碾压混凝土坝及面板堆石坝

2.4.1 碾压式混凝土坝

碾压混凝土坝施工

碾压混凝土坝施工

碾压式混凝土坝是用水泥含量比较低的超干硬性混凝土，经碾压建成的混凝土坝。它从根本上改革了常规混凝土的浇捣方法，是将土石坝碾压设备和技术应用于混凝土坝施工的一种新坝型。与常规混凝土坝相比。其主要优点是：

（1）施工工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益。

（2）胶凝材料(水泥+粉煤灰+矿渣等)用量少，一般在120～160kg/m3，其中水泥用量约为60～90kg/m3。

（3）由于水泥用量少，结合薄层大仓面施工，坝体内部混凝土的水化热减小，散热面大，温升可大大降低，从而简化了温控措施。

（4）不设纵缝，节省了模板及接缝灌浆等费用。

（5）可适用大型通用施工机械设备，提高混凝土运输和填筑工效。

（6）降低工程造价。

因此，碾压式混凝土近30年来有长足的发展，随着科学水平的不断提高和经验的积累，今后从数量到规模必将得到更快的发展。

碾压式混凝土坝的剖面设计在体型上应力求简单，便于施工，坝顶最小宽度为5m，上游坝面宜采用铅直面或斜面，应尽量避免折面。

抗滑稳定分析的计算内容应包括沿坝基面和基础深层的抗滑稳定计算。当坝体不设置横缝时，应计算整体抗滑稳定。碾压混凝土坝施工所铺筑的水平面，抗滑稳定分析方法与常态混凝土坝相同，水力计算、强度分析与常态混凝土坝也相同。但在材料、构造与施工工艺等方面需要适应碾压式混凝土坝的特点。

1.材料

碾压式混凝土坝的胶凝材料远比常态混凝土用量少，胶凝材料包括水泥、活性掺合料和外加剂。胶凝材料中粉煤灰在胶凝材料中活性掺合料所占的重量比重，在外部碾压混凝土中不宜超过总胶凝材料的45%，在内部碾压混凝土中不宜超过总胶凝材料的70%。为防止骨料分离，骨料的最大粒径大多数小于80mm，并需级配良好。砂与石子的重量比约在30%。水胶比一般在0.45～0.7之间。碾压混凝土的配合比应由试验确定。混凝土的总胶凝材料用量不宜低于130kg/m3，最低水泥熟料用量应根据工程等级、坝高并通过试验研究确定，一般用量不低于45kg/m3。

碾压混凝土的抗压强度一般采用180天龄期，当坝体开始承受荷载的时间早于180天时，应进行核算，必要时可缩短龄期或调整标号。坝体内部混凝土的标号一般采用一种标号，对于高、中坝亦可按高程或部位分别采用不同的标号。坝体内部混凝土标号的分区宽度，应根据坝体受力状态，构造要求和施工条件确定，一般不小于5.0m。

碾压混凝土的垫层必须采用常态混凝土，根据基础开挖起伏差、温度控制及基础灌浆等要求，其厚度一般为1.0～1.5m。当坝基内存在有断层或软弱带，其弹性模量与基岩弹性模量相差较大时，应进行适当的处理，但不宜增加基础层的厚度。

2.坝体构造

为了保证坝体的抗渗、抗冻、抗冲、耐磨等性能要求，一般在坝基、上下游面及坝顶部位仍采用常态混凝土，内部用碾压混凝土，即所谓的“金包银”结构，见图2-60。坝体上游面2～3m 范围内采用常态混凝土做防渗体，为减少温度应力和防止不均匀沉降，防渗体也要设置横缝，缝内设置止水。当采用富胶凝材料碾压混凝土做防渗层时，其厚度和抗渗等级应满足坝体的防渗要求。

图2-60 坑口碾压混凝土坝横剖面（单位：m）

1-碾压混凝土；2-钢筋混凝土；3-常规混凝土；

4-预制混凝土板；5-沥青砂浆防渗层；6-预制钢筋混凝土板；

碾压混凝土重力坝应不设纵缝，为了适应温度伸缩和地基不均沉降可设置横缝或不设置横缝。横缝的间距一般为15～20m。碾压混凝土重力坝的坝段间横缝一般为非暴露平面连续缝，可由切缝机压入金属片或用其他材料进行人工埋设造缝。坝体排水管可设置在防渗层的下游侧。为了减少施工干扰，增大施工作业面，坝内廊道的层数可适当减少，构造尽可能减化。

坑口水库大坝

3.碾压混凝土坝施工

碾压式混凝土坝施工时，其碾压层厚和碾压方式应根据工程特点、温度控制、施工条件、气候条件和进度安排等确定。表层的常规混凝土与内部混凝土应同步上升。碾压混凝土，分层摊铺，每层厚30 cm～50cm。碾压后间隔一定时间，先进行层面处理，然后再填筑上层。由于水泥用量小，再加上薄层填筑，坝体内的水化热温升大为降低，可简化温控措施。

为防止裂缝，严禁在基础约束范围内长期间歇，并根据结构物布置和受力情况，对重要部位适当布置水平防裂钢筋，以限制裂缝开展。

2.4.2 混凝土面板堆石坝

混凝土面板堆石坝是以堆石体为支承结构，采用混凝土面板作为坝的防渗体，并将其设置在堆石体上游面，如图2-61所示。

图2-61 西北口混凝土面板堆石坝断面

西北口混凝土面板堆石坝

西北口混凝土面板堆石坝

混凝土面板堆石坝的上游坡较陡（一般为1:1.3～1:1.4），可比粘土斜墙堆石坝节省较多的工程量；防渗面板与堆石施工没有干扰，混凝土面板可用滑动模板浇筑，大大提高了施工速度；且不受雨季影响。同时，由于坝坡陡，坝底宽度小，可缩短坝内埋管的长度。在面板浇筑前对堆石坝坡进行适当保护后，可宣泄部分施工期的洪水。因此，造价省、工期短是混凝土面板堆石坝的突出优点，近年来得到了快速发展。

这里仅对混凝土面板堆石坝的主要构造作一简单介绍。

1．趾板

如图2-62所示，趾板通常建在坚硬、抗冲蚀、可灌性好的新鲜基岩上，其作用主要是将坝身防渗体与地基防渗结构紧密结合起来，提供地基灌浆的压重，同时也可作为面板底部的支撑和面板滑模施工的起始点。

当趾板地基岩石破碎、裂隙发育时，应对地基进行固结灌浆。另外，根据坝基防渗需要，需在趾板中部进行帷幕灌浆，因此，趾板中需埋设灌浆管，并用钢筋将趾板锚固在基岩上，以保证防渗系统的紧密性。趾板插筋可按经验设置，一般采用直径25～35mm砂浆锚杆，间距1.2～1.5m，长3～4.6m，用90°弯钩与面筋连接。

趾板的宽度需根据岩石地基容许水力梯度确定，一般可采用1/10～1/20水头，为便于灌浆施工，趾板宽度应不小于3m。高坝趾板宽度可根据水头大小分段采用，并在施工缝处按折线改变其宽度。趾板厚度一般为0.5～1.0m，最小设计厚度应不小于0.3m，并可按高程分段采用不同厚度。

趾板的结构应力较小，一般在趾板内布置一定数量的温度钢筋。趾板钢筋的各向含钢率可按照平板段设计厚度的0.3%采用，钢筋采用单层双向，保护层厚度为10～15cm。软基上趾板的钢筋宜布置在板的中央，单层双向，各向含钢率为0.3%～0.4%。为适应温度变化、地形变化和混凝土干缩的影响，趾板可沿坝轴线方向每隔6～8m设置伸缩缝一道，缝内应设止水并需与面板周边缝内止水焊接牢固。

图2-62 趾板体型及分部名称

2．混凝土面板

混凝土面板是坝体的重要防渗设施，支承在压实的碎石垫层上，并将水压力传递给堆石坝体。混凝土面板应满足以下要求：①渗透系数要小，以满足防渗要求；②有足够的抗风化、抗冰冻能力，以满足耐久性要求，在高寒地区抗冻性应成为面板混凝土设计的主要控制指标之一；③有足够的强度和抗裂性能，能承受一定的局部不均匀变形；④有足够的柔性，以适应坝体的变形。

混凝土面板的厚薄直接关系到面板混凝土方量大小。大多数观测资料表明，在水荷载作用下，面板变形和堆石体变形特性密切相关，而与面板的厚度关系不大，而且薄混凝土面板更能适应堆石体变形。混凝土面板的厚度应满足下列要求：①便于在其中布置钢筋和止水，其相应最小厚度为0.3m；②控制渗透水力梯度不超过200；③在达到上述要求的前提下，应选用较薄的面板厚度，以提高面板的柔性。根据经验，面板顶部厚度一般取0.3m，并向底部逐渐加厚，在相应高度处的厚度可按式（2-70）确定：

 （2-70）

式中：—面板厚度（m）；

H—计算断面至面板顶部的垂直距离（m）。

对中低坝，也可采用0.3～0.4m等厚面板。

为防止面板发生较大变形，面板中需配置钢筋网。面板中钢筋一般采用单层双向布置，位置在面板截面中部，每向配筋率约为0.3%～0.4%，水平向配筋率可少于竖向配筋率。在面板拉应力区或岸边周边缝及附近处还可以适当配置增强钢筋。对于高坝在邻近周边缝的垂直缝两侧还应适当布置抵抗挤压的构造钢筋。钢筋的设置应不影响接缝止水安装及其附近混凝土振捣质量。

3．堆石体

堆石体是混凝土面板堆石坝的主体部分，主要用来承受荷载，因而要求堆石体压缩性小、抗剪强度高，在外荷载作用下变形量小，且应具有一定的透水性。在进行混凝土面板堆石坝设计时，一般结合面板堆石坝的工作特点和筑坝材料的储量，将堆石体分为不同的区域，并对不同区域采用不同的石料和填筑标准，以达到降低工程造价，减少弃料数量。从上游向下游一般可分为垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区等。另外，在周边缝下游侧设置特殊垫层区；对100m以上高坝，还宜在面板上游面的低部设置上游铺盖区及盖重区。如图2-63。

图2-63 面板堆石坝主要分区示意图

1—上游铺盖区（1A）；2—盖重区（1B）；3—垫层区（2A）；4—特殊垫层区（2B）; 5—过渡区（3A）; 6—主堆石区（3B）; 7—下游堆石区（3C）；8—下有护坡（3D）;9—可变动的主堆石区与下游堆石区界，角度依坝料特征及坝高而定；10—剖石区（或滤水坝趾区）（3E）; 11—混凝土面板（F）

（1）垫层区

垫层区（2A）必需选用质地新鲜、坚硬且具有较好耐久性的石料，可采用经筛选加工的砂砾石、人工砂石料或者由两者混合掺配。高坝垫层料应具有连续级配，一般最大粒径为80～100mm，粒径小于5mm的颗粒含量为30%～50%，小于0.075mm的颗粒含量少于8%，垫层料经压实后应具有内部渗透稳定性、低压缩性、高抗剪强度，并应具有良好的施工特性。垫层施工时每层铺筑厚度一般为0.4～0.5m，用10t振动碾碾压4遍以上。对垫层上游坡面，由于重型振动碾难于碾压，还应进行斜坡碾压。

垫层上下游面之间水平宽度应根据坝高、地形、施工工艺和经济比较确定。垫层顶部水平宽度一般可采用3～4m，向下逐渐加宽，坝高100m以下的面板堆石坝也可考虑采用上下等宽的垫层。

对于周边缝附近的特殊垫层区（2B），可采用最大粒径小于40mm且内部稳定的细反滤料，经薄层碾压密实，以尽量减少周边缝的位移，同时对缝顶粉细砂、粉煤灰等也起到反滤作用。

（2）过渡区

过渡区（3A）介于垫层区和主堆石区之间，起过渡作用，材料的粒径、级配和密实度要介于两者之间。由于垫层很薄，过渡区实际上是与垫层共同担负面板传力作用。此外，当面板开裂或止水失效而漏水时，过渡区还具有防止垫层内细颗粒流失的反滤作用，并保持自身的抗渗稳定性。过渡区石料粒径要求可比垫层适当放宽，最大粒径一般为300～400mm。该区水平宽3～5m，分层碾压厚度为0.40～0.5m。

（3）主堆石区

主堆石区（3B）是面板坝的主体，是承受水压力的主要部分，它将面板所受到的水压力传递到地基，该区石料既要具有足够的强度和较小的压缩量，还有一定的透水性和耐久性。石料应级配良好，以便碾压密实，变形量小，宜采用硬岩（指饱和无侧限抗压强度大于或等于30MPa的岩石）堆石料或砂砾料填筑。填筑层厚约0.8～1.0m，最大粒径600mm，用10t振动碾碾压4遍以上。

（4）下游堆石区

下游堆石区（3C）承受水荷载较小，其压缩性对面板变形影响较小，石料最大粒径可达1500mm，填筑层厚约1.5～2.0m，用10t振动碾碾压4遍。该区在坝体底部下游水位以下部分，应采用能自由排水的、抗风化能力较强的石料填筑；下游水位以上部分，可以采用较低的压实标准，或质量较差的石料，如各种软岩料、风化石料等。

另外，对混凝土面板上游铺盖区材料（1A）可采用粉土、粉细砂、粉煤灰或其它材料；上游盖重区（1B）可采用渣料填筑；下游护坡可采用干砌块石，或由堆石体内选取超径大石，运至下游坡面，以大头向外的方式码放。

关于堆石坝体垫层区、过渡区、主堆石区及下游堆石区材料的填筑标准，一般应根据坝的等级、高度、河谷形状、地震烈度及料场特性等因素，并可参考同类工程经验综合确定。当按经验初步确定时，可参考表2-16中数值。

表2-16 坝料填筑标准

料物或分区	孔 隙 率 （%）	相 对 密 度
垫 层 料	15～20
过渡层细堆石料	18～22
主堆石区堆石料	20～25
下游区堆石料	23～28
砂砾石料		0.75～0.85

4. 面板接缝及止水

为更好地适应坝体的变形，防止面板发生裂缝漏水，满足滑模施工要求等，需对面板进行分缝。由于在面板的不同部位，缝的工作条件相差较大，因而混凝土面板缝的设置需采取不同的型式以满足各自的要求。

5.面板堆石坝的计算分析

由于面板堆石坝的防渗面板设于坝体上游面，其后堆石体透水性大，因而堆石体内浸润线很低，不存在水的渗透压力和孔隙水压力等问题。

混凝土面板堆石坝的稳定分析通常可采用折线法，可通过试算求出最危险滑动面及最小安全系数，计算方法同土石坝。

对于高坝或地形地质条件复杂的坝，可采用有限元分析方法，对混凝土面板及坝体进行应力和变形分析，而对低坝，可用经验方法估算其变形。

知识点：碾压混凝土坝及面板堆石坝

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