1.2　碾压混凝土坝类型

1.2.1　按碾压混凝土坝型分类

碾压混凝土坝按坝型主要分为重力坝和拱坝两种。碾压混凝土拱坝又分为重力拱坝和拱坝两类。

(1)碾压混凝土重力坝。碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝设计准则基本相同，因混凝土材料性质和筑坝方法差异导致设计有所区别，需统筹考虑混凝土材料、坝体结构设计、附属建筑物、孔洞和构件布置，以充分发挥碾压混凝土快速施工优势。

1)结构设计。碾压混凝土重力坝设计应保证坝体稳定，满足强度、抗渗性和耐久性要求，因当前碾压混凝土重力坝多采用全断面通仓薄层浇筑连续上升工艺，碾压混凝土坝的内部温度及应力分布与常态混凝土坝有较大不同，通常采用有限元法进行分析研究。高碾压混凝土重力坝的碾压层面结合质量对坝体的抗滑稳定极为重要，连续铺筑法层面结合效果良好，钻孔取芯率一般超过98%，芯样的碾压层面折断率在5%～8%之间，龙滩水电站工程钻取芯样的层面折断率仅为2.5%。

坝体结构设计与总体布置应尽可能简单，简化坝体结构，合理分块分缝，做好防渗结构，简化排水、观测设备、辅助设施和坝体廊道布置，减少坝体孔洞，合理布置厂房，溢流坝面采用台阶消能，坝下游坡也常采用混凝土预制块形成阶梯状台阶，以利于充分发挥碾压混凝土快速施工的优点，加快进度、缩短工期、降低造价。

2)坝体分缝分块。早期为满足碾压混凝土大仓面机械化施工需要，有些重力坝曾采用整体式结构，不设纵横缝或设置的横缝间距较长，较易产生劈头裂缝。随着轻便切缝设备研制和机械切缝、诱导缝技术的发展，目前碾压混凝土重力坝一般不设纵缝，横缝结构有永久横缝和诱导缝两种，间距一般为20～30m。

3)配合比设计。初步设计特别是高碾压混凝土坝设计应重视碾压混凝土配合比选择和层面处理方式。高碾压混凝土坝应进行生产性碾压试验，特殊工程的生产性碾压试验须专门设计。龙滩水电站重力坝进行了大量的生产性试验，成果表明，在夏季高温气候条件下碾压混凝土层面黏聚力可达到2.0MPa以上、摩擦系数大于1.2。

优化混凝土强度等级分区，不少工程碾压混凝土仍采用90d设计龄期，大量工程试验成果表明180d或更长龄期的碾压混凝土，其物理力学性能有较大潜力，可根据实际情况进一步推广应用180d设计龄期碾压混凝土，充分利用碾压混凝土后期强度。

4)防渗结构。早期在中低坝中先后探索过沥青砂浆护面、预制混凝土模板嵌缝、预应力补偿收缩钢筋混凝土、PVC膜等防渗结构型式，后来又多采用“金包银”模式。目前，我国普遍采用了二级配富胶凝材料碾压混凝土为主外部增加变态混凝土的复合型防渗结构体系，其防渗效果可满足W10、W12的抗渗指标要求，少数高坝在上游面附加了防渗涂料保护。

5)混凝土温度控制。通仓浇筑的碾压混凝土重力坝和柱状跳块浇筑的常态混凝土重力坝在基础温差、上下层温差、内外温差、坝体温度和温度应力分布等方面都有较大差别，碾压混凝土高坝应采用三维有限元法进行坝体温度控制分析，提出合理的温度控制标准及防裂措施。碾压混凝土具有水泥用量小、粉煤灰掺量高、绝热温升小、水化热温升慢、温度分布均匀等特点。温度控制设计应根据材料性能、结构尺寸、气候条件、铺筑层厚、连续升程及间歇方式，并结合仓面降温散热措施等进行研究，合理安排施工时段，降低温度控制难度。

(2)碾压混凝土拱坝。拱坝主要利用拱圈和坝体强度来承担挡水荷载，常态混凝土拱坝通常采用柱状跳块浇筑、均衡上升工艺，常采用预埋冷却水管后期冷却将坝体冷却到最终稳定温度，在水库蓄水前，进行接缝灌浆封拱，形成拱圈效应。碾压混凝土拱坝原理类似于常态混凝土拱坝，适宜于在狭窄和陡峭峡谷中建设，具有体积小、投资省、成本低、施工速度快等特点。主要不同之处在于拱坝分缝与施工工艺，碾压混凝土拱坝一般采取全断面通仓薄层碾压、连续上升施工工艺，碾压混凝土拱坝的分缝结构型式和应力分布也与常态混凝土拱坝不同，两种坝体的温度应力场也就有明显差异。按结构型式碾压混凝土拱坝可分为重力拱坝和拱坝两种类型。

1)体型及断面选择。狭窄的V形河谷一般适于修建拱坝，较宽阔的U形河谷适于修建重力拱坝。拱坝通常采用试载法或三维有限元法进行结构分析。由于碾压混凝土拱坝通常采用通仓浇筑(设诱导缝)，拱坝温度应力复杂，一般应进行详细的三维有限元分析，确定是否设置收缩缝，以及设缝间距。拱坝的应力水平通常高于重力坝，碾压混凝土设计强度也比大部分碾压混凝土重力坝的设计强度高，进行碾压混凝土拱坝配合比设计时应充分考虑尽可能多地掺加活性材料，降低碾压混凝土水化热温升。

碾压混凝土拱坝的平面布置型式与常态混凝土拱坝相似。如普定拱坝采用的是定圆心、变半径、变中心角的等厚、双曲非对称拱坝。沙牌拱坝采用了三心圆单曲拱坝。

碾压混凝土拱坝的断面选择也与常态混凝土拱坝无本质区别。拱坝的上游坝坡除溪柄溪坝有1：0.082的斜坡外，一般均为垂直，拱坝一般设有溢流设施，部分拱坝采取了坝体上游面的反坡倒悬结构，有利于改善坝体的应力状态。

2)分缝型式。碾压混凝土拱坝的分缝除要考虑满足温控防裂等要求外，还应充分考虑碾压混凝土仓面快速施工的要求。分缝型式一般设置为横缝和诱导缝。横缝是贯穿坝体上下游的连接缝，采用切缝机切缝;诱导缝则是部分缝面用预制混凝土块隔断，局部辅以振动切缝方法造缝形成断续缝，预制块之间用可重复灌浆的灌浆管路组成可重复灌浆体系。

普定水电站拱坝采取坝肩一道横缝、坝体两道诱导缝的分缝型式，诱导缝内设有灌浆管，在缝张开时能够多次灌浆;沙牌水电站拱坝采用了4条诱导缝并研发了可重复灌浆系统;大花水水电站和龙首水电站拱坝采用拱坝加重力坝的混合式布置，拱坝除设两条诱导缝外，还设置了周边缝;溪柄水电站拱坝和石门子水电站拱坝采用了应力释放短缝结构分缝，即在大坝上游面靠近坝肩附近约4～6m处，上游面设置2条伸入坝体的短缝，短缝长度约为该部位拱坝厚度的1/3，缝末端设有止缝结构，上游设有止水;石门子水电站拱坝温度应力突出，在上游面增设了柱式铰，下游面中间增设一条短缝，取得了良好效果。

1.2.2　按设计理念及碾压混凝土胶凝材料用量分类

按设计施工理念及碾压混凝土胶凝材料用量可分为贫胶凝材料碾压混凝土坝、RCD碾压混凝土坝、中胶凝材料碾压混凝土坝、富胶凝材料碾压混凝土坝等四大类。碾压混凝土坝分类见表1-3，其中，“硬填料坝”和胶凝砂砾石坝归类于贫胶凝材料碾压混凝土坝。

早期的碾压混凝土坝多采用低胶凝材料用量的贫胶凝材料碾压混凝土，随着碾压混凝土筑坝技术日趋成熟，特别是高碾压混凝土坝筑坝建设发展，目前多采用富胶凝材料碾压混凝土。

(1)贫胶凝材料碾压混凝土坝。该类坝碾压混凝土混凝土胶凝材料(硅酸盐水泥和掺合料)用量一般小于100kg/m3，掺合料掺量小于40%，碾压层厚300mm，碾压混凝土具有强度低、水化热低、抗渗性和耐久性较差等特点，一般永久构筑物需在上游面设置防渗结构。典型坝有威洛·克里克坝、格林德斯顿峡坝及蒙克斯威尔坝。

(2)RCD碾压混凝土坝。该类坝起源于日本，采用典型的“金包银”模式，在碾压混凝土坝体的迎水面、背水面和基础均采用常规混凝土防渗和保护，碾压混凝土胶凝材料含量为120～130kg/m3，掺合料掺量20%～35%，碾压层厚500～1000mm，切割成缝并设置止水及排水设施。典型坝有岛地川坝和玉川坝。

(3)中胶凝材料碾压混凝土坝。该类坝碾压混凝土胶凝材料用量一般为100～149kg/m3，掺合料掺量20%～60%，碾压层厚300mm，一般设有防渗保护结构，典型坝有Copperfield、De Mist Kraal及Joumoua坝。

(4)富胶凝材料碾压混凝土坝。该类坝碾压混凝土胶凝材料含量通常在150kg/m3以上，掺合料掺量30%～80%，碾压层厚300mm，富胶凝材料碾压混凝土因掺合料掺量大，硅酸盐水泥用量低，具有较低的孔隙率，层间结合良好。例如上静水水电站、普定水电站及龙滩水电站大坝。

1.2.3　主要国家碾压混凝土胶凝材料应用情况

碾压混凝土坝主要分布在中国、日本、美国、巴西和西班牙等国，4个国家碾压混凝土胶凝材料应用情况见表1-4。

从表4-1中可看出，4个国家碾压混凝土平均水泥用量基本上都在75～87kg/m3范围内，胶凝材料用量的差异主要是因活性掺合料掺量不同所造成。日本的碾压混凝土胶凝材料用量最低，活性掺合料掺量也最低;西班牙胶凝材料用量最高，活性掺合料掺量也最高。

目前，日本、中国和西班牙都已形成了自己的风格，3个国家的碾压混凝土坝都掺加了低钙粉煤灰活性掺合料，日本全部采用其特有的RCD坝，而中国和西班牙均采用了富胶凝材料碾压混凝土。美国碾压混凝土设计多变，从很低的胶凝材料用量(64kg/m3)到很高用量(252kg/m3)，从不掺活性掺合料到采用很高掺量的活性掺合料等各种情况都有出现。