2.6 设计指标与坝体材料分区
2.6.1 碾压混凝土主要性能参数
1.碾压混凝土主要性能
碾压混凝土主要性能包括：①力学性能：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度；②变形性能：弹性模量、极限拉伸和徐变；③耐久性能：渗透性（抗渗等级、渗透系数）、抗冻性。
（1）力学性能。
1）抗压强度。抗压强度有标准立方体抗压强度和标准圆柱体抗压强度之分，标准圆柱体抗压强度约为标准立方体抗压强度的0.83倍。我国采用的设计强度等级或标号是指标准立方体抗压强度，即150mm×150mm×150mm立方体试件在标准养护和试验条件下测定的抗压强度，是混凝土结构设计的重要指标，也是混凝土配合比设计的重要参数。
碾压混凝土性能受众多因素影响，如水灰比、水胶比、用水量、砂率、骨料种类、掺合料及外加剂的品质与掺量等。
碾压混凝土抗压强度的最低等级为C5，最高等级C25。根据坝体稳定和强度要求，70m以下中低碾压混凝土重力坝，一般坝体内部混凝土强度等级取C5、C7.5、C10；100m级碾压混凝土重力坝坝体内部混凝土强度等级取C10、C15、C20；200m级高碾压混凝土重力坝坝体内部混凝土强度等级取C15、C20、C25。大坝碾压混凝土强度标准值见表2.6.1。
表2.6.1 大坝碾压混凝土强度标准值
贵阳院设计的普定、索风营、思林、大花水、沙沱等水电站大坝的内部三级配碾压混凝土强度等级基本采用C15，光照高坝按高程段有C15、C20、C25三种，混凝土强度标准值多采用90d龄期，保证率为80%。
2）抗拉强度。轴向拉伸试验是用直接拉伸试件的方法测定抗拉强度、极限拉伸值和拉伸弹性模量，大坝结构应力和温度应力计算，采用轴向抗拉强度作为抗拉强度设计指标。
劈裂抗拉强度是用非直接法测定的碾压混凝土抗拉强度。由于劈拉强度试验简单、快捷，且与轴拉强度有较好相关性，劈拉强度经过换算可作为轴拉强度的参考指标。国内外研究成果表明，实测混凝土轴心抗拉强度一般为劈拉强度的0.85～0.9倍。
碾压混凝土重力坝在保证大坝抗滑稳定满足要求的同时，还应使坝体拉应力控制在设计允许的范围之内。根据《混凝土重力坝设计规范》（DL 5108—1999）第9.4条规定，坝体上、下游面拉应力正常使用极限状态计算时，应力按下列标准进行控制：
a.坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。
b.坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。
c.短期组合下游坝面的垂直拉应力不大于100kPa。
d.在运用期的各种荷载组合下（地震荷载除外），坝基面所承受的最大垂直正应力σymax应小于坝基容许压应力。
3）抗剪强度。坝体混凝土抗剪强度的大小，关系到大坝的抗滑稳定性，也关系到坝体断面的大小。从重力坝受力及控制特点来看，坝体碾压混凝土的抗剪强度比抗压强度更重要。碾压混凝土的抗剪部位可分为混凝土本体、碾压层面、施工缝层面。试验表明，碾压混凝土本体的抗剪强度与常态混凝土的抗剪强度并无大的差异，连续铺筑的碾压层面和施工缝层面的抗剪强度比本体稍差，其大小取决于碾压工艺及碾压质量。当上层覆盖时间超过混凝土初凝时间或层面粗骨料出现集中、架空现象，且未对层面进行有效处理时，碾压混凝土层面的抗剪强度明显低于本体的抗剪强度。尤其是冷升层施工缝面处理不好的情况，其抗剪强度低于本体混凝土的抗剪强度，并可能发生沿层面渗漏。
碾压混凝土抗剪强度可见本章2.4.4.2节中内容。
（2）变形性能。
1）压缩弹性模量。碾压混凝土弹性模量在很大程度上取决于骨料的弹性模量，且随着水灰比增大而减小，水灰比同时随着粉煤灰掺量增加而降低。一般说来，较高强度的碾压混凝土有较高的弹性模量，强度增加，弹性模量也随之增加，但其增加量不呈线性关系。
碾压混凝土弹性模量随龄期增长而增加，至90d龄期以后增长已不显著，比抗压强度增长率低。工程实践表明，以灰岩为主要骨料的碾压混凝土，其弹性模量与混凝土骨料强度等级有关，骨料抗压强度制越高，弹性模量越高。
2）极限拉伸值。极限拉伸值是指在拉伸荷载作用下，混凝土最大拉伸变形量，它是影响混凝土抗裂性的一个因素；极限拉伸值越大，混凝土抗裂性能力越高，极限拉伸值和抗拉强度是评价混凝土抗裂性能的主要指标。提高混凝土极限拉伸值、抗拉强度及降低弹性模量，是防止大坝开裂的一项重要措施。影响混凝土极限拉伸值的因素较多，主要与胶凝材料用量、骨料品种、含气量、设计龄期、VC值等密切相关，特别是碾压混凝土胶凝浆体含量的高低对极限拉伸影响较大。所以，提高浆砂比即意味着提高石粉含量，低VC值是提高极限拉伸值的有效技术措施。
碾压混凝土的极限拉伸值随着龄期增长而增加，其增长率与掺合料的品种和掺量有关。
一般希望碾压混凝土极限拉伸值高、弹性模量低，因为它可使混凝土能更好地承受温度应力变化，提高防裂性能。
3）徐变。施加到碾压混凝土试件上的荷载不变时，试件的应变随着持荷时间增长而增大，此种应变称为徐变，单位与应变相同（mm/mm）。徐变可视为超出初始瞬时弹性应变的应变增量。大坝混凝土的徐变还要求试件的湿度不与周围介质发生湿交换，即试验在绝湿条件下进行。试验表明，碾压混凝土徐变大小与单位体积混凝土灰浆量有关，灰浆用量多时，徐变大；骨料的性质明显改变碾压混凝土的徐变，用弹性模量高的骨料拌制的碾压混凝土，其徐变低。
（3）耐久性能。
1）渗透性。碾压混凝土坝是挡水建筑物，防渗是碾压混凝土坝设计中应考虑的重点，所以碾压混凝土的防渗性能非常重要。碾压混凝土的抗渗性除关系到大坝的挡水效果外，还直接影响混凝土的抗冻性及抗侵蚀性等。碾压混凝土抗渗性主要取决于配合比及混凝土的密实度。贫碾压混凝土由于胶凝材料用量较少、水胶比较大，密实性较差，其抗渗性也较差。近年来，随着碾压混凝土材料配合比发展，碾压混凝土由干硬性向半塑性混凝土发展，其高掺粉煤灰、高石粉含量、低VC值，碾压混凝土胶凝材料显著增加，施工易于碾压密实。试验表明，碾压混凝土本体的防渗效果已与常态混凝土坝基本相当。
我国碾压混凝土渗透性评定方法采用抗渗等级评定标准。抗渗等级评定是根据作用水头（H）对建筑物最小厚度（L）的比值，对碾压混凝土提出不同的抗渗等级，见表2.6.2。
表2.6.2 抗渗等级的最小允许值
碾压混凝土的抗渗等级随水胶比减小和胶凝材料用量增加而增大。我国大坝碾压混凝土配合比采用高掺粉煤灰、高石粉含量的设计理念，胶材用量高于140kg/m3，使用高效减水剂用水量低于100kg/m3，故其抗渗等级较高，均高于W10。高粉煤灰掺量的碾压混凝土由于水胶比较小，施工较密实，故原生孔隙较少。随着龄期的延长，粉煤灰逐渐水化，水化产物不断填充原生孔隙，使粗孔细化，细孔堵塞，部分连通孔变成封闭孔隙，因此抗渗性能随着龄期的延长而明显提高。这是高粉煤灰含量和高石粉含量碾压混凝土抗渗性能的优势。
渗透系数反映材料渗透率的大小，其值越大，表示渗透率越大，反之，则渗透率越小。
碾压混凝土渗透系数与水胶比和胶材用量密切相关，对有抗渗要求的混凝土，水胶比不宜大于0.55。据统计，不同胶材用量的碾压混凝土渗透系数如下：胶材用量低于100kg/m3的碾压混凝土，渗透系数约为10-4～10-9m/s；胶材用量为120～130kg/m3的碾压混凝土，渗透系数为10-7～10-10m/s；胶材用量高于150kg/m3的碾压混凝土，渗透系数为10-10～10-13m/s。
工程实践表明，碾压混凝土坝的抗渗性能主要受水平施工缝面抗渗性能控制。水平施工缝的间歇时间、冷缝面的处理方式及处理质量等对抗渗性有较大影响。经过处理的水平施工面，抗渗性能可以得到明显提高。碾压混凝土坝除了根据挡水水头采用不同的防渗等级混凝土抗渗指标设计外，还应重点关注施工组织和技术保障，确保层间结合质量。
2）抗冻性。大坝碾压混凝土应根据气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水饱和程度、结构构件重要性和检修的难易程度等综合因素，按《水工建筑物抗冰冻设计设计规程》（DL/T 5082）选用相应的抗冻等级。
试验表明，提高碾压混凝土抗冻性的有效方法是掺加品质优良的引气型外加剂。碾压混凝土配合比优选时需要掌控以下3个参数：①新拌碾压混凝土的含气量，按《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）方法测定含气量，宜控制在3.5%～4.5%范围内，不应大于5%；②使用优质引气剂。在含气量基本相同条件下，引入的气泡性质对提高抗冻性有显著性影响，泡径约为20～200μm，泡径愈小、数量越多和体积越稳定，其抗冻等级就越高；③严格限制碾压混凝土水胶比。在含气量基本相同情况下，水胶比增大会使碾压混凝土中小于100μm气泡数量减少，气泡间距系数增大，因而碾压混凝土抗冻性下降。
（4）部分工程的碾压混凝土主要性能指标。表2.6.3统计给出了贵阳院几座碾压混凝土坝的混凝土配合比及主要参数，其特点表现在：水泥品种不同、掺合料品质不同、骨料种类和料源不同、设计强度等级和耐久性设计要求不同。表2.6.4列出了这些工程碾压混凝土的主要性能，包括抗压强度、轴拉强度、弹性模量、极限拉伸值、抗渗等级和抗冻等级。
2.变态混凝土主要性能
变态混凝土是由碾压混凝土基材摊铺后加浆液振捣而成，浆液体积占5%～6%。一般碾压混凝土坝上游面二级配碾压混凝土，加浆率为5%（体积比），变态混凝土性能基本接近于碾压混凝土基材的性能。因此，碾压混凝土坝设计时可将变态混凝土视为碾压混凝土基材的一部分，而不需单独考虑。
表2.6.3 部分工程碾压混凝土设计指标、原材料品质和配合比主要参数
表2.6.4 部分工程碾压混凝土主要性能试验结果
从力学性能、变形性能、物理性能和耐久性对比看，变态混凝土性能基本上接近碾压混凝土基材的性能，只是绝热温升略有提高，大约提高2℃，施工期需要加强表面保护。部分工程变态混凝土性能指标见表2.6.5。
表2.6.5 部分工程迎水面变态混凝土主要性能试验结果
2.6.2 坝体混凝土材料分区及主要性能要求
1.碾压混凝土重力坝材料分区
（1）碾压混凝土重力坝材料分区设计原则。大坝混凝土材料分区的影响因素除考虑满足设计上对强度的要求外，还应根据大坝的工作条件、地区气候等具体情况，分别满足耐久（包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨和抗侵蚀）、低热性抗裂，硬化时体积变化和浇筑时良好的和易性等方面的要求。
碾压混凝土重力坝坝体材料分区应考虑以下原则：
1）考虑坝体各部位工作条件和应力状态，合理利用混凝土性能的同时，尽量减少混凝土分区的数量，同一浇筑仓面上的混凝土强度等级最好是一种，一般不得超过三种。
2）河床坝段基础垫层，考虑坝踵、坝趾部位以及基础灌浆廊道周边混凝土均有较高的强度要求，同时为便于采用通仓浇筑法施工，整个区域基础垫层混凝土应使用一种混凝土强度等级。
3）大坝内部碾压混凝土除上、下游防渗结构外，由于不同高程要求的层间抗剪断强度参数不同，为较好利用混凝土的强度，应按高程段分区，不同区域采用不同的混凝土强度等级。
4）具有相同和相近工作条件的混凝土尽量用同一种混凝土，如溢洪道（溢流坝面）表层、泄水底孔周边以及发电进水口周边等均可采用同一种混凝土。
5）除坝基上下游灌浆廊道及主排水廊道采用常规的混凝土包裹外，坝内其他廊道周边采用“变态混凝土”工艺，由碾压混凝土现场加浆或在混凝土拌和楼按变态混凝土配合比进行拌制后入仓振捣施工，应尽量减少材料分区带来的施工干扰。
根据上述原则，结合坝体不同部位混凝土的工作条件和运行期的气温环境等因素，并类比其他已建工程经验，进行坝体混凝土材料分区设计。
（2）碾压混凝土重力坝坝体材料分区。碾压混凝土坝材料分区与常态混凝土坝的材料分区大的原则基本相同，但根据碾压混凝土坝的结构特点，材料分区中与常态混凝土坝分区主要有以下不同：
1）垫层混凝土。与建基面接触的基础混凝土，一般用常态混凝土（低坝可采用找平混凝土）。
2）内部碾压混凝土。高坝按高程段或部位采用不同的强度等级。
3）上、下游防渗混凝土。用于上、下游最高水位以下的防渗体的混凝土。
4）变态混凝土。常用于上下游坝体表面、与常态混凝土接合部、与岸坡建基面接触部位、坝内廊道（孔洞）及止水周边、坝体难以碾压部位。
部分工程碾压混凝土重力坝的坝体材料分区如图2.6.1～图2.6.3所示，相应混凝土分区材料性能指标如表2.6.6～表2.6.8所示。
图2.6.1 光照碾压混凝土坝材料分区图
图2.6.2 索风营碾压混凝土坝材料分区图
图2.6.3 思林碾压混凝土坝材料分区图
表2.6.6 光照碾压混凝土坝材料分区主要性能指标
表2.6.7 索风营碾压混凝土坝材料分区主要性能指标
表2.6.8 思林碾压混凝土坝材料分区主要性能指标
2.碾压混凝土重力坝各分区主要性能要求
（1） 混凝土强度等级。碾压混凝土坝强度等级的取值标准同常态混凝土坝，但其设计龄期可采用90d或180d，当开始承受荷载的时间早于设计龄期时，应进行核算，必要时应调整强度等级。
（2） 耐久性。碾压混凝土的耐久性指标要求与常态混凝土相同，见本章2.6.1节。
（3） 抗剪断参数。由于碾压混凝土坝的碾压层（缝）面的结合质量受材料性质、混凝土配合比、施工工艺、施工管理水平以及施工现场气候条件等诸多因素的影响，易成为坝体的薄弱环节，故材料分区设计时应考虑不同的抗剪断参数要求。