浅析碾压混凝土坝

浅析碾压混凝土坝

-------以龙滩水电站为例

姓名： 学号： 摘要：随着碾压混凝土筑坝技术的应用和普及，碾压混凝土大坝建造施工技术已成为水利工程大坝首选坝型技术之一，它具有施工速度快和工程造价低的特点，受到业主和设计单位的青睐。本文介绍了碾压混凝土坝施工技术的优点，指出了当前碾压混凝土坝工程建造施工中存在的问题，重点对碾压混凝土坝施工技术要点进行了分析。并以龙滩水电站为例具体说明了碾压混凝土的应用。 关键词：碾压混凝土坝；施工技术；技术要点；龙滩水电站

碾压混凝土施工技术是干硬性混凝土建造水利大坝的重要施工工艺之一，振动碾压施工方法是一种非常好的混凝土施工技术。它的机械化程度比较高，大大的缩短了水利大坝的建设工期，科学合理的简化了施工的工序，可以有效的降低混凝土大坝的投入资金，这种技术打破了原来传统的混凝土水利大坝的浇筑方式，已经成为了现代水利工程大坝普遍采用的坝型之一。

一、碾压混凝土坝施工技术的优点

碾压混凝土(RCC)作为一种干硬性混合料，无塌落度，施工方法接近于土石坝的填筑方法，采用通仓薄层铺料，振动碾压压实。与常规混凝土相比，无论在材料消耗、施工效率，还是其本身性能等方面都有明显的优越性。

1.施工速度快，建设周期短。RCC可全断面上升，其上升速度可达到15～25m／月。因此，比常态混凝土坝的工期可缩短l／3～l／2。

2.坝体结构简单而经济。由于RCC取消了纵缝和灌浆系统，不需要一期冷却和二期冷却，同时，横缝可达到30～80m一条。这种横缝不需要立摸，只需在RCC每层碾压完毕后用截缝机在现场截缝即可。所以能够节约大笔材料费和人工费。

3.可用当地骨料，一般不要特殊处理。常态混凝土能用的砂砾料或人工碎石料，RCC都能用。特别是人工碎石的石粉，常态混凝土不能用，而RCC可以用。一般砂中可达8%～17%。如用石灰岩石粉还可节约水泥，同时可改善RCC的可压性能，如普定RCC，掺l7%的灰岩粉后，RCC的水泥用量可降到50kg／m 3。如果施工过程中，仓面万一泌水，可减少粉煤灰掺量，加大石粉掺量来改善RCC的性能。

4.施工期可以坝顶泄流。RCC在施工过程中，如遇洪水(超过设计施工洪水频率)时，RCC可以允许过水，而且不需要采取常态混凝土重力坝的纵缝通水平压措施，同时还不致于因水流过坝造成冷击应力裂缝。

二、碾压混凝土坝施工技术要点分析 1.混凝土配合比设计 目前，各国在进行碾压混凝土配合比选择时，采用的配合比参数和计算方法不尽相同，但不论采取何种方法，只要选择适当，均能配制出优质的碾压混凝土。比较好的方法是：①以少量的试验工作能方便可靠地获得所需配合参数；②当混凝土原材料，混凝土生产及施工条件发生变化时，能迅速得到新条件下的参数调整值；③尽量接近常规方法，简化调整时的工作，以利于推广应用。在进行碾压混凝土配合比参数选择时，必须根据实际工程和施工条件，以及设计要求的技术指标，选定混凝土拌和物稠度(即VC值)控制范围；骨料最大粒径及级配；混凝上

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的保证强度等基本配合条件。

2.层面处理

层面处理是影响碾压混凝土坝安全稳定的一个重要问题，尤其是高坝尤为重要。解决此问题除了处理好骨料离析问题和改善层面条件以外(如保持层面湿润、清除层面上浮浆皮、松散物和过量集水及污物)，要求着重控制好碾压混凝土的初凝时间。坑口碾压混凝土重力坝对层面处理的要点是：当气温在13℃以下、层面间隔时间在16 h以内时，不做任何处理直接在碾压混凝土层面上铺筑上层混凝土；当层面间隔时间超过16 h，且在24 h以内时，在层面铺筑1.5cm厚的水泥砂浆再铺筑上层碾压混凝土；当层面间隔时间超过24 h，则用低压水冲洗混凝土层面，并铺筑1.5cm厚的水泥砂浆后再铺筑上层碾压混凝土。

3.防渗

1)斜层铺筑技术

碾压混凝土斜层铺筑法是相对传统的铺筑方法而言的，即将传统的水平摊铺碾压层改为1：10～1：20的斜层。采用斜层坡度合理、平推方向合适的斜层平推铺筑法施工的碾压混凝土，其层面抗渗能力可以达到或接近碾压混凝土本体的抗渗性能，使碾压混凝土本身即可承担起坝体防渗的任务，不再需要其他的辅助防渗措施。

2)自防渗技术

碾压混凝土的防渗形式主要有以下3种类型：“金包银”模式、碾压混凝土自防渗、在坝的上游面另做防渗层等。自普定拱坝成功采用二级配碾压混凝土自防渗技术以来，当前在我国已普遍采用第二种模式，即采用三级配碾压混凝土做大坝主体，其上游采用二级配碾压混凝土作防渗结构，在坝体上游面采用二级配富胶凝材料碾压混凝土自身防渗。

4.完善和拓展变态混凝土

坝体结构物周边及坝基(肩)部位受钢筋、模板拉筋或基岩的限制，实施碾压混凝土非常困难，一般需配备小型碾压设备处理，这就大大降低了碾压混凝土整体施工效率。将一定浓度的水泥浆洒入靠近模板的碾压混凝土中，用插入式振捣器振捣，这便是变态混凝土的初级阶段。由于变态混凝土的“变”是在仓面最终完成，拌和楼不必频繁变换混凝土类型，做到了与碾压混凝土同步上升，使得碾压混凝土施工更加简洁流畅。

5.温度控制

虽然碾压混凝土胶凝材料用量少，并用粉煤灰代替部分水泥，水化热较常规混凝土少，但是，一般情况下，碾压混凝土坝体不设置冷却水管，所以碾压混凝上施工的温控要求更为严格。由于碾压混凝土特有的性念，比浇常规混凝土其温度提升更快，因为松散状态的碾压混凝土颗粒间充满了流动的空气，加快了碾压混凝土与外界的热交换。因此运输路程应尽量短，碾压应及时。另外，尽量减少碾压混凝土层面在空气中的暴露时间，加快铺筑速度。

三、龙滩水电站 1.电站简介

龙滩水电工程位于红水河上游的广西天峨县境内，距天峨县城15公里。坝址以上流域面积98，500平方公里，占红水河流域面积的71%，其装机容量占红水河可开发容量的35-40%，是国内在建的仅次于长江三峡的特大型水电工程。龙滩水电站是南盘江红水河水电基地10级开发方案的第四级，是红水河开发的控制性水库。上游为平班水电站，下游为岩滩水电站。电站具有较好的调节性能，

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发电、防洪、航运等综合利用效益显著，经济技术指标优越。

2.电站枢纽

龙滩水电站计划分两期开发，主体工程之一的拦河重力坝也将分两期施工：初期建设时，正常蓄水位375米，坝顶高程382米，最大坝高192 米，坝顶长735.5米，后期正常蓄水位400米，坝顶高程406.5米，最大坝高216.5米，坝顶长830.5米。坝址河谷宽高比约3.5，是较宽阔的V型河谷。枯水期河水面宽约100 米，水深13～19.5米。坝基岩石为三叠系砂岩夹泥板岩，以砂岩为主。经大量勘探，坝基下未发现缓倾角断层，缓倾角节理相对不发育，无深层滑动的可能。

3.枢纽布置

碾压混凝土重力坝方案的研究始于1990年2月。起初，着重研究的是大坝采用碾压混凝士的技术可能性和经济合理性。在原常态混凝士坝的坝体布置和坝体断面不变的情况下，用碾压混凝土代替内部常态混凝土，上下游均用常态混凝土包裹，碾压混凝土的高度控制在120米、150米或160米等范围内，建基面上是很厚的常态混凝土垫层。分析结果认为，龙滩重力坝采用碾压混凝士是完全可行的和经济的，坝体碾压混凝土量越多，施工速度越快，经济效益越显著，但按上述指导思想设计的碾压混凝土坝在胶凝材料用量、总投资和工期上，与常态混凝土重力坝差别不大，因此，建议调整枢纽布置，改进坝体断面和坝体结构设计，使其适应于碾压混凝土大仓面快速施工的要求。

要调整枢纽布置，其原则是简化坝体结构，使厂房引水系统与泄水建筑物分离，使大坝采用碾压混凝土的部位相对集中。在设计院对枢纽布置方案进行大量比较研究的基础上，1992年12月，原能源部委托水利水电规划设计总院在北京主持专题会议，最终审定龙滩水电站厂房布置采用全地下厂房方案。该方案无坝后厂房，坝体结构简单，施工干扰小，最符合大坝采用碾压混凝土的坝体布置要求，从而为大规模采用碾压混凝土创造了条件。

4.大坝的断面设计

枢纽布置尤其是坝体布置确定之后，扩大坝体碾压混凝土范围的唯一途径是尽量提高碾压混凝土坝的高度。然而世界范围内正在建设中的碾压混凝土坝的最大高度仅150米，为了更多、更高、更快地应用碾压混凝土筑坝技术，\龙滩碾压混凝土重力坝结构设计及施工方法研究\被列为国家\八五\攻关的专题，经开展科研攻关和设计研究，取得了重大突破。

由于分期建设，大坝的断面分为初期断面和最终断面，初期断面设计既要尽量减少初期建设时的坝体混凝土工程量，又要为后期加高创造必要的和有利的条件。经多方案对比和初设审查会议确定：大坝加高方式为平行后帮式（贴坡式）。大坝碾压混凝土高度越高，设计要求的层面抗剪断强度参数也越高。而选择层面抗剪断强度参数的设计值是一个十分复杂的问题，关键是胶凝材料含量、层间间歇时间和气温条件。根据已经完成的现场碾压和原位抗剪断试验成果并考虑大坝实际施工时使用合理的碾压混凝土配合比，采用先进的设备和工艺，精心施工和严格控制质量，龙滩大坝在给定的设计体形下完全可以实现从底到顶的全高度碾压。

5.坝体应力及稳定复核

坝体应力及稳定分析，结合\八五\攻关，采用多种计算方法进行计算，并对基本参数进行了敏感性分析。

对坝体应力而言，无论是高坝应力条件还是由于分期建设带来的不利影响，

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均属局部强度要求问题，对大坝体形参数的选择不起控制作用。如大坝加高时，后帮混凝土的温降对坝踵应力的不利作用，可以通过提高该区域混凝土的抗拉强度和减少后帮混凝土温升等措施来解决。

对坝体稳定而言，沿坝体内碾压混凝土层面的抗滑稳定问题显得尤为突出。由于已往的设计经验不多，对荷载计算、选择层面抗剪（断）强度参数、计算公式以及安全系数（或者安全度）等问题做过较多的探索。综合分析的结论是，龙滩大坝采用全高度碾压，胶凝材料用量200千克/立方米左右，结合现场试验成果分析，沿层面抗滑稳定安全性是有保证的。即使由于施工不慎，c'值降低较多，大坝的整体稳定仍有相当高的安全度。

6.坝体的结构设计 除了坝体体形之外，对维持大坝稳定起重要作用的还有坝体结构，如碾压混凝土层面结构和强度、材料分区、防渗排水结构、分缝与止水结构。合理的坝体结构设计，不仅应保证大坝安全，而且应方便施工。

碾压混凝土层面结构和强度，应结合混凝土配合比设计、施工方法和施工工艺的研究，确保沿层面抗滑稳定安全系数满足设计要求。对于坝体底部层面建议向上游倾斜2。左右，以利于提高大坝的抗滑稳定安全系数。坝体碾压混凝土的分区从底到顶分成三个区域，每个区域根据施工条件、坝体应力和稳定条件提出主要性能指标要求。防渗排水结构除要求坝体本身有较高的防渗性能外，上游面还应设置单独的防渗面层，紧接坝体防渗体后设置排水廊道和排水孔，并考虑河床坝段底部一些碾压混凝土层面上设排水孔与基础排水廊道相贯通，以确保坝体内部碾压混凝土层面上的扬压力低于设计值。坝体碾压混凝土横缝根据坝体结构和温控要求确定，坝体的防裂措施和温控标准尚在研究之中。

坝体止水设计，吸取常规混凝土重力坝横缝止水设计的经验教训，对止水结构布置及其与上游防渗结构和坝基岩体中的防渗帷幕的连接给予了足够的重视，从而可以保证整个上游面的不透水性能。

四、龙滩水电站将科技攻关与设计优化相结合，已取得的关键科技成果有以下几方面：

1.枢纽布置优化

红水河龙滩水电站，初期蓄水位375 米，装机420万千瓦，最大坝高192米，坝体混凝土532.2万立方米；后期正常蓄水位400米，装机540万千瓦，最大坝高216.5米，坝体混凝土浇筑量约680万立方米。初步设计审定的枢纽布置方案为：常态混凝土重力坝、河床坝段布置泄水建筑物；发电厂房为河床坝后厂房（装机5台）、左岸地下厂房（装机4台）；通航建筑物布置于右岸。该方案简称为“5+4”方案。在初步设计审定方案的基础上，比较了“5+4”方案，并重点补充研究了“0+9”方案（全地下厂房方案），为碾压混凝土坝快速施工创造了更为有利的条件。最后设计推荐“O+9”方案，该方案的优点为：（1）“0+9”方案因坝后无厂房，坝上无进水口，坝内无钢管，简化了坝体结构，减少了厂坝施工的干扰，增大了坝体碾压混凝土的应用范围，有利于碾压混凝土的快速施工，使整个土建工程可提前一年发电。（2）红水河汛期长，流量大，施工期渡汛和泄洪消能问题存在一定难度。取消坝后厂房，不仅可以简化导流措施，而且可以使永久泄水建筑物的布置更灵活。（3）“0+9”方案因坝后无厂房，坝内无钢管，增强了上部坝体的刚度，有助于改善坝体应力，尤其是地震作用下的坝体应力。（4）该方案只有一个厂房，便于运行管理和维修，便于坝体二期加高和提高正常蓄水位。

“0+9”方案于1992年12月召开的龙滩水电站厂房布置方案审查会上审查通

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过。

2.材料特性的试验研究

为了了解碾压混凝土特性，特别是层面抗剪断参数能否满足建造200米级高碾压混凝土重力坝的要求，进行了混凝土配合比优选，缓凝减水剂的研制及大规模的现场碾压试验。从1990年10月至1992年12月，在气候条件相近、原材料基本一致的岩滩土地，模拟了常温条件与高气温条件的施工情况，先后进行了3次共10种工况的大规模现场碾压试验与现场原位抗剪断特性等试验，碾压混凝土总量达819米，原位抗剪断试块284块。通过大量的试验资料分析研究，基本搞清了影响碾压混凝土材料特性，特别是层面抗剪断强度的主要影响因素如环境条件，尤其是气温与蒸发量、胶凝材料用量、层间浇筑间歇时间及处理措施等。只要这些主要因素控制得当，就可以满足龙滩200米级高碾压混凝上重力坝的建设要求。

3.大坝体型与结构的优化研究

根据现场试验的碾压混凝土材料特性，对大坝体型与结构进行了优化，经研究采用了以下几项主要措施：（1）大坝采用富胶凝RCC材料，在6米厚垫层之上，全高度采用RCC进行浇筑；（2）坝上游面设置专门的钢筋混凝土防渗面板（1米厚）；（3）在确保大坝安全的条件下，体型设计追求最小混凝土工程量，断面尺寸与常态混凝土坝比较无需特殊扩大；（4）在计算坝基面扬压时，计入抽排减压效果，纵横向排水廊道设置在坝基常态混凝土垫层内；（5）尽量简化坝体结构，扩大坝体采用碾压混凝土的范围。

优化后的龙滩碾压混凝上重力坝断面，底宽168.5米，最大坝高216.5米，宽高比0.78。优化设计最后采用的体型与结构能满足坝基面和坝内任一计算截面稳定和应力的设计要求，已突破了“八五”攻关原定的碾压混凝土150米级高度，使碾压混凝土高度达到200米，为目前世界之最。大坝采用碾压混凝土方量为335万立方米为原设计初期大坝混凝土量532．2万立方米的63%。

龙滩工程经几年来的科技攻关与设计优化，较初设时审定方案除发电工期有可能提前外，尚可节约坝体混凝土量35万立方米土石方开控150多万立方米，可节约人民币2亿元以上。

六、结语

龙滩水电工程荣获FIDIC百年工程项目奖，将龙滩水电工程推到了世界一流的工程平台上。 2007年龙滩大坝被国际大坝委员会授予碾压混凝土里程碑工程奖。《水电站过渡过程关键技术与工程实践》、《高坝工程泄洪消能新技术的开发与应用》，《200米级高碾压混凝土重力坝关键技术》、《岩石力学智能反馈分析方法及其工程应用》分别获2008年、2009年，2010年度国家科学技术进步二等奖。

随着碾压混凝士研究和应用水平的不断提高、科学技术的进步及先进施工机具的不断涌现，碾压混凝土筑坝技术会得到更加广泛的应用，其优越性也会得到更加充分的体现。因此，我们要加强学习，对新理论新方法新问题做出科学合理的研究分析，以促进我国的水利工程建设可以更好的发展。

参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/h32.html