碾压混凝土坝设计施工的理论探讨
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摘要：本文对碾压混凝土坝设计施工从七个方面进行了分析探讨，具有重要的理论价值和现实意义，供同行借鉴参考。
关键词：碾压混凝土坝；设计；施工
1碾压混凝土重力坝的应力分析方法
碾压混凝土重力坝的应力分析采用普通混凝土重力坝的应力分析方法，可以归纳为理论计算和模型试验两大类。它们彼此补充，相互验证，同时也都要受到原型观测成果的检验。理论计算方法主要有：①材料力学法，又称重力分析法，是目前广为应用的一种方法；②弹性理论数学解析法，只有少数边界条件简单的结构才有解答；③数值解法，有有限差分法和有限单元法。过去常用差分法，20世纪60年代以来，有限单元法迅速发展，此法适用范围广、计算功能强、精度也较高。结构模型试验方法主要有：①光测法，主要解决弹性应力问题；②脆性材料电测法，除能进行弹性应力分析外，还能进行破坏试验。由于模型试验费工费时，对于一般平面问题以及中、小型工程，可只进行理论计算；对于重要工程或地质条件复杂的工程，常用模型试验进行验证。重力坝的应力，一般以材料力学法进行分析，对于建在地质条件复杂地区的中坝、高坝除用材料力学法计算坝体应力外，尚宜采用有限元法进行计算分析；对于高坝，必要时可采用结构模型.地质力学模型等试验验证；宽缝重力坝可用材料力学法进行坝体应力分析。对于局部区域如头部附近则可用有限元法计算，并允许在离上游面较远部位出现不超过坝体混凝土允许的拉应力；空腹重力坝可用结构力学法、材料力学法和有限元法计算坝体应力，并用模型试验验证所得应力成果.应没有特别不利的应力分布状态。
2重力坝的应力控制标准
不同的应力分析方法有不同的应力控制标准。当用材料力学法计算坝体应力时，一般控制标准为：最大压应力小于材料的容许压应力；计入扬压力时，上游坝面不允许出现拉应力。中国规范规定，不计扬压力，坝体上游面最小主压应力不小于计算点的静水压强的1/4。美国垦务局规定，在荷载正常组合的情况下，混凝土层面的上游边缘最小压应力(不计扬压力)。式中， 为计及排水孔的折减系数(设置排水孔 取0.4，不设排水孔。取1)；为水的容重；H为计算点的水深， 为浇筑层表面的混凝土的抗拉强度；k为安全系数(荷载正常组合时，k取3.0)。地震情况和施工期的应力控制标准可适当降低。当用有限单元法计算时，如何控制应力，尚无统一标准。
3地基变形对坝体应力的影响
坝体和地基是相互制约的，在接触面上，两者的变形必须协调一致。地基变形对坝体应力影响的程度与地基的地质条件、坝的材料性质等有关。地基的变形模量不同，坝底附近的坝体应力分布也不同。图1给出了满库条件下，坝体和地基的变形模量比(Ec/Er)不同情况下的坝底应力分布。由图1可见，当地基变形模量E；大，即Ec/E：较小时，坝踵易出现拉应力。有限元计算和模型试验均表明：坝基前(指坝踵附近)软后(指坝趾附近)硬，坝踵应力情况比均质地基为好；前硬后软的地基，坝踵应力情况最差。已有的计算揭示，高坝的坝踵附近部位的地基和坝体往往存在较大的拉应力区。但当坝踵附近的地基中出现陡倾角的裂缝后，原有的拉应力即行松弛，而转移到地基深处缝的末端，且拉应力区的范围和数值都变小。
图1满库时的坝底应力分布
(a)Ee/Er=0；(b)Er/Er=1；(e)Ee/Er8
4纵缝和分期施工对坝体应力的影响
在施工期竖直纵缝灌浆前，各坝块独立工作，坝体自重应力不同于整体浇筑。当上游坝面有正坡时，施工纵缝将减小坝踵压应力;当上游坝面倒悬时，施工纵缝可增大坝踵压应力;当上游坝面铅直时，施工纵缝对坝体应力无影响。有的高坝采用分期施工，即第一期先建部分坝体，蓄水运行后再将坝体加高加宽。由于分期施工，坝踵有可能产生拉应力，此时可用有限单元法进行核算。
5碾压混凝土渗流特性
由于碾压混凝土是分层碾压而成，而碾压混凝土的浇筑层通常只有几十厘米，这就使得碾压混凝土坝存在大量的水平施工缝。这种水平施工缝的存在将使碾压混凝上坝的渗流特性不同于普通混凝土坝，如果处理不当就有可能成为碾压混凝土坝渗流集中通道和抗滑稳定的薄弱面。自碾压混凝土坝问世以来根据对国内外已建碾压混凝土的运行观测，总体来说筑坝技术是成功的，但普遍存在渗漏问题，渗漏问题一直被视为它的一个天生缺陷。
碾压混凝土的渗流特性由碾压混凝上本体渗透性及层面渗透性共同决定。碾压混凝土本体可视为均质各向同性体，其渗流特性与常规混凝上坝类似，具有良好的抗渗性，但层面渗流特性十分复杂。碾压混凝土的层面不同于两块平板叠合时构成的，也不同于岩体的裂隙面，它实质是上下两层混凝土间有一定嵌入的起伏不平的啮合面。这是由于碾压上层混凝上时，某些骨料嵌入下层尚未凝固的混凝土或砂浆中而形成的。但就总体而言，层面的渗流仍在层流状态，基本符合立方定律，我们可通过计算雷诺数来判别，定义层面的雷诺数
式中 ―水流流速；
D--层面水力直径，取D=2b(b为等效水力隙宽)；
--水的运动粘滞系数，V=0.013cm3/s
则辐向流中Re的定义可表示为：
式中Q--为层面渗流量；
r--为定义雷诺数处的半径，在辐向流中，不同的：处具有不同的Re。
通过试验，在试验中出现的最大流量Q=100.0cm3/s，在中心进水孔层面起始处(r=2.5cm)的Re=980。与接触型裂隙岩体渗流试验进行对比，试验条件基本类似，其最大隙宽b=130 m，仍属层流状态，通过拟合计算，水流基本符合Q=Abn的关系式，n在2.97~3.09之间变化。本次试验bmax=60pm，雷诺数表示水流在层流区内(局部区域如边缘点除外)，即层面渗流符合达西定律。
试验表明碾压混凝上平行层面方向的渗透系数要比垂直层面方向渗透系数大得多，而且平行层面方向渗透系数的离散性要比垂直层面方向的大得多。碾压混凝土层面的渗流特性受诸多因素影响，其中主要是施工条件，如层面间隔时间，层面处理方式、碾压质量、填筑时的气候条件等，还与渗流水头、层面的应力状态和混凝土配合比有关，其中最基本是层面间隔时间。层面间隔时间越长透水性越大，施工中应尽量减小层面间隔时间(尽量控制在初凝时间以内)，如不得不采取长间歇施工。采取刷毛铺水泥砂浆等措施可以提高其抗渗性。
6碾压混凝土筑坝技术分类
当今世界碾压混凝土筑坝技术就其设计思想、施工方法、混凝土配合比以及性能方面的差异，可以分为四大类：
(1)RCD工法
这是日本发展起来的碾压混凝土筑坝(RCD)技术。它在坝体迎水而、背水面及基础部位均用常态混凝土防渗与保护，中心部位用碾压混凝土填筑。浇筑层厚度0.7~1.0m，施工缝而停歇养护、冲毛、清洗、全甫砂浆，从匕游到下游切割横缝。胶凝材料用量120~130kg/m3，其中粉煤灰掺量20%~35%；VC值为20s士10s；水胶比在0.70~0.90之间，砂率一般为30%~34%。抗压强度12~16MPa；层间粘聚力2.5~3.0MPa；渗透系数10-5~10-8m/s。典型坝例有日本岛地川坝和大川坝。
(2)干贫碾压混凝土坝
采用土石坝施工概念，浇筑层厚度0.25~0.40m，层面不处理，连续浇筑快速上升。胶凝材料用量60~120kg/m3，其中粉煤灰掺量0~40%，抗压强度8~10MPa，层面粘聚力0.5~10MPa，渗透系数10-2~10-5cm/s。典型坝例有美国柳溪坝、蒙克斯维尔坝等。
(3)中等灰浆量碾压混凝土坝
采用薄层浇筑连续上升快速施工技术，浇筑层厚度0.3~0.5m，层面不处理，胶凝材料用量120~160kg/m3，其中水泥50~60 kg/m3。抗压强度10~15MPa；层间粘聚力0.8~1.4MPa。典型坝有我国坑口、岩滩坝。
(4)富灰浆碾压混凝土坝
采用大仓面薄层浇筑连续快速施工技术，由于灰浆丰富，从而改善了碾压混凝土的和易性、可碾压性、密实性、抗渗性和层面结合。通常碾压层厚度为30cm，层面不处理。胶凝材料用量超过160 kg/m3，其中粉煤灰掺量最高达70%，抗压强度20~40MPa，层面粘结力2~4MPa，渗透系数10-8~10-11cm/s。典型坝例有美国上静水坝。
碾压混凝土的一些重要特性(如层面抗剪断特性、抗渗特性等)应以现场试验成果作为主要依据，因此宜采用室内试验和现场试验研究相结合的方法。
7碾压混凝土的配合比设计
碾压混凝土是采用通仓或大面积薄层铺料，振动碾表面压实的干硬性混凝土，虽与常规混凝土采用基本相同的材料，但混凝土配合比有很大区别：水泥灰浆量少；骨料最大粒径由于施工方法和碾压机械能量的制约不能过大；混凝土含沙率较高；碾压混凝土要求的稠度范围不大；粉煤灰掺量较多等。
大坝内部大体积碾压混凝土配合比一般应满足以下条件：
(1)满足设计对强度和耐久性等性能要求。当碾压混凝土用于大坝内部，结构物基础或其他承重结构，设计上往往提出强度要求，这时候选这配合比时应和常规混凝土一样，需根据强度要求确定水灰比，以保证硬化后混凝土强度满足设计要求。
(2)为降低混凝土的发热量，简化温控措施，达到取消埋设冷却水管的要求，碾压混凝土应尽量减少水泥用量，并掺用粉煤灰以保证充足的灰浆量。
(3)碾压混凝土拌和物应具有必要的稠度，适应施工机械、铺料厚度以及气候的变化，以保证碾压密实。
(4)选择最佳的骨料级配和最大骨料粒径，保证施工过程中不发生明显的材料分离。为了保证碾压混凝土具有良好的技术性能并降低工程造价，必须合理选择各种原材料，包括水泥、粉煤灰、粗细骨料、外加剂和水等。
碾压混凝土配合比设计的根本出发点是：胶凝材料浆体最大限度地填满细骨料间的空隙，并包裹细骨料颗粒，形成均匀密实的混凝土，以达到满足强度、耐久性、抗分离性、工作性及经济性的目的。碾压混凝土的配合比设计，实际上就是确定四个参数：即单位用水量(w)、水胶比[w/(C+F)]、粉煤灰掺量[F/(C+F)]和砂率[S/(S+G)]。
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；混凝上的保证强度等基本配合条件。
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