1　综述

1.1　碾压混凝土的发展历程

1.1.1　碾压混凝土筑坝发展历程

碾压混凝土技术是采用类似土石方填筑施工工艺，将无坍落度的混凝土用振动碾压实的一种新的混凝土施工技术。碾压混凝土坝是随着土力学理论的发展和大型土石方施工机械的使用，人们将混凝土坝的安全性和土石坝的高效率施工相结合而探索出的一种新坝型。碾压混凝土坝既具有混凝土坝体积小、强度高、防渗和耐久性能好、坝身可溢流等特点，又具有土石坝施工简便、快速、经济、可使用大型通用机械等优点。采用碾压混凝土技术筑坝，突破了传统的混凝土大坝柱状法浇筑对混凝土浇筑速度的限制，具有施工简便、机械化程度高、工期短、工程造价低等特点，发展极为迅速，目前已广泛应用于世界各国水利水电工程。

(1)20世纪20—60年代，起源于贫混凝土。碾压混凝土筑坝施工的历史可追溯到干贫混凝土在公路和回填工程中的应用，从20世纪20年代末起，常用于高速公路路基和机场地面，当时被称为贫混凝土或干贫混凝土。

1941年，有学者发表文章首次建议将碾压混凝土用于大坝施工，直到1960—1961年，碾压混凝土才开始应用于大坝围堰施工。中国台湾石门坝的围堰防渗心墙采用了土坝施工方法进行连续级配混凝土摊铺和碾压，骨料最大粒径76mm，胶凝材料掺量107kg/m3，摊铺层厚30cm，采用自卸汽车运输入仓和推土机平仓，并借助其压实。

1961—1964年，意大利阿尔佩盖拉(Alpe Gera)重力坝采用了类似土坝不分块、全断面上升的贫混凝土筑坝施工方法，采取全断面通仓薄层浇筑低流态贫混凝土、斜轨斗车垂直运输混凝土、自卸汽车入仓、推土机平仓(铺层厚70cm)、悬挂于推土机后部的插入式振捣器振捣和切缝机切割横缝的施工方法，在坝体上游面铺设钢板防渗，取消了坝内冷却水管，坝体从河床一岸到另一岸全线同时浇筑上升，现场试验表明在混凝土浇筑后很早龄期开始，车辆通行不会损坏混凝土，这些突破为碾压混凝土筑坝奠定了基础。

1965年，加拿大魁北克曼尼科甘一号(ManicouganⅠ)坝建造了两座高18m的重力式翼墙。内部采用贫浆混凝土，推土机铺筑，插入式振捣器振捣;上游面采用富浆混凝土和垂直滑模施工工艺;下游面采用预制混凝土块。

(2)20世纪70年代，碾压混凝土筑坝进入世界性科研试验阶段。20世纪70年代开始，世界各国纷纷开展碾压混凝土筑坝科研试验研究工作，前期主要在美国、英国和日本等国进行，随后中国、加拿大、巴基斯坦、巴西、委内瑞拉和南非等国也相继进行了试验研究工作。

1970年，拉费尔(J.M.Raphael)在美国加利福尼亚州召开的混凝土快速施工会议上发表了《最优重力坝》，提出采用掺水泥的天然级配粗颗粒料，并用高效率的土石方运输和碾压机械碾压的筑坝方法，使坝体的坡度和水泥用量(强度)达到最优，优化坝体的断面介于大体积土石坝和混凝土重力坝之间，促进了碾压混凝土坝概念的发展。其后帕顿(Paton)在1971年国际大坝会议中提出将干贫混凝土用于坝体。

1972年，在同一地点又召开了混凝土坝经济施工会议，坎农(R.W.Cannon)的论文《采用土料压实方法建造混凝土坝》进一步发展了拉费尔的设想。他还发表了《用振动碾压实大体积混凝土》。同时，公布了1971年在泰斯·福特坝(Tims Ford)用自卸汽车运输、前卸式装载机平仓、振动碾碾压无坍落度贫浆混凝土的系列现场原型试验成果，并首次建议碾压混凝土的胶凝材料应含相当比例的掺合料(当时为低钙粉煤灰)。

随后美国陆军工程师团先后在维克斯帕(Vicksburg)坝、杰克逊(Jackson)坝和洛斯特溪(Lost Greek)坝等工程中进行了更大规模的碾压混凝土现场试验，钻孔取芯效果良好。并于1974年对美国Zintei Canyon坝提出了碾压混凝土重力坝比较方案，作为土坝设计替代方案，虽然因为资金问题该坝直到1992年才开始建设，但其设计理念为后来的柳溪(Willow Creek)坝所采用。

1973年，第11届国际大坝会议提出了开展“混凝土坝缩短工期、提高经济效益”的研究，美国、日本等国家先后有组织地开展了这方面的试验研究工作，并在坝基、消力池等局部地区进行了现场试验。莫法特(A.I.B.Mofiat)提出了《适用于重力坝施工的贫浆混凝土研究》，进一步深化了碾压混凝土重力坝的概念。他推荐将20世纪50年代英国路基上使用的贫浆混凝土用于修筑混凝土坝，用筑路机械将其压实。

首次大规模使用碾压混凝土的工程，是1975年美国陆军工程师团承建的巴基斯坦塔贝拉(Tarbela)坝泄洪隧洞修复工程。该工程采用未经筛洗的砂砾石料加少量水泥拌和混凝土(骨料最大粒径150mm，小于0.075mm细料用量约为10%，水泥用量110～133.5kg/m3)，大型自卸汽车运输，推土机平仓，12t振动碾碾压，快速修复被冲毁的泄洪洞出口消力池，并正式将该混凝土命名为碾压混凝土(Rollcrete)。利用枯水期浇筑了250多万m3碾压混凝土，并在42d内浇筑了35.17万m3碾压混凝土，平均日浇筑强度为8371m3，最大日浇筑强度达1.85万m3，显示了碾压混凝土快速施工的巨大潜力。

1973—1977年，普莱斯(Price)在试验室对贫混凝土进行设计及全面综合性试验研究。针对大型建筑物基础采用高粉煤灰掺量、低水泥用量的贫混凝土试验研究，以提高碾压混凝土的相对密实度和层间黏结能力，并研究用激光控制滑模，进行上下游坝面的施工。1978—1980年，英国还进行了现场试验，并于1982年在小型碾压混凝土坝施工中应用。这些研究虽未在英国广泛应用，但为美国垦务局设计上静水水电站工程打下了基础。

1974年，日本建设省成立混凝土坝合理化施工委员会，对碾压混凝土设计、原材料配合比、碾压施工工艺和温度控制进行研究，提出了碾压混凝土筑坝法(Roller Compacted Dam，简称RCD)，并开展了RCD工法试验研究。为使大坝具有足够的耐久性和防渗性，适应日本冬季严寒、夏季相对燥热的气候和高地震区筑坝要求，采用了“金包银”结构型式，用厚2.5～3.0m的表层常态混凝土对碾压混凝土坝体进行表面保护，对水平施工缝进行刷毛和铺砂浆垫层处理，以提高RCD混凝土的抗渗性和黏聚力，伸缩缝设置综合配套的止水和排水措施。1976年在日本大川(Ohkawa)坝上游围堰进行了现场施工试验，验证了用振动碾压实干硬性混凝土的可能性和切缝机切割造缝的可行性;1978年9月，在坝高89m的岛地川坝坝体正式使用碾压混凝土;1979年10月，在大川坝坝基底板上也使用了碾压混凝土。

(3)20世纪80—90年代初，正式开始碾压混凝土筑坝并进入初期快速增长实用阶段。在该期间，从世界上第一座碾压混凝土坝和第一座全碾压混凝土坝建成到后来的百米级碾压混凝土重力坝建设，碾压混凝土筑坝技术进入了实用阶段，开始了初期碾压混凝土坝建设的快速增长，并逐步在世界各地展开应用。到1992年年底，世界上已建和在建的大坝工程达116座，分布遍及五大洲(主要分布在北美洲和亚洲)，该时期美国、日本和西班牙等国发展较快，建成了较多的碾压混凝土坝。

1980年，日本建成了世界上第一座碾压混凝土坝岛地川(Shimajigawa)坝，这也是世界上首座RCD坝，坝高89m，坝体碾压混凝土方量16.5万m3(占混凝土总量31.7万m3的52%)，胶凝材料用量120kg/m3，其中粉煤灰占30%，上游面用厚3m的常态混凝土防渗，压实层厚度为50cm和70cm，浇筑间歇期1～3d，采用切缝机形成坝体横缝。其后日本于1987年建成了坝高100m的Tamagawa坝，总方量115万m3。

1982年，美国建成了世界上第一座全碾压混凝土坝(Roller Compacted Concrete，简称RCC)柳溪(Willow Creek)坝。该坝高52m，坝轴线长518m，坝体采用贫胶凝材料碾压混凝土，人工骨料最大粒径76mm，细粒料用量4%～10%，胶凝材料用量仅66kg/m3(水泥用量47kg/m3，粉煤灰掺合料用量19kg/m3)，上游面采用预制混凝土面板，坝体碾压混凝土量31.7万m3，采用不设纵横缝、连续浇筑上升工艺，浇筑层厚24～34cm，并采用激光束控制浇筑水平度，在不到5个月时间内完成碾压混凝土施工，充分显示了碾压混凝土坝所具有的快速性和经济性，有力推动了碾压混凝土坝在美国和世界各国的迅速发展。

1984年，澳大利亚建成了第二座全碾压混凝土坝Copperfield坝，该坝坝高40m，坝体碾压混凝土水泥用量80kg/m3、粉煤灰30kg/m3，首次在碾压混凝土坝上设置常态混凝土溢洪道。

1985年和1986年，建成的西班牙Ca-stilblanco de los Arroyos坝和中国坑口坝，分别为西班牙和中国修建的第一座碾压混凝土坝，采用了富胶凝材料碾压混凝土，掺有大量掺合料。

此后，南非、巴西和墨西哥也纷纷开始碾压混凝土建设。1988年，建成的南非Knellpoort坝是第一座碾压混凝土拱坝，碾压混凝土方量4.5万m3。

当时在建最高碾压混凝土坝是日本宫漱碾压混凝土重力坝(坝高155m)，采用RCD工法建造。在建最高的碾压混凝土拱坝是中国普定拱坝(坝高75m)，采用全断面碾压混凝土通仓薄层连续浇筑快速施工，在迎水面用二级配富胶凝材料混凝土自身防渗。

(4)1993—2005年，碾压混凝土筑坝进入稳定发展繁荣阶段。该时期碾压混凝土施工有了长足进步与发展，筑坝技术日趋成熟，工程规模、坝型、坝体高度和应用范围不断取得突破创新，碾压混凝土坝型也从碾压混凝土重力坝逐步拓展到了重力拱坝、高拱坝和薄拱坝等，并普遍应用于围堰工程，碾压混凝土坝以每年平均约18座的建设速度稳定发展。世界各国碾压混凝土坝开始进入稳定增长期，日本和中国筑坝数量都在20世纪90年代中期开始赶超美国，21世纪初巴西也进入了快速发展阶段，筑坝数量逐步超过美国。至2005年，碾压混凝土坝数量达到319座，当时已建最高的碾压混凝土重力坝是哥伦比亚的米尔工坝(坝高188m)，已建最高的碾压混凝土拱坝是中国沙牌拱坝(坝高132m)，在建最高的碾压混凝土重力坝是中国龙滩重力坝(坝高216.5m)，在建最高的碾压混凝土拱坝是中国大花水拱坝(坝高134.5m)。

该期间中国碾压混凝土筑坝开始迅猛发展，至2005年年底中国建成碾压混凝土坝66座，在建碾压混凝土坝35座，开展了一大批100m以上高碾压混凝土坝建设，建成了岩滩、水口、江垭、大朝山、棉花滩、索风营等100m以上碾压混凝土重力坝和沙牌、石门子、蔺河口、招徕河等水电站100m以上碾压混凝土高拱坝，并开始了龙滩、光照等水电站200m级高碾压混凝土重力坝建设。平均每年建成碾压混凝土坝3～4座，每年新开工碾压混凝土坝4～5座，有力推动了碾压混凝土筑坝技术进步和发展。

(5)2006年至今，碾压混凝土筑坝进入高速发展成熟阶段。碾压混凝土筑坝技术发展迅猛，中国的龙滩、光照等水电站200m级高碾压混凝土重力坝相继建成，高167.5m的万家口子水电站碾压混凝土高拱坝开始建设，碾压混凝土坝以每年平均约30座的建设速度高速发展。截至2013年，已完成碾压混凝土坝约554座，已建成35座碾压混凝土拱坝，还有86座以上大坝正在建设之中，各国每年已建碾压混凝土坝数量曲线见图1-1，每年建成的碾压混凝土坝总数量曲线见图1-2。

目前，中国已建成碾压混凝土坝170多座，筑坝数量和规模远超世界各国，日本、巴西和美国各有45～55座碾压混凝土坝建成，西班牙、土耳其、摩洛哥、南非、越南、澳大利亚和墨西哥等国各有15～25座碾压混凝土坝建成，希腊、法国、伊朗和秘鲁各建成5～10座碾压混凝土坝。土耳其和越南两国虽然起步晚，但近年来其碾压混凝土筑坝速度呈现出快速增长之势。

从图1-2中可以看出:自1980年正式开始碾压混凝土筑坝以来，1983—1992年的10年间碾压混凝土筑坝数量逐年快速增长，1993—2005年期间进入稳定发展阶段，2005年以后至今碾压混凝土筑坝高速发展，筑坝技术日趋成熟，施工工艺日益完善。

1.1.2我国碾压混凝土筑坝发展概况

(1)20世纪70年代末至80年代初，开展碾压混凝土筑坝技术探索、试验和应用研究工作。我国于1978年开始碾压混凝土筑坝技术探索、试验和应用研究工作，1978年年底在龚嘴水电站进厂公路进行了碾压混凝土现场试验，采用常规混凝土配合比，减少用水量拌制适用于碾压的干硬性混凝土拌和物，用国产8t振动碾碾压。1983年以后，在福建省厦门机场场道基础、铜街子水泥罐基础和牛日溪沟水电站1号重力式副坝、沙溪口水电站纵向围堰和开关站挡墙、葛洲坝水利枢纽工程船闸下导墙、东江水电站拱坝1号重力墩等开展了碾压混凝土试验和应用研究，1984年4月，高27.5m的铜街子牛日溪沟水电站1号重力式副坝将碾压混凝土应用于水工挡水构筑物。

(2)1985年11月至1986年5月建成了我国第一座碾压混凝土重力坝——福建大田坑口坝，该坝坝高56.8m，采用高掺粉煤灰、低水泥用量、坝体不设纵横缝、低温季节施工、全断面分层碾压、连续浇筑上升和沥青砂浆防渗的施工方法，是我国碾压混凝土筑坝技术发展的一个重要里程碑。此后我国逐步掀起了碾压混凝土筑坝建设热潮，一些已经设计的甚至已经施工的工程改用碾压混凝土，许多新工程积极采用碾压混凝土，20世纪80—90年代初期建成了一批高80m以下的中低坝，天生桥二级、龙门滩、马回、潘家口、铜街子、沙溪口、荣地、万安、岩滩、锦江、水口、普定、大广坝等大、中型水电工程相继采用了碾压混凝土筑坝新技术。

(3)20世纪90年代，逐步开展100米级碾压混凝土高坝建设和科研攻关，进入快速发展阶段。1989年3月至1992年4月建成我国第一座百米级碾压混凝土重力坝岩滩水电站(坝高110m)，随后江垭、沙牌、大朝山、棉花滩、石门子、蔺河口等一批百米级高碾压混凝土重力坝和高拱坝相继开工兴建，碾压混凝土筑坝技术全面提升到新的高度，转向100米级高坝快速发展阶段。碾压混凝土坝也从中低坝向高坝、碾压混凝土重力坝逐步向高拱坝和薄拱坝拓展，并普遍应用于围堰工程。

为发展碾压混凝土高坝筑坝施工技术，我国先后将“碾压混凝土拱坝筑坝技术”和“碾压混凝土高坝筑坝技术研究”列为“八五”“九五”国家重点科技攻关项目。其中“八五”国家重点科技攻关依托普定高拱坝进行“碾压混凝土拱坝筑坝技术”专题研究;“九五”国家重点科技攻关分别依托沙牌水电站碾压混凝土拱坝研究解决100m以上高碾压混凝土拱坝筑坝关键技术，依托龙滩水电站碾压混凝土重力坝研究解决200m级高碾压混凝土重力坝筑坝关键技术。1992年1月至1993年5月建成了我国第一座全碾压混凝土高拱坝—普定拱坝，该坝坝高75m，是当时世界上最高的碾压混凝土拱坝，采用整体碾压混凝土结构设计，在迎水面用二级配、富胶凝材料混凝土作为防渗体的自身防渗结构，采用全断面通仓、薄层连续浇筑快速施工技术，在设计和施工中形成了较有特色的技术体系。普定拱坝的建成有力地推动了碾压混凝土拱坝迅速推广和高坝筑坝技术发展。

20世纪90年代中期至21世纪开始建设百米级碾压混凝土高拱坝和薄拱坝，1997年当时世界上最高的碾压混凝土拱坝—沙牌拱坝(坝高132m)开工建设。新疆石门子碾压混凝土拱坝(坝高109m)建在高温、高寒、高地震区内。

江垭碾压混凝土重力坝研究采用了斜层平推铺筑法，可减小仓面覆盖面积，缩短层间间隔时间，有利于解决碾压混凝土大仓面高强度浇筑、夏季温控和多雨环境施工难题。

20世纪90年代中期我国碾压混凝土筑坝数量已跃居世界首位。至1999年年底，我国已建成碾压混凝土坝34座，在建碾压混凝土坝12座，其中建成了岩滩(坝高110m)、水口(坝高101m)、江垭(坝高131m)、大朝山(坝高111m)、棉花滩(坝高113m)，石门子(坝高109m)、蔺河口(坝高100m)等一批100m以上的高碾压混凝土坝。已建围堰工程达20余座，其中三峡水利枢纽三期工程围堰、龙滩水电站上游围堰、构皮滩水电站上游围堰等高度均超过70m，施工期最长仅4～5个月。三峡水利枢纽三期工程上游碾压混凝土重力式围堰高121m，4个月完工总方量110万m3，其月、日最高强度分别达到47.5万m3和2.1万m3，均居世界前列。

(4)21世纪至今，碾压混凝土筑坝进入高速发展成熟阶段。经过“八五”“九五”国家重点科技攻关，在对修建200m级碾压混凝土高坝技术难题取得重要成果后，21世纪初开始了龙滩及光照两座200m级碾压混凝土高坝建设。在设计、科研和工程建设人员的共同努力下，我国的碾压混凝土筑坝技术有了长足发展，在建坝数量、规模、坝高、技术难度和施工工艺等多方面均已处于世界前列，并取得一系列突破性的科研创新成果，已掌握在高温、高寒、潮湿多雨和干燥少雨等各种复杂地域和气候条件下的碾压混凝土筑坝技术。

目前，除少数特高坝仍采用常态混凝土浇筑外，绝大多数混凝土高坝都采用了碾压混凝土筑坝技术。截至2014年年底我国已建在建碾压混凝土坝170多座，我国已建在建的部分坝高大于100m的碾压混凝土重力坝和拱坝分别见表1-1和表1-2。其中设计坝高216.5m的龙滩水电站碾压混凝土重力坝一期已建成运行多年，高200.5m的光照重力坝也于2008年年底建成运行，坝高132m的沙牌水电站碾压混凝土拱坝经历了2008年的汶川特大地震考验，大坝完好无损，证明了碾压混凝土高拱坝的安全可靠性。这些高碾压混凝土重力坝和高拱坝代表性工程，在设计、科研、施工各个方面取得了大批具有自主知识产权和独创性的研究成果，为我国碾压混凝土坝建设积累了丰富的经验。