標和抗?jié)B性能。目前碾壓混凝土按膠凝材料的多少大體上分成高、中、低3種。如上述表1中所示：早期美國的柳溪壩等膠凝材料僅66kz/m3(小于100kg/m3)屬低膠凝材料混凝土，由于混凝土質(zhì)量太差，今已不多見；膠凝材料含量100～150kg/m3之間的屬中膠凝材料混凝土，目前國內(nèi)國外多在此范圍內(nèi)。從表1可知：近l0多年來為改善碾壓混凝土的密實度、抗?jié)B性等質(zhì)量和碾壓層間的結(jié)合，膠凝材料有增加的趨勢，近年有超出150kz/m3至200kg/m3或更多，屬于高膠凝材料混凝土。如美國1987年建成的上靜水壩，高90m，水泥用量79kg/m3，而總膠凝材料達252kg/m3,面層混凝土高達374kg/m3。實踐證明，加大膠凝材料對改善層間結(jié)合及增加抗?jié)B性能是有效的，同時也提高了碾壓混凝土壩在強度上、抗?jié)B上的質(zhì)量。如1989年建成的潘家口下池壩和1993年建成的普定壩、1997年建成的石漫灘壩總膠凝材料分別為153kg/m3、188kg/m3和12～184kg/m3。從膠凝材料含量它們都屬高膠凝材料混凝土。這3座壩的碾壓混凝土的各種強度指標都達到了同標號的常態(tài)混凝土的要求，而且抗?jié)B抗凍都能滿足工：程的要求。實踐證明，只要合理地選定零坍落度混凝土的級配和膠凝材料含量，一般說來，碾壓凝土壩對抗?jié)B、抗凍和耐久性如有要求的，官采用高膠凝材料含量是需要的。這是因為有足夠多的膠凝材料含量，在一定水膠比下才能制備出足夠多的膠凝漿液，才能填滿一定數(shù)量砂粒的空隙，才能形成足夠數(shù)量的砂漿，填滿混凝土中粗石料的空隙，這樣才能配制良好的碾壓混凝土。當然對碾壓混凝土的相應級配以及稠度Vc值，外加劑都應給予充分重視。特別是稠度太稠不易壓實，而太稀就不成其為零坍落度混凝土，就成為有坍落度混凝土或常態(tài)混凝土了，不能使用振動碾壓實了。為此稠度VC值是非常重要的，在施工中要嚴格控制。本文提出的新內(nèi)涵的碾壓混凝土壩具有兩種VC值的零坍落度混凝土，一種較稀Vc值在1～3s,之間，可用振搗使之密實；另一種較稠，Vc值可以高些，適宜用振動碾壓實。有人認為前者可否即采用常態(tài)混凝土，筆者認為這樣就等于在碾壓混凝土壩中另設立了常態(tài)混凝土分區(qū)，兩種性質(zhì)懸殊的混凝土相鄰填筑，不僅施工不便，還因它們的水泥含量不同，水化熱不同，各種力學性能如彈模及變形模量不同，相應的應力等也不相同，易出現(xiàn)裂縫和其他不良后果。

　　3 碾壓混凝土壩的設計

　　碾壓混凝土施工不僅是一種新的施工方法。而且這種壩已形成一種新興的壩型。開始只在重力壩中使用，現(xiàn)已發(fā)展  到重力拱壩和拱壩。這種壩斷面的外形輪廓大體上和—般混凝土壩相似，但在壩身細部設計方面，如縱橫縫的布置、廊道、管道及排水孔等設置以及防滲、模板等都有較大的不同。總之，為適應碾壓混凝土新的工藝，碾壓混凝上壩的設計相應地進行必要的生動，就能更加顯示出碾壓混凝上壩的優(yōu)越性。

　　3.1  壩體布置和分縫

　　—般碾壓混凝土壩的施工由于可利用汽車直接上壩，振動碾碾壓，加快施工：填筑進度，水泥用量較少，水化熱降低，對混凝土的溫控有利等，可加大混凝土的澆筑倉面．這就給碾壓混凝土壩的設計提出了要求。一般不很高的壩最好不分或不分橫縫，縱縫間距也可視情況加大或取消。碾壓正混凝土壩可考慮薄層澆筑，連續(xù)上升。在溫控和壩體溫度應力方面。碾壓混凝上壩有，占有利的一面，也有不利的一面，如壩體連續(xù)上升太快，不利于散熱。故還要嚴格按照施工期溫控要求和壩體溫度應力計算分析確定。

　　還應該指出：碾壓混凝土壩最好選用低熱并有微膨脹性能的水泥，這樣有利于擴大澆筑倉面和擴大縱橫縫間距。碾壓混凝土壩的縱橫構(gòu)造往往與常態(tài)混凝土壩不同，由廠碾壓混凝土碾壓需要，—般澆筑倉面很大，視壩的長度除需修建—些：正規(guī)的橫縫外，此外還常用人工造縫，如：①用特制的振動切縫機切縫；②鉆打連續(xù)孔，初凝前以人工或風鎬打孔，或在初凝后鉆孔，使混凝上凝固收縮后形成誘導縫；③預埋分縫板。前兩種造縫都是在碾壓混凝土澆筑后進行。橫縫不—定從基礎開始，也不一定—律豎直通出壩外，但要采取必要措施。橫縫止水上游設，止水下游設誘導縫。—些壩稱亡述諸縫為“短縫”或“半縫”，有的正規(guī)縫必要時還町重復灌漿。

　　在碾壓混凝土壩的設計中除對縱橫縫的間距和結(jié)構(gòu)形式應從有利于碾壓混凝施工和有利于發(fā)揮碾壓混凝土壩的優(yōu)越性出發(fā)考慮外，還應盡量簡化壩體結(jié)構(gòu)，如盡量減少壩身廊道、孔洞或考慮集中布置。廊道、孔洞周圍如需鋪設鋼筋，則可附近采用低稠度(Vc值)二級配零坍落度混凝土并用振搗密實。這樣可避免在廊道孔洞周圍采用常態(tài)混凝土分區(qū)。

　　總之，碾壓混凝上壩要結(jié)合這種壩型施工工藝的特殊要求，從壩體輪廓到細部結(jié)構(gòu)都要進行認真考慮，以利于發(fā)揮碾壓混凝上壩型的優(yōu)越性。

　　3.2  壩面防滲和排水

　　由于碾壓混凝上本身在抗?jié)B及耐久性方面存在的缺點，常用的是日本慣用的“金包銀”模式，即在迎水面及外部采用常態(tài)混凝土，其厚度約3m，橫縫中的兩道止水及排水管均沒在此厚度內(nèi)。橫縫在碾壓混凝土碾壓后用切縫機切開。這種壩實質(zhì)上與常態(tài)混凝壩極為相似。在防滲上是可靠的，但其主要缺點是增加廠施工程序，延緩了施工速度，增加了工程投資。此外在碾壓混凝土壩防滲沒計方面還有以下幾種形式：①在迎水向水面立模，現(xiàn)澆常態(tài)混凝土，或補償收縮混凝土；②在迎水面預制混凝土板，板后加防水上丁織物或瀝青砂漿防水層；③在靠近迎水面附近采用高膠凝材料碾壓混凝土，并在鄰近迎水畫模板附近每層層面上部澆灑水泥漿液或特制膠凝漿液，以利于振搗密實，在寒冷地區(qū)還要求具備—定的抗凍能力；④采用高膠凝材料含量，提高全斷面零坍落度質(zhì)量，包括抗?jié)B、強度、容重等，并在迎水面附近采用振搗使之密實。

　　由于碾壓混凝土即使采取了上述措施，壩體絕大部分還足通過碾壓壓實，其層間結(jié)合終究不如常態(tài)混凝土經(jīng)振搗密實的有把握，除采用廠迎水畫振搗外，還應在迎水畫附近在壩內(nèi)加設排水孔，且排水孔的間距應比一般常態(tài)混凝上壩小 些。這是因為如若沿層畫滲水，加沒排水孔后，滲壓力會減小。有人認為碾壓混凝土壩壩身內(nèi)可不設或少設排水孔。筆者認為：如若采用低膠凝材料碾壓混凝上壩，其壩體不密實，滲漏無法避免，確實沒有必要再設置排水孔。而中或偏高膠凝材料碾壓混凝土壩，其本身混凝上的滲透系數(shù)很小。從—些碾壓混凝土壩的實測資料證明，其抗?jié)B性能兒與常態(tài)混凝土相近，故必需設置有足夠數(shù)量的排水孔。此外，在設計中要核實沿海—層面的抗剪強度，在核算中要注意排水處的滲壓折減系數(shù)，在大壩監(jiān)測中劉此要給子重視。

　　3.3  穩(wěn)定和應力

　　與常態(tài)混凝上相同，碾壓混凝土壩的穩(wěn)定的汁算準則為：

　　K＝(f′V+c′A)/H

式中，K為抗滑安全系數(shù);f′，c′為抗剪強度(指壩與地基接觸面或碾壓混凝土內(nèi)部層面)；A為截面面積；V、H為豎直和水平剪力。

　　應該指出：對碾壓混凝土壩除核算沿建基面截面的抗滑穩(wěn)定和應力外，在壩體內(nèi)部沿碾壓層面也必須進行核算，這是因為碾壓層面往往不如通過振搗密實的結(jié)合可靠，其抗剪指標f′和c′往往不易保證，其值需在現(xiàn)場試驗并經(jīng)類比選定，為安全往往選擇較低數(shù)值。為減少沿碾壓混凝土壩碾壓層面之間的滲水壓力以改善沿該層面的抗滑穩(wěn)定，為此應在壩內(nèi)加密設置壩體排水管。通過一些工程(潘家口、石漫灘、巖灘、普定和龍灘等)試驗成果證明：在同等條件下膠凝材料摻量越大，層面的抗剪強度也越大。據(jù)統(tǒng)計，如膠凝材料含量在150～200kg/m3或更高，只要施工質(zhì)量有保證則碾壓混凝土本身及層間抗剪強度、抗壓抗拉強度、抗?jié)B、抗凍、耐磨以及彈模等均不亞于常態(tài)混凝土。碾壓混凝土有關(guān)的一些參數(shù)，如混凝土的容重、極限位伸值、各種強度特性等都要通過試驗核定。

　　4  結(jié)語

　　結(jié)合我國近年來在碾壓混凝土壩和常態(tài)混凝土壩的進展對《—種新概念碾壓混凝土壩的設計》重新補充論述，認為這種新概念碾壓混凝土符合當今混凝土和碾壓混凝土的發(fā)展規(guī)律，具有新的內(nèi)涵和特點，主要有：

　?、賶误w內(nèi)部由不同稠度(VC值)的零坍落度混凝上組成，均町使用振動碾碾壓予以密實，但當VC值<3s時易沉陷而呈彈璜狀。

　?、跒楸ＷC混凝土的質(zhì)量，內(nèi)外部均采用高膠凝材料(150kg/3m以上)。內(nèi)部VC值可按一般碾壓混凝土要求采用，而外部Vc值通過試驗要求必須在1～3s之間，使混凝土的稠度稀些，這樣可使用高頻振搗器予以密實以增加混凝上的抗?jié)B等性能。

　　③上述外部(包括邊角)VC值為1～3s用振搗密實的混凝土的各種強度(拉、壓、剪)、抗?jié)B、抗凍等與同標號常態(tài)混凝上相近或略有提高。還應該指出：這種混凝土可主要以振搗使之密實，在與內(nèi)部混凝土接觸處還可用振動碾碾壓補強．使它們的抗磨、于縮等性能大大優(yōu)于常態(tài)混凝土。

　?、苓@種新概念碾壓混凝上壩內(nèi)外部混凝土均山坍落度為零的混凝土組成。它們均專門配制，易保證質(zhì)量，儀稠度(或工作度)VC值略有不同，水泥或膠凝材料含量也接近，混凝土的各種力學性質(zhì)如彈模、強度也都接近，故不會像一般碾壓混凝土與常態(tài)混凝土性質(zhì)相差懸殊而造成接觸不好而出現(xiàn)裂縫，有利于提高壩體質(zhì)量和改善壩體應力。

　　這種新概念碾壓混凝土壩符合當今混凝土壩和碾壓混凝土壩的發(fā)展規(guī)侓。規(guī)模宏大的三峽三期碾壓混凝土圍堰內(nèi)外采用不同的稠度（類似本文所說的新概念碾壓混凝土壩）已經(jīng)建成，平均每天上升0.9m，最大日升高4層共1.2m，120m高的圍堰上部90m在120天即建成。這是壩工界的一大壯舉，可見碾壓混凝土壩的發(fā)展前景是非常令人鼓舞的。

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