2.2 碾压混凝土坝设计
2.2.1 枢纽布置设计
合理安排水利枢纽中各个水工建筑物的相互位置，称为枢纽布置。枢纽布置应充分发挥碾压混凝土坝的优越性，尤其是要能适应快速施工的特点。
2.2.1.1 枢纽布置应考虑的因素[1]
（1）坝址区的地形、地质、水文、气象条件和建筑材料的来源及适应性。
（2）结合工程任务，合理安排泄水、发电、灌溉、供水及航运等建筑物的布置。
（3）坝体的规模、结构布置型式和主要尺寸。
（4）坝体稳定、混凝土强度和耐久性的要求。
（5）碾压混凝土筑坝的施工条件。
（6）坝体快速施工、缩短工期、节约水泥和简化温度控制措施等。
2.2.1.2 枢纽布置设计的原则[1]
（1）枢纽布置宜为扩大碾压混凝土的使用范围及快速施工创造条件。
（2）大坝中采用碾压混凝土的部位宜相对集中。
（3）狭谷河段碾压混凝土的枢纽布置宜采用引水式或地下厂房。若采用坝后式厂房时，应论证引 （输）水管道布置，方便碾压混凝土施工。
（4）洪水流量较大、河道宽阔而采用河床式厂房的枢纽布置中，碾压混凝土宜应用于非溢流坝段及坝顶溢流坝段。
（5）碾压混凝土坝上布置泄水建筑物时，宜优先采用开敞式溢流孔或溢流表孔。
（6）枢纽的施工导流宜优先采用隧洞和明渠等导流方式。
龙滩碾压混凝土重力坝枢纽布置如图2.4所示[2]，沙牌碾压混凝土拱坝枢纽布置如图2.5所示[8]。
2.2.2 坝体断面设计
以碾压混凝土重力坝为例，坝体断面设计一般应遵循以下原则[1]：
（1）碾压混凝土重力坝的体型断面设计宜简化，便于施工，坝顶最小宽度不宜小于5m，上游坝坡宜采用铅直面，下游坝坡可按常态混凝土重力坝的断面进行优选。
（2）作用在碾压混凝土重力坝上的荷载及其组合、坝体抗滑稳定和应力的计算方法及控制标准应符合 《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）的有关规定。
（3）高坝的碾压混凝土重度应根据料源、配合比、施工条件等由试验确定，中、低坝可根据类似工程的参数选用。
图2.4 龙滩碾压混凝土重力坝枢纽布置图
图2.5 沙牌碾压混凝土拱坝枢纽布置图
（4）碾压混凝土重力坝坝体抗滑稳定分析应包括沿坝基面、碾压层 （缝）面和基础深层滑动面的抗滑稳定。必要时，应分析岸坡坝段的整体稳定。碾压混凝土重力坝碾压层（缝）面的抗滑稳定计算应采用抗剪断公式，其安全系数应符合常态 《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）的有关规定。
碾压混凝土重力坝坝体的碾压层 （缝）面的计算参数，高坝应根据层 （缝）面的施工条件及处理措施进行试验测定；中、低坝，若无条件进行试验时，其计算参数可参照类似工程选用。
（5）碾压混凝土重力坝应力分析的主要内容包括。
1）坝体选定截面 （包括坝基面、折坡处截面及其他需要计算的截面）上的应力。高坝应重视其碾压层 （缝）面的剪应力。
2）坝体廊道、孔洞、管道等坝体削弱部位的局部应力。
3）坝体上闸墩、导墙等部位的应力。
4）地质条件复杂时坝基内部的应力。
设计时可根据工程规模和大坝的具体情况，分析上述内容的全部或部分，或另加其他内容。
（6）碾压混凝土重力坝除按材料力学法计算应力外，高坝尚宜采用有限元法进行计算。修建在复杂地基上的中坝，必要时可采用有限元法进行计算。当不宜作为平面问题分析时，可采用三维有限元法或其他合适的方法进行应力分析。
（7）布置在碾压混凝土坝上的泄水建筑物设计、坝基处理设计，应符合常态 《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）的有关规定。
（8）坝内材料及其分区。混凝土强度等级及坝体材料分区布置应力求简单。碾压混凝土强度等级采用180d（或90d）龄期。坝体内部混凝土强度等级按强度需要确定，宜采用同一种强度等级，但不低于C7.5；外部混凝土强度等级要考虑抗渗和耐久性，不低于C10。
对高、中坝可按高程或部位分别采用不同强度等级，但在同一浇筑层内应尽量采用一种强度等级。
为了确保坝体混凝土与基岩接触良好，同时为防渗需要，碾压混凝土坝的基础垫层必须采用常态混凝土，其厚度一般不小于1.5m，对高坝宜加厚到3m。岸坡部位及坝体难以碾压的部位，可采用常态混凝土或变态混凝土，厚度1m左右。碾压混凝土坝四周的常态混凝土强度与常态混凝土坝相同。
典型的碾压混凝土重力坝坝体材料分区见图2.3。
2.2.3 坝体构造设计
以碾压混凝土重力坝为例，坝体构造设计要点如下[1，9，15]：
（1）碾压混凝土重力坝不宜设置纵缝，根据工程的具体条件和需要设置横缝或诱导缝。横缝或诱导缝间距应根据坝基地形地质条件、坝体布置、坝体断面尺寸、温度应力、施工强度等因素综合比较确定，其间距宜为20～30m。碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝分缝分块的比较如图2.6所示[15]。
图2.6 重力坝分缝分块图
（a）常态混凝土重力坝；（b）碾压混凝土重力坝
碾压混凝土重力坝宜少设或不设温度收缩横缝。当坝较长时应设横缝，其间距由温度应力计算来定。由于碾压混凝土的后期发热，弹模和抗拉强度随龄期增长，温度应力计算是较复杂的。目前国内外都在研究坝体温度应力计算程序，以确定横缝间距。已建碾压混凝土重力坝的横缝间距最小为15～20m，最大为50～60m。
碾压混凝土重力坝一般不宜设纵缝。因纵缝要传力，需做键槽和灌浆系统，较为复杂。但是，对于高坝，由于浇筑碾压的面积限制，为防止产生温度裂缝必须设纵缝时，可在纵缝两侧采用常态混凝土层，纵缝做法同常态混凝土坝。因不能埋设冷却水管，以通过坝内冷却来提前灌浆，故应加强混凝土预冷，如降低入仓温度等。
（2）碾压混凝土坝的基础灌浆、排水、检查、安全检测及交通等廊道宜予以合并；低坝可设置1条，中、高坝可设置1～3条。廊道断面应满足施工、运行、安全检测和检修等要求。廊道可采用变态混凝土、常态混凝土或混凝土预制构件等形成。
（3）闸墩、坝内引水管、坝顶构造等，宜用常态混凝土浇筑，做法同常态混凝土坝。
（4）碾压混凝土坝的上游面应设防渗层，防渗层的设置方式见后述。
（5）碾压混凝土重力坝横缝或诱导缝的上游面、溢流面、下游面最高尾水位以下及坝内廊道和孔洞穿过横缝或诱导缝处的四周等部位应布置止水设施。
一种较为常用的横缝止水和排水结构如图2.7所示[9]。
图2.7 横缝止水和排水结构图 （单位：mm）
（a）横缝上游侧；（b）横缝下游侧
（6）碾压混凝土重力坝坝内竖向排水孔应设在上游防渗层下游侧，可采用钻孔、埋设透水管或拔管等方法形成，孔距为2～3m。
根据坝的重要性、结构布置、运行条件和地质条件等因素，可在大坝基础设置排水廊道。下游坝面应根据下游水位变幅等情况，视工程的具体条件采取相应的防渗措施。
2.2.4 坝体防渗设计
碾压混凝土坝层间结合处 （层面）为防渗的薄弱环节。为保证坝体正常运行，需在其上游采取必要的防渗措施，以便使碾压混凝土坝达到一定的防渗要求。碾压混凝土坝的防渗要求如下[1]：
（1）上游防渗层常态混凝土的抗渗等级为 W4～W8，视水头而定。对高坝、严寒地区，抗渗等级还应提高。
（2）防渗层厚度一般为坝面水头的1/30～1/15，最小厚度应满足施工要求。
（3）坝下游保护层抗渗等级也应在W4以上，厚度2～3m。
（4）内部碾压混凝土也有抗渗要求，不低于 W2～W4。
（5）外部碾压混凝土的抗渗等级应在W4以上，考虑耐久性要求，还宜适当提高。
大多数碾压混凝土坝采用 “金包银”的常态混凝土防渗，以日本、中国、美国和南非为代表。西班牙和中国的一些大坝使用碾压混凝土直接防渗。中国，洪都拉斯、法国和美国的一些工程中使用了常态混凝土预制板和土工膜防渗。碾压混凝土加预制混凝土面板已在澳大利亚、中国、美国和摩洛哥的一些工程中得到应用。西班牙、美国和希腊的一些工程中也曾采用滑模施工的常态混凝土防渗。这些防渗措施不但可以拦阻水流产生的集中渗漏，还可有效降低碾压层面的扬压力，增大坝体的抗滑稳定安全性。
常用的防渗结构型式及其特点如下[10，15]：
（1）常态混凝土 “金包银”防渗结构。常态混凝土 “金包银”是最早采用的一种防渗结构型式，几乎所有的日本碾压混凝土坝都采用这种型式。通常在碾压混凝土坝体与坝基之间浇筑一层常态混凝土垫层，在坝体上下游面设1.5～3.5m厚的常态混凝土作为防渗体，上下游防渗体与坝体碾压混凝土同步搭接浇筑上升。这种防渗型式的坝体断面如图2.2所示。
从实践情况看，这种结构型式防渗效果好，可靠性高。但缺点也很明显，由于常态混凝土所占比例较大，水泥用量相对较多，因此施工工艺复杂，施工干扰较大，难以充分发挥碾压混凝土快速施工的优势，造价也相对较高，若防渗体产生贯穿性温度裂缝则会严重影响防渗效果。
坝内排水管幕一般设在上游常态混凝土防渗层的下游侧，采用钻孔、埋设透水管或拔管等方法形成，孔距为2～3m。钻孔的孔径宜为76～102mm，透水管或拔管的孔径宜为15～20cm，其上下端分别与坝顶或廊道连通，以便排水和检修。坝体内可设水平排水系统，在各排水设计高程的碾压层面上铺设粗骨料排水条带，沿坝轴方向从一岸到另一岸，排水条带断面为20cm×30cm，也要与廊道连通。
上游常态混凝土防渗层中需要设温度收缩缝，间距15～18m，缝中设止水两道，同常态混凝土坝。有的防渗层横缝与碾压混凝土坝体横缝对应，在一条线上；有的在坝体内无对应横缝，则应在防渗层横缝下游侧布置坝轴向水平钢筋，以免防渗层横缝延伸为坝体裂缝。坝下游常态混凝土保护层或溢流坝面层中也应设置横缝及止水，做法同上游面防渗层，但止水可用一道，结构稍简单。
（2）常态混凝土薄层防渗结构。常态混凝土薄层结构是目前欧美较流行的一种防渗结构型式。在坝的上游面浇筑厚0.3～1.0m的常态混凝土，浇筑层厚与碾压混凝土铺筑层厚度相同，在其下游约1～3m范围的碾压混凝土层面上铺设2.5～7.0cm厚的垫层，垫层用细骨料常态混凝土或水泥砂浆。坝下游面不设常态混凝土。与 “金包银”结构相比，由于常态混凝土的比例较小，能较充分发挥碾压混凝土快速施工的优点，但由于薄层抗裂性能较差，其防渗效果有时不是十分理想。如采用这一防渗结构的中叉坝和盖尔斯威尔坝等，均曾出现明显的裂缝。
（3）钢筋混凝土面板防渗结构。钢筋混凝土面板防渗是在坝体上游面浇筑一道钢筋混凝土面板作为坝体的防渗结构。面板的厚度可以是等厚的或变厚的，一般为0.3～0.5m。这种防渗结构通过面板的分缝来避免防渗体产生过大的温度应力，通过布设钢筋来限制裂缝的扩展，防渗效果良好。面板的施工既可以先于碾压混凝土的铺筑，达一定强度后作为碾压混凝土施工时的模板，也可以滞后于坝体铺筑，选择适宜的条件单独施工，以充分发挥碾压混凝土的施工优势。经研究，面板后于坝体施工更有利于面板防渗作用的发挥。但钢筋混凝土面板分缝较多，必须布置严格的止水设施，同时温度应力对面板防渗的影响仍然较大，坝体与面板之间的变形和受力特性较为复杂。
（4）碾压混凝土自身防渗结构。碾压混凝土自身防渗是在坝上游面一定范围内使用小骨料、高胶凝材料含量 （为防止过大的温度应力，通常采用多粉煤灰、少水泥的配比）的二级配碾压混凝土作为大坝的防渗结构。这种防渗结构型式是规范建议 “优先采用”的防渗型式。其优点是能充分发挥碾压混凝土的各种优势，又较经济。其缺点是二级配碾压混凝土中同样存在众多的层面，自身也为渗透体，因此它只能起到降低大坝渗流量的作用；另外，二级配碾压混凝土的抗渗能力取决于层面处的抗渗处理效果，而层面的结合质量又具有不确定性，其影响和干扰因素很多，且现场不宜控制和检测，因此防渗效果不太理想。
防渗层宜优先采用二级配碾压混凝土，其抗渗等级的最小允许值见表2.3[1]。
表2.3 抗渗等级最小允许值
二级配碾压混凝土防渗层的有效厚度，宜为坝面水头的1/30～1/15，但最小厚度应满足施工要求。
（5）变态混凝土防渗结构。变态混凝土是指在已摊铺的碾压混凝土拌和料中，掺入一定比例的灰浆后振捣密实的混凝土。
变态混凝土的使用部位及厚度：坝上游面和下游面及难以碾压的浇筑块侧部 （含岸坡部位），其厚度通常为0.3～1.0m。
变态混凝土防渗方法于1987年首次在我国岩滩工程施工围堰中使用，后来在荣地（1989）和普定 （1992）及江垭大坝中使用，均获得了较好的防渗效果。
变态混凝土的性能特点：根据江垭等大坝的应用结果，变态混凝土形成的表面非常光滑，几乎没有蜂窝、麻面等缺陷，升程的缝面结合处很难看出。根据试验结果，变态混凝土的性能特点有：①变态混凝土的抗渗性已达到常态混凝土的水平，完全能够满足200m级碾压混凝土坝的防渗要求；②变态混凝土现场掺浆的均匀程度对各项性能的影响较大。掺浆均匀强制振捣后的变态混凝土的均质性接近于常态混凝土，远好于二级配碾压混凝土；③由于振捣后消除了层面的影响，变态混凝土渗流的相对薄弱环节可能出现在缝面，应加强施工缝面的处理；④变态混凝土其他各项力学指标也均能满足作为大坝防渗结构的要求。
用变态混凝土取代常态混凝土作为防渗结构能够确保两种混凝土的同步上升，避免由于不能及时变换混凝土品种而使层面间隔时间过长，形成交界薄弱面甚至冷缝面；同时大大减小了施工干扰，提高了施工速度。
由于变态混凝土的上述性能特点，目前工程实际中常采用 “变态混凝土与二级配碾压混凝土的组合防渗结构”这种防渗型式。这种防渗型式是以二级配碾压混凝土坝体作为大坝防渗主体，在临水面采用变态混凝土以封闭碾压混凝土层面的一种组合防渗结构。其优点是结构简单、施工简便、造价低、防渗可靠等。但是，这种防渗结构型式也存在一些明显的问题，主要包括：①变态混凝土的抗裂性直接关系到该防渗结构的防渗可靠性和耐久性，是一个需要重点关注的问题；②目前变态混凝土施工还没有规范的施工流程，人为因素对其质量影响较大。变态混凝土的配合比控制、温度控制及表面保护等问题还有待深入研究。
（6）沥青混合料防渗结构。沥青混合料防渗结构由沥青砂浆或沥青混凝土与其上游护面板组成。
沥青混合料渗透系数小，且裂缝有自愈能力，适应变形能力强，理论上适用于任何高度的碾压混凝土坝。
我国第一座碾压混凝土坝——福建坑口重力坝采用这种防渗结构型式，防渗效果良好，坝体几乎不透水。缺点是沥青混合料的亲水性差，影响到与边坡和坝基的结合；另外，防渗体自身施工工艺复杂，需高温拌和，高温浇筑，机械化程度较高；另外，沥青混合料的老化问题尚未得到充分解决，对其耐久性尚无定论。
（7）薄膜防渗结构。防渗薄膜有聚氯乙烯 （PVC）、人工无纺布、土工织物等几种，也有现场喷制的合成材料橡胶膜，或是由几种材料贴合成的合成防渗薄膜等。一般分为两种型式：①内贴薄膜防渗。为使薄膜能贴于坝面，因此采用预制混凝土或其他面板来固定，薄膜贴于面板与坝体之间；②外贴薄膜防渗。将防渗薄膜用金属肋和锚筋等直接固定于大坝表面或通过喷涂、刷涂、刮涂等方式将合成树脂或合成橡胶等涂敷于坝体上游面，固化后形成防渗层。
应该说新鲜薄膜的防渗在所有的防渗结构中是效果最好的，而且薄膜具有良好的拉伸性能，能适应坝体变形，即使坝体开裂也不会影响防渗。内贴式薄膜在外部面板的保护下，可防止外界射线和机械作用的破坏，可靠性较好。但薄膜防渗致命的缺点是薄膜的耐久性问题尚需进一步深入研究，同时薄膜与岸坡和坝基之间的连接也是施工中的一个难点问题。
2.2.5 碾压混凝土坝的温控防裂
碾压混凝土重力坝一般具有大仓面通仓薄层碾压、连续快速施工的特点，由于坝体上升速度较快，难以通过浇筑层面散发坝体内部的热量。虽然碾压混凝土的水泥用量低，水化热温升较小，但由于温峰推迟，且一般不进行混凝土内部人工冷却降温，因此在低温季节坝体内外温差偏大时，就易产生较大的温度应力，引起表面裂缝。此外，碾压混凝土重力坝常在建基面上浇筑常态混凝土垫层，并停歇较长时间进行基础灌浆，更容易产生裂缝。
碾压混凝土拱坝尽管在薄层碾压过程中，可利用层间间隙散掉一部分热量，但在拱作用形成以后，仍有相当部分的水化热储存在坝体内。在坝体冷却降温过程中，当碾压混凝土收缩产生的温度应力超过其自身的抗拉强度时，将引起坝体开裂。因此，碾压混凝土坝的温控工作虽没有常态混凝土坝复杂，但在施工过程中同样要采取相应的温控防裂措施。
碾压混凝土坝施工期常用的温控防裂措施主要包括[2]：
（1）减少碾压混凝土中水泥水化热。采用低热或中热水泥，采用高效减水剂高掺粉煤灰或其他活性材料等，以降低水泥用量、减少水泥水化热。
（2）选择适宜的浇筑温度。碾压混凝土施工宜在日平均气温3～25℃之间进行。当日平均气温高于25℃以及月平均气温高于容许浇筑温度时，如要进行碾压混凝土施工，则必须采取有效地降温措施。当日平均气温低于3℃或遇到温度骤降时，应暂停碾压混凝土施工，并对坝面及仓面采取适当的保温措施。
（3）降低碾压混凝土的入仓温度。常用的方法有：降低骨料温度、在碾压混凝土运输过程中遮阳防晒、仓面喷雾降温等，必要时可在坝体内预埋冷却水管进行初期人工冷却，以削减温峰。
（4）加速浇筑块散热。应合理分缝、分块，分缝常用切缝法 （在混凝土拌和料浇筑平仓后，用切缝机切缝，缝中插入薄钢板或塑料板，然后在层面碾压，较为可靠且常用）和诱导成缝法 （在工作缝面上用风钻沿横缝线间隔钻孔，可诱导成缝），并薄层浇筑。
（5）坝体表面防护。常用的防护方法有：采用保温模板、覆盖保温材料等。
（6）控制升程厚度及层间间歇时间。碾压混凝土每个升程厚度一般为1.0m左右。各升程间的施工缝应进行处理，升程之间间歇时间一般为2～3d。碾压混凝土浇筑进度安排应尽量保证均衡升程。
（7）基础部位常态混凝土防裂措施。坝基、护坦等部位的常态混凝土垫层，水化热较高，又受地基约束，因此在浇筑时不宜长期间歇。当基础约束范围内混凝土难以避免长期间歇或越冬时，宜采取蓄水保温或其他严格的保温防护措施。
2.2.6 碾压混凝土坝层面抗剪特性
一般常态混凝土重力坝是基础滑动起控制作用，有资料表明，世界上还没有一座混凝土重力坝因在持续荷载和洪水作用下，发生基岩面以上坝体本身混凝土被剪断而失事。失事一般都是沿基岩面滑动或基岩受剪破坏所致。而碾压混凝土重力坝则不同，它是分层铺填、分层碾压的，突出地存在层间结合问题。如果处理不当，层面可能会由于其抗剪强度很小而成为影响坝体抗滑稳定的薄弱面。因此，碾压混凝土重力坝设计中必须重视层面的抗剪特性问题。
2.2.6.1 影响层面抗剪性能的因素
根据一般工程经验，影响层面抗剪性能的主要因素如下[11，15]：
（1）运输和平仓过程中的骨料分离。
（2）VC值过大或过小。
（3）振动压实能量不够。
（4）层间间隔时间过长。
（5）碾压层厚度过大。
2.2.6.2 控制层面抗剪强度、增加层面抗滑稳定性的措施
根据龙滩坝等国内一些工程的经验，在碾压混凝土坝施工过程中，通过采取以下措施可以达到控制层面抗剪强度、增加层面抗滑稳定性的目的[12]：
（1）控制每层连续铺筑时间，一般必须在初凝时间以前铺设完毕。
（2）在材料配合比中适当增加缓凝剂，以延长初凝时间。
（3）防止分离现象，应防止骨料倾倒成堆、缺乏泥浆而难以胶结。
（4）防止层面被污染，主要防止泥浆带入仓面，影响胶结。
（5）在层面上加铺一薄层砂浆，以增强胶结。
（6）仓面向上游倾斜1%～2%，可增加稳定。
2.2.7 碾压混凝土坝层面抗剪性能试验
规范规定[1]：碾压混凝土重力坝坝体的碾压层 （缝）面的抗剪计算参数，高坝应根据层 （缝）面的施工条件及处理措施进行试验测定；中、低坝，若无条件进行试验时，抗剪计算参数可参照类似工程选用。碾压混凝土抗剪强度的试验方法一般包括室内直剪试验和现场原位试验。
（1）室内直剪试验[13]。试验目的是测定碾压混凝土及其层面的抗剪强度。试验采用直剪仪，包括法向和剪切向的加载设备，如图2.8所示[13]。
试件尺寸为250mm×250mm×250mm，养护至要求龄期，进行碾压混凝土本身抗剪强度试验。用于层间结合试验的抗剪试验分两次成型。第一次称取试件1/2高度所需要的碾压混凝土装入试模，按规定压振密实，并使表面平整，放入养护室养护至要求的间隔时间后，取出试模，按施工要求处理，再成型上半部。试件养护至试验要求龄期进行试验。极限抗剪强度的计算公式如下式[13]：
图2.8 室内混凝土剪切试验仪示意图
1—剪力盒；2—加荷千斤顶；3—滚轴排；4—传力垫块；5—刚性架
式中：τ为剪切面极限抗剪强度，MPa；σ为作用于剪切面上的法向正应力，MPa；f′为剪切面的抗剪断摩擦系数；c′为剪切面的抗剪断凝聚力，MPa。
（2）现场原位试验[13]。试验目的是测试坝体碾压混凝土抵抗剪切破坏的性能，以评价碾压混凝土的碾压质量，提供校核坝体抗滑稳定的参数。该试验适用于坝体碾压混凝土本体、碾压混凝土层面以及混凝土与岩体接触面的原位抗剪强度测试。其中，碾压混凝土层面现场原位抗剪断试验的基本原理如图2.9所示。
碾压混凝土层面现场原位抗剪断试验的试件尺寸一般为500mm×500mm×300mm，试验在碾压混凝土构筑物上选定具有代表性的部位与试验层面，宜在碾压施工试验体或坝体顶部若干层面上选定，选定试验区的面积应不小于2m×8m，试件布置需在同一层面上，数量为5～6块。进行试验布置时，施加在试验体面上的水平推力方向应与结构受力方向一致。试验体开挖时混凝土的龄期应不少于21d。采用人工挖凿试验区内试验体外围混凝土，深度至试验层面，但受水平推力的面下挖深度需至层面以下，开挖后的尺寸误差不大于±2cm。完成开挖后应做好试验体的养护与保护，至规定的试验龄期进行试验。
图2.9 碾压混凝土层面现场原位抗剪断试验原理示意图
由于高坝实际施工的混凝土工程量大、工期长，影响层面碾压质量的因素多，抗剪强度参数的离散性大；而现场碾压试验经历的时间短，出现影响混凝土层面碾压质量的因素较少，抗剪断强度参数的离散性较小，因此不能把现场试验结果经统计分析得到的抗剪断强度参数值直接用于工程设计，结合试验结果进行必要的工程类比是必要的。
龙滩碾压混凝土坝先后3次共进行了10种工况的现场碾压试验，开展了现场原位碾压混凝土层面抗剪强度试验研究129组，现场取样室内抗剪强度试验研究186组[14]。根据试验结果，结合对我国已建的40个大、中型工程的类比分析，确定龙滩碾压混凝土坝的层面抗剪断强度参数的建议值见表2.4[14，15]。国内外部分已建碾压混凝土坝的层面抗剪断强度参数值见表2.5[15]。
表2.4 龙滩碾压混凝土坝的层面抗剪断强度参数建议值
表2.5 国内外部分已建碾压混凝土坝的层面抗剪断强度参数值
2.2.8 碾压混凝土坝抗渗等级及其试验[5，13，15]
由于碾压混凝土坝采用通仓、薄层连续铺筑并碾压的施工方法，因此，碾压混凝土层间结合面即层面不仅可能成为抗剪强度的薄弱面，而且还可能成为坝体抗渗性的薄弱面。因此，碾压混凝土坝设计中必须重视层面的抗渗性问题。
碾压混凝土坝层面是施工过程中形成的界面缝隙，其渗流属于缝隙水流，缝隙水流满足如下所示的司托克斯方程[15]：
式中：q为缝隙单宽渗流量；V为缝隙水流平均流速；Df为隙宽；γ为水的重度；μ为水的运动黏滞系数；J为沿缝隙切向的水力梯度。
碾压混凝土的抗渗性是指碾压混凝土抵抗压力水渗透作用的能力，可用抗渗等级或渗透系数等表示。我国目前沿用的表示方法是抗渗等级。碾压混凝土抗渗等级是以标准试件在标准试验方法下所能承受的最大水压力确定的，抗渗等级分为：W2、W4、W6、W8、W10、W12六级。
碾压混凝土的抗渗性也可用渗透系数表示。渗透系数越小，混凝土的抗渗性越强。渗透系数与抗渗等级之间一般具有表2.6所示的近似关系[5]。
表2.6 混凝土抗渗等级与渗透系数的关系
《水工碾压混凝土施工规范》中把现场压水试验作为现场评定碾压混凝土抗渗性的方法[17]，其可靠性、准确性是至关重要的。由于目前尚无专门的水工碾压混凝土压水试验规程，因此只能参照 《水利水电工程钻孔压水试验规程》（SL31）进行试验操作。
抗渗等级的试验测定是采用渗透仪实施的。试验方法采用现场压水试验法。混凝土试件经28d（或90d）养护后，安装在渗透仪上，按逐级加水压法进行水压试验。水压力从1kg/cm2开始，以后每隔8h增加水压1kg/cm2，当6个试件中有3个试件表面出现渗水时，该水压值减1即为抗渗等级。渗透仪装置原理如图2.10所示[15]。
图2.10 渗透仪装置示意图
压水试验时待测试件可分为两种试验模型：串联模型 （渗透水方向垂直于层面）和并联模型 （渗透水方向平行于层面），分别用于测定垂直于层面方向和平行于层面方向的渗透系数或抗渗等级。两种模型如图2.11所示[15]。
图2.11 渗透试验模型示意图
龙滩碾压混凝土坝渗透试验结果见表2.7[15]。
表2.7 龙滩碾压混凝土坝渗透试验结果表
抗渗等级这个指标虽然简单直观，但没有时间和渗透量的定量概念，不能确切反映碾压混凝土的渗透性能，而且不便于在工程设计中直接使用，不能像渗透系数那样直接应用于渗流计算中，也难以把现场压水试验结果与之联系。而渗透系数则能反映时间和渗透量的定量概念，能确切反映碾压混凝土的渗透性能，也便于为设计所直接采用。因此，许多学者建议采用渗透系数来评价碾压混凝土的抗渗性能，有些学者还提出了进行两者换算的近似关系式。如浙江大学胡云进等[16]，基于碾压混凝土芯样抗渗试验结果，经统计分析提出碾压混凝土渗透系数与抗渗等级 （标号）之间的关系可用如下公式表示：
二级配碾压混凝土：
整个坝体碾压混凝土：
式中：k为渗透系数，cm/s；S为抗渗等级 （标号）。