下凱富峽水電站碾壓混凝土重力壩快速筑壩技術

劉 沐

(中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450001)

1 工程概況

下凱富峽水電站項目位于南部非洲國家贊比亞境內盧薩卡東南的贊比西河一級支流凱富埃河上，大壩壩址距上凱富峽水電站尾水約6 km，距離贊比亞首都盧薩卡90 km。工程由碾壓混凝土重力壩、引水隧洞、發電廠房、400 kV開關站、輸電線路、進廠公路及永久運營村組成。碾壓混凝土重力壩壩頂長374.5 m、最大壩高139 m、壩頂寬8 m，共分為19個壩段，中部設置3孔弧門溢洪道。下凱富峽水電站是贊比亞40 a來投資開發建設的第一座大型水電站，總裝機容量75萬kW,年發電量約為30億kWh。項目由中國水利水電第十一工程局和中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司聯營體以融資+EPC總承包模式實施，業主咨詢為挪威 Norconsult公司。項目于2018年6月6日開始大壩混凝土澆筑，2020年4月16日完成澆筑，2020年11月18日完成蓄水，現已投入商業運行。下凱富峽水電站碾壓混凝土大壩如圖1所示。

圖1 下凱富峽水電站碾壓混凝土大壩

2 工程特點

本工程主要特點是工程規模大、壩體結構復雜、氣候惡劣、峽谷地形受限，施工條件差。工程難點主要是工期短，大壩混凝土澆筑強度高；峽谷受限地形下混凝土入倉困難；氣候差異大，混凝土溫控和層間結合質量要求高；西方業主和工程師與中方設計、施工單位的理念存在較大差異。下凱富峽水電站是“一帶一路”的典范工程和中贊合作的“1號工程”，是贊比亞最大的碾壓混凝土大壩，壩體結構復雜，壩身設置有閘控制溢洪道，壩后右側布置生態流量發電廠房。下凱富峽水電站位于南部非洲內陸，年平均氣溫高，汛期降雨強度大且集中，枯期干旱少雨，晝夜溫差大。項目總工期42個月，139 m高的大壩混凝土澆筑總量約130萬m3，施工工期僅22個月，混凝土澆筑強度高。項目所處峽谷左岸缺乏施工場地和交通，施工臨建設施只能布置在右岸峽谷外側的溝壑中。大壩右岸天然邊坡陡峭，且順邊坡節理發育，施工道路修筑困難，砂石料生產系統、混凝土拌和及上壩系統布置面臨較大挑戰。因此，大壩碾壓混凝土快速施工成為項目設計和施工的核心和關鍵。

3 快速筑壩設計技術

作為EPC總包商，在項目初步設計和施工圖設計階段時，需要遵循業主要求和招標設計的基本原則，并滿足項目功能和性能指標要求。在確保工程結構安全和運行便利條件下，可以針對項目特點，圍繞工程履約確定的質量、安全、進度和成本控制目標，創新設計和施工理念，從設計角度為快速筑壩提供技術支撐，開展了碾壓混凝土大壩一系列結構設計優化，為大壩快速施工提供解決方案。

3.1 壩體分區優化

在業主的招標設計階段中，碾壓混凝土大壩的上游設置有寬度為水頭的1/15～1/30的防滲區，采用二級配碾壓混凝土(最大粒徑為40 mm)，其中在靠近上游面50～100 cm范圍內采用變態混凝土，壩體內部采用三級配碾壓混凝土；壩體上部和下部區域又分別采用12 MPa和16 MPa的不同強度等級的碾壓混凝土。上述設計理念過于強調壩體上游二級配混凝土區的防滲，忽略了其后三級配碾壓混凝土的防滲性能。過于理論化劃分壩體上下部碾壓混凝土的強度等級，導致壩體在同一施工層內被劃分過多的分區，施工時需要頻繁更換混凝土配合比，導致施工的技術性中斷，增加施工時間和現場組織調度成本。內部三級配節約的成本被上游防水區二級配防滲混凝土增加的成本中和。通過綜合研究和試驗檢驗，最終取消上、下游不同級配分區設計，整合原設計90 d齡期上部12 MPa和下部16 MPa混凝土不同強度等級分區，分別使用90 d齡期和365 d齡期，采用全斷面同一個碾壓混凝土配合比設計，開創了壩體碾壓混凝土全斷面防滲新理念。針對百米以上高壩，全斷面采用同一配合比的碾壓混凝土設計，在國內中高壩中尚無先例。全斷面同一配合比設計，對于壩體下部高強度混凝土分區充分利用碾壓混凝土的后期強度，不僅減少了12 kg/m3的膠凝材料用量，還簡化了倉面施工組織，消除了因不同配合比的混凝土入倉調度時可能發生的人為失誤，提高了施工效率，確保了施工質量，下凱富峽水電站大壩混凝土分區優化前后對比詳見圖2。

圖2 下凱富峽水電站大壩混凝土分區優化前后對比

3.2 壩體廊道系統優化

基于碾壓混凝土機械施工特點，對廊道系統結構進行設計優化，便于碾壓混凝土的快速施工。具體如下：

(1) 在壩體上游面揚壓力等應力合力不影響大壩整體穩定的條件下，下凱富峽大壩將水平觀測廊道調整為全長直線布置，廊道上游模板和上游壩面之間的距離由原設計的4.3 m優化為11.4 m。優化后設備施工通道寬度為9 m，碾壓混凝土攤鋪碾壓設備均可自由通行，大大提高了施工效率。大壩觀測廊道優化前后對比見圖3。

(2) 在廊道結構斷面設計上進行優化，將廊道常規設計的城門洞斷面優化為矩形斷面，廊道頂部采用混凝土預制平面蓋板代替常規的半圓拱預制蓋板，廊道周邊取消配筋設計，廊道周圍采用變態混凝土澆筑，預制蓋板以上的變態混凝土厚度達到1 m以上時，可承受碾壓機具的靜荷載或振動荷載，可繼續直接采用常規機械碾壓混凝土施工方法快速施工。

3.3 壩頂檢修門庫優化

對壩頂檢修門庫設計優化，下凱富峽水電站大壩檢修門庫初步設計時設置在左岸第7非溢流壩段，門庫上游墻體厚度2.0 m，長度16.6 m，深度22 m，屬于典型的常態薄壁混凝土結構，該薄壁結構壩段與相鄰第8壩段的溢洪道左邊墩之間為16.6 m×8.5 m(長×寬)大體積常態混凝土回填區。為避免門庫薄壁墻和回填區域大體積混凝土之間產生結構裂縫和滲水風險，將檢修門庫設計由壩體內布置優化為壩體外布置，相應區域與左岸非溢流壩段一起采用全斷面碾壓混凝土方法施工，不僅解決了壩體滲漏風險以及碾壓混凝土輸送皮帶機跨越溢洪道的問題，而且保證了大壩施工質量，提高了大壩施工效率。下凱富峽水電站大壩檢修門庫優化前后對比詳見圖4。

圖3 下凱富峽水電站大壩混凝土分區優化前后對比

圖4 下凱富峽水電站大壩混凝土分區優化前后對比單位：mm

4 快速筑壩施工技術

為了使碾壓混凝土大壩實現快速機械化施工，從施工角度采取綜合措施給予解決，包括采用自拌和樓至倉面布料點的全皮帶機系統快速入倉及機械化布料技術解決場地受限條件下混凝土入倉難題；取消壩體碾壓混凝土多分區設計，全斷面采用同一準三級配碾壓混凝土，減少倉面分區，實現不間斷通倉連續澆筑施工技術；在碾壓混凝土配合比設計上，通過高摻粉煤灰和365 d超長齡期碾壓混凝土配合比設計技術，充分利用碾壓混凝土后期強度，進一步節省膠材用量，適當延長層間暴露的熱縫和溫縫時限，減少不同季節和天氣等外部不利因素導致的冷縫被迫停盤次數，確保大壩連續澆筑；碾壓混凝土間歇層鋪灑水泥漿技術，替代了傳統的水泥砂漿，能夠充分利用大壩兩岸現有制漿系統，進一步釋放拌和系統產能，全速全天候使用一種配合比高速生產；另外通過圍埂法底部加漿振搗變態混凝土施工技術，確保了變態混凝土快速施工時的質量穩定可靠；碾壓混凝土層縫面處理修正成熟度判定法應用技術，避免了單一依據混凝土凝結時間判定縫面狀態時的缺陷，同時兼顧澆筑外部環境氣溫的變化對混凝土凝結時間的影響，通過引用修正成熟度參數控制，能夠動態判定混凝土凝結時間，為不同季節和氣溫條件下的施工調度和混凝土澆筑強度控制提供參考，減少了非預期的施工冷縫導致的施工中斷，進一步確保了大壩的快速施工。

4.1 全皮帶機系統快速入倉及布料技術

受地形限制，下凱富峽水電站砂石拌和系統等主要施工設施均布置在大壩右岸，但大壩右岸天然邊坡陡峭，且對邊坡巖石節理形成切割，導致右岸修筑道路困難，經多方案比選，最終選用ROTEC全皮帶機混凝土輸送系統。該系統包括自拌和樓到壩肩的壩外運輸皮帶、壩內輸送皮帶、行走式卸料器、連接皮帶、履帶式布料機，以及壩內輸送皮帶頂升裝置、皮帶遮陽防嗮裝置和自動控制系統等，真正實現碾壓混凝土從拌和樓至澆筑點的全皮帶快速入倉和全倉號快速布料，減少倉內設備和人員數量，避免車輛輪胎對碾壓混凝土表面的擾動破壞。該項關鍵技術應用的皮帶機全長1 583 m，傳輸皮帶寬900 mm，槽深300 mm，速率3.8 m/s，理論最大輸送能力1 200 m3/h，實際最大輸送能力520 m3/h，布料連接皮帶機長度41 m，布料機最大布料半徑68.4 m，混凝土全程運輸時間7 min，比汽車運輸效率提高15%～20%。另外，為了保證大壩澆筑過程連續升倉，還應用了壩內皮帶的快速頂升技術，皮帶系統在岸坡段和倉內段均采用鋁制輕型皮帶機架，皮帶機架節之間采用鋼銷連接，隨著倉號澆筑高程升高，打開底部鋼銷，可調整皮帶架的俯仰角度。皮帶機立柱由液壓頂升裝置頂升升高，碾壓混凝土每澆筑3層頂升一次，保證皮帶機下方足夠交通空間，循環交替保證混凝土澆筑連續上升。通過系統研究和改進，下凱富峽水電站碾壓混凝土大壩使用ROTEC皮帶機系統最終實現了連續升倉澆筑，最小升倉高度10 m，最大升倉高度24 m。下凱富峽水電站大壩倉內皮帶機布料系統詳見圖5。

圖5 下凱富峽水電站大壩倉內皮帶機布料系統示意 單位：m

4.2 全斷面準三級配碾壓混凝土技術

國內碾壓混凝土壩一般均采用分區、分級配以及短齡期的碾壓混凝土設計，大壩的上游防滲區寬度一般為水頭的1/15～1/30，采用二級配碾壓混凝土，其中在靠近上游面50～100 cm范圍內采用變態混凝土，壩體內部采用三級配碾壓混凝土(最大粒徑為75 mm)，同一倉號內混凝土種類甚至多達5～6種，導致倉面施工工藝復雜，制約了碾壓混凝土的快速施工。上游設置二級配防滲區不僅增加工程成本，而且增加了現場施工組織難度，降低了施工速度，也可能因鋪料錯誤給工程質量帶來隱患。下凱富峽大壩為贊比亞最大的碾壓混凝土壩，壩高131 m，通過研究采用一種級配和標號的準三級配碾壓混凝土，骨料最大粒徑為63 mm，壩體防滲區域也是采用同種配比通過碾壓混凝土底部加漿、振搗形成變態混凝土。倉號內一種級配混凝土操作簡單、入倉混凝土根據施工進度隨時調配至施工工作面，避免了多種級配、多種標號混凝土的相互影響，保證碾壓混凝土施工的連續性、快速性。通過試驗研究比較了多種最大骨料粒徑碾壓混凝土配合比的力學特性、熱學特性和經濟性，設計優化了混凝土配合比，通過將碾壓混凝土配合比最大骨料粒徑從75 mm減小至63 mm，減少了碾壓混凝土的骨料分離現象。通過改善準三級配碾壓混凝土的抗滲性能而在大壩全斷面應用，有效簡化了碾壓混凝土施工工序，提高了碾壓混凝土機械化施工效率；該工程經壓水試驗和蓄水檢驗，碾壓混凝土重力壩全斷面應用準三級配作為防滲主體，混凝土芯樣滲透系數小于規范要求，大壩廊道和壩后均未發現滲水點，大壩防滲性能優良。下凱富峽水電站大壩廊道系統滿庫運行見圖6。

4.3 高摻粉煤灰和超長齡期碾壓混凝土配合比設計技術

下凱富峽水電站項目碾壓混凝土配合比設計分為兩個階段。第一階段根據國內常規做法試拌了90 d齡期的碾壓混凝土，根據大壩施工部位的不同，使用3種強度等級的碾壓混凝土，即R8(三級配，最大粒徑75 mm)，R12(三級配，最大粒徑75 mm)，R16(二級配，最大粒徑37.5 mm)，并進行了試驗段施工。第一階段配合比試驗完成后，根據國際大壩專家Mr.Dunstan建議，為加快大壩碾壓混凝土施工速度，在二階段配合比設計時充分考慮如下4點建議并開展研究：

圖6 下凱富峽水電站大壩廊道系統滿庫運行

(1) 大壩使用一種碾壓混凝土施工，這樣可以降低施工難度和提高施工效率；

(2) 降低碾壓混凝土的最大骨料粒徑，采用最大粒徑50 mm或者63 mm的碾壓混凝土，這樣可以降低混凝土的骨料分離，改善混凝土性能；

(3) 使用更長的混凝土設計齡期180 d或者365 d，這樣可以降低水泥含量，增大粉煤灰摻量，降低水化熱；

(4) 混凝土初凝時間控制在21±3 h，使得現場攤鋪碾壓時間更為充足，基本滿足層間全年度施工時維持熱縫，層間結合質量能得到保證。

根據重力壩設計規范規定，碾壓混凝土設計齡期一般采用180 d，高壩采用長齡期365 d設計已成為趨勢。通過國外工程實踐證明，采用長齡期、高摻活性摻合料，以充分利用其后期強度，不僅降低了水泥用量，對簡化溫控和降低工程成本極為有利。碾壓混凝土粉煤灰摻量國內普遍采用50%摻量，由于短齡期設計限制，粉煤灰尚未充分參與二次水化反應，未能充分發揮粉煤灰后期強度高的優勢，國內僅個別工程采用60%摻量，65%高摻粉煤灰在國內尚無工程應用。在充分聽取國際專家意見建議，研究國內外工程實踐和已取得的第一階段碾壓混凝土配合比成果的基礎上，詳細開展了第二階段碾壓混凝土配合比設計，針對性地開展了65%高摻粉煤灰碾壓混凝土配合比研究；高摻粉煤灰混凝土溫升研究；高摻粉煤灰對碾壓混凝土層間暴露時間的影響研究；長齡期碾壓混凝土的力學性能、變形性能、熱學性能和耐久性能研究；長齡期碾壓混凝土對于大壩施工期和運行期的溫控、壩體穩定、應力和變形等的影響規律研究。最終確定了全斷面準三級配最大骨料粒徑63 mm，粉煤灰摻量65%，圓柱體設計抗壓強度365 d齡期12 MPa的碾壓混凝土配合比設計。相比國內90 d齡期設計配合比減少水泥用量21 kg，最終批準的配合比及其性能參數詳見表1。該配合比設計充分利用了粉煤灰后期增長強度，有效地降低了混凝土溫升，原設計的倉內碾壓混凝土水冷卻系統得以取消，大大簡化了倉面施工程序，充分發揮了碾壓混凝土機械化快速施工的優勢。

4.4 間歇層鋪灑水泥漿技術

對于高壩，碾壓混凝土間歇層的處理方式非常關鍵，間歇層的處理最常見的是基礎面沖毛、鋪設1～2 cm厚的水泥砂漿或鋪設富漿混凝土，該方法因需要在拌和樓獨立拌制，進而干擾了碾壓混凝土的快速施工，而且砂漿在施工中易失去水分干裂而失去層間結合能力，增大層間滲漏風險。借鑒國際上幾個已建高壩采用的間歇層鋪灑水泥漿的處理方法，開展了針對性試驗研究，在試驗段進行碾壓試驗時，碾壓混凝土間歇層分別采取了鋪設水泥砂漿、鋪灑水泥漿和不處理3種方式，縫面處理22 h內的熱縫直鋪漿液，36 h/48 h的溫縫鋼刷滾毛，60 h冷縫時表面沖毛或鑿毛處理。通過試驗和數據分析，在層間粘接強度測試中，水泥漿和砂漿相近，水泥漿總體略優于水泥砂漿。不處理時，則隨著縫面暴露時間的延長縫面粘接強度顯著降低；在滲透性測試中，鋪設水泥漿和砂漿的滲透系數數值相近，結果都滿足設計要求小于0.73×10-8cm/s，試驗進一步驗證了國外工程偏好采用水泥漿替代水泥砂漿完全滿足設計要求。間歇層采用鋪灑水泥凈漿的方法，由于水泥漿液流動性好，防滲性能優，漿液拌制和輸送較為方便，在保證層間結合質量的同時，大大簡化了施工程序，加快了施工速度。水泥漿配合比及力學性能參數表詳見表2。不同處理方式層縫間粘接強度和層間滲透系數試驗結果詳見圖7。

表1 碾壓混凝土配合比及其性能參數

表2 水泥漿配合比及力學性能參數

圖7 不同處理方式層縫間粘接強度和層間滲透系數試驗結果

4.6 圍埂法底部加漿振搗變態混凝土施工技術

變態混凝土施工技術的研究和應用首先在中國，也是碾壓混凝土大壩施工的關鍵工序之一，其質量好壞關系到大壩防滲性能和外觀質量。變態混凝土加漿方式主要有刻槽鋪漿法、插孔注漿法、分層加漿和底部鋪漿等不同方式。我國早期建設的碾壓混凝土大壩曾采用底部加漿振搗技術，但未推廣使用，目前國內應用最多的是刻槽鋪漿和插孔注漿方式，但加漿振搗工藝沒有統一的標準，在一些工程實踐中不盡如人意，即便在同一專業施工團隊實施的不同碾壓混凝土大壩，其施工質量也存在較大偏差，成為困擾行業內施工技術人員的難題，一些項目為了確保工程質量，衍生出機拌變態混凝土或常態混凝土代替加漿變態混凝土的新趨勢，與碾壓混凝土技術的初衷背道而馳。參考國內外工程經驗，下凱富峽水電站通過進一步對加漿振搗施工工藝進行試驗研究，通過在碾壓混凝土表面布置標準化圍埂、定量化加漿、定時間振搗、可視化監控，形成圍埂法底部加漿振搗施工工藝，提高了層間結合質量和變態混凝土的均勻性。采用圍埂法底部加漿振搗變態混凝土施工工藝，試驗結果表明其層間膠結性能和抗滲性要優于其他加漿方式。圍埂法底部加漿振搗變態混凝土配合比試驗各項性能檢測成果詳見表3。

表3 圍埂法底部加漿振搗變態混凝土配合比試驗各項性能檢測成果

4.7 碾壓混凝土層縫面處理修正成熟度判定法應用技術

碾壓混凝土層間結合強度和層面處理質量對大壩抗滑穩定和控制層間滲漏具有重大影響，是碾壓混凝土大壩施工中最關鍵的質量控制點之一。 在碾壓混凝土層面處理方面，國內外仍存在理念上的差異。國內的碾壓層縫面根據混凝土的初凝和終凝時間來確定處理措施。通常按照不超過8 h不需要處理，超過8 h但未到16 h需要鋪筑水泥砂漿或水泥漿，超過16 h就需要停盤處理。在下凱富峽水電站施工應用中，基于碾壓混凝土的凝結時間，并同時考慮混凝土澆筑時的環境氣溫對混凝土凝結時間的影響，引入國外常用的縫面成熟度(環境溫度T和層間間隔時間t的乘積)的概念。對于成熟度的應用，試驗數據顯示在環境溫度為0 ℃時，混凝土的強度仍然在緩慢增長，當環境氣溫達到-12 ℃時停止增長，因此將標準成熟度進行了修正MMF=t*(T+12℃)，根據碾壓混凝土試驗段獲取的參數，確定了施工縫面判定標準的雙重指標：混凝土凝結時間和修正成熟度。將碾壓混凝土縫面分為熱縫、溫縫、冷縫3種類型，采用不同的縫面處理方法。通過碾壓段試驗，最終確定了指導現場施工的縫面判斷雙重標準為層間暴露時間低于22 h，且修正成熟度低于757 ℃.H時為熱縫，層間暴露超過22 h但不超過32 h，且修正成熟度介于757～1 200 ℃.H時為溫縫，層間暴露超過32 h且修正成熟度大于1 200 ℃.H為冷縫。修正成熟度指標的應用，可根據環境氣溫變化，混凝土施工時的層間暴露時間需要向下修正2～6 h。修正成熟度和混凝土凝結時間兩種判斷標準的聯合使用，不僅確保了混凝土層間結合質量，而且易于現場根據混凝土施工時的環境氣溫變化，動態判定混凝土凝結時間，及時調整混凝土澆筑強度和預判縫面處理方法，避免非預期的冷縫發生和施工中斷，確保了一次開盤后混凝土澆筑的連續性，進而提高了混凝土的施工速度。

5 結 論

下凱富峽水電站作為境外超百米級碾壓混凝土重力壩，吸收和借鑒了近年來國內外碾壓混凝土快速施工的設計和施工理念，注重創新研究和試驗分析，圍繞碾壓混凝土快速施工的多項關鍵技術得到成功應用。主要成果如下：

(1) 工程從設計角度簡化壩體分區設計、全斷面采用同一混凝土配合比、優化各種不利于大壩通倉澆筑的壩體構筑物設計，為大壩碾壓混凝土快速施工提供設計支撐，從規劃設計上解決了制約大壩碾壓混凝土快速施工的桎梏。

(2) 工程從施工角度出發，使用全皮帶混凝土運輸和布料系統，減少倉面設備和人力投入，機械化快速施工不僅能夠降本增效，也確保了工程施工質量。

(3) 在碾壓混凝土配合比設計中，提出了全斷面準三級配高摻粉煤灰超長齡期碾壓混凝土全斷面防滲理念。在變態混凝土施工中，對圍埂法底部加漿振搗變態混凝土試驗研究，成功解決了其它傳統加漿法存在的施工質量不穩定問題。

(4) 對碾壓混凝土層間縫面處理難題，充分利用大壩現場制漿系統上產水泥漿液，應用在層間縫面上替代水泥砂漿使用，在保證施工質量的前提下，進一步釋放了碾壓混凝土拌和系統的產能，節約工程成本，加快工程進度。

(5) 通過引入修正成熟度判定法，將碾壓混凝土施工期間的環境影響因素納入層間縫面處理方法的判定中，動態修正和預判碾壓混凝土凝結時間，為施工調度和現場組織提供決策依據，避免非預期冷縫的發生和施工中斷。

下凱富峽水電站碾壓混凝土重力壩在2020年11月17日完成蓄水試驗并滿庫運行，大壩總滲透量小于1 L/s，壩體內部廊道和大壩下游面干燥整潔，無一處滲漏點。大壩整體施工質量優良，得到國際大壩專家的贊揚和肯定。其碾壓混凝土大壩快速筑壩技術，可為今后類似工程施工借鑒和參考。