下凯富峡水电站碾压混凝土重力坝快速筑坝技术

刘 沐

(中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450001)

1 工程概况

下凯富峡水电站项目位于南部非洲国家赞比亚境内卢萨卡东南的赞比西河一级支流凯富埃河上，大坝坝址距上凯富峡水电站尾水约6 km，距离赞比亚首都卢萨卡90 km。工程由碾压混凝土重力坝、引水隧洞、发电厂房、400 kV开关站、输电线路、进厂公路及永久运营村组成。碾压混凝土重力坝坝顶长374.5 m、最大坝高139 m、坝顶宽8 m，共分为19个坝段，中部设置3孔弧门溢洪道。下凯富峡水电站是赞比亚40 a来投资开发建设的第一座大型水电站，总装机容量75万kW,年发电量约为30亿kWh。项目由中国水利水电第十一工程局和中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司联营体以融资+EPC总承包模式实施，业主咨询为挪威 Norconsult公司。项目于2018年6月6日开始大坝混凝土浇筑，2020年4月16日完成浇筑，2020年11月18日完成蓄水，现已投入商业运行。下凯富峡水电站碾压混凝土大坝如图1所示。

图1 下凯富峡水电站碾压混凝土大坝

2 工程特点

本工程主要特点是工程规模大、坝体结构复杂、气候恶劣、峡谷地形受限，施工条件差。工程难点主要是工期短，大坝混凝土浇筑强度高；峡谷受限地形下混凝土入仓困难；气候差异大，混凝土温控和层间结合质量要求高；西方业主和工程师与中方设计、施工单位的理念存在较大差异。下凯富峡水电站是“一带一路”的典范工程和中赞合作的“1号工程”，是赞比亚最大的碾压混凝土大坝，坝体结构复杂，坝身设置有闸控制溢洪道，坝后右侧布置生态流量发电厂房。下凯富峡水电站位于南部非洲内陆，年平均气温高，汛期降雨强度大且集中，枯期干旱少雨，昼夜温差大。项目总工期42个月，139 m高的大坝混凝土浇筑总量约130万m3，施工工期仅22个月，混凝土浇筑强度高。项目所处峡谷左岸缺乏施工场地和交通，施工临建设施只能布置在右岸峡谷外侧的沟壑中。大坝右岸天然边坡陡峭，且顺边坡节理发育，施工道路修筑困难，砂石料生产系统、混凝土拌和及上坝系统布置面临较大挑战。因此，大坝碾压混凝土快速施工成为项目设计和施工的核心和关键。

3 快速筑坝设计技术

作为EPC总包商，在项目初步设计和施工图设计阶段时，需要遵循业主要求和招标设计的基本原则，并满足项目功能和性能指标要求。在确保工程结构安全和运行便利条件下，可以针对项目特点，围绕工程履约确定的质量、安全、进度和成本控制目标，创新设计和施工理念，从设计角度为快速筑坝提供技术支撑，开展了碾压混凝土大坝一系列结构设计优化，为大坝快速施工提供解决方案。

3.1 坝体分区优化

在业主的招标设计阶段中，碾压混凝土大坝的上游设置有宽度为水头的1/15～1/30的防渗区，采用二级配碾压混凝土(最大粒径为40 mm)，其中在靠近上游面50～100 cm范围内采用变态混凝土，坝体内部采用三级配碾压混凝土；坝体上部和下部区域又分别采用12 MPa和16 MPa的不同强度等级的碾压混凝土。上述设计理念过于强调坝体上游二级配混凝土区的防渗，忽略了其后三级配碾压混凝土的防渗性能。过于理论化划分坝体上下部碾压混凝土的强度等级，导致坝体在同一施工层内被划分过多的分区，施工时需要频繁更换混凝土配合比，导致施工的技术性中断，增加施工时间和现场组织调度成本。内部三级配节约的成本被上游防水区二级配防渗混凝土增加的成本中和。通过综合研究和试验检验，最终取消上、下游不同级配分区设计，整合原设计90 d龄期上部12 MPa和下部16 MPa混凝土不同强度等级分区，分别使用90 d龄期和365 d龄期，采用全断面同一个碾压混凝土配合比设计，开创了坝体碾压混凝土全断面防渗新理念。针对百米以上高坝，全断面采用同一配合比的碾压混凝土设计，在国内中高坝中尚无先例。全断面同一配合比设计，对于坝体下部高强度混凝土分区充分利用碾压混凝土的后期强度，不仅减少了12 kg/m3的胶凝材料用量，还简化了仓面施工组织，消除了因不同配合比的混凝土入仓调度时可能发生的人为失误，提高了施工效率，确保了施工质量，下凯富峡水电站大坝混凝土分区优化前后对比详见图2。

图2 下凯富峡水电站大坝混凝土分区优化前后对比

3.2 坝体廊道系统优化

基于碾压混凝土机械施工特点，对廊道系统结构进行设计优化，便于碾压混凝土的快速施工。具体如下：

(1) 在坝体上游面扬压力等应力合力不影响大坝整体稳定的条件下，下凯富峡大坝将水平观测廊道调整为全长直线布置，廊道上游模板和上游坝面之间的距离由原设计的4.3 m优化为11.4 m。优化后设备施工通道宽度为9 m，碾压混凝土摊铺碾压设备均可自由通行，大大提高了施工效率。大坝观测廊道优化前后对比见图3。

(2) 在廊道结构断面设计上进行优化，将廊道常规设计的城门洞断面优化为矩形断面，廊道顶部采用混凝土预制平面盖板代替常规的半圆拱预制盖板，廊道周边取消配筋设计，廊道周围采用变态混凝土浇筑，预制盖板以上的变态混凝土厚度达到1 m以上时，可承受碾压机具的静荷载或振动荷载，可继续直接采用常规机械碾压混凝土施工方法快速施工。

3.3 坝顶检修门库优化

对坝顶检修门库设计优化，下凯富峡水电站大坝检修门库初步设计时设置在左岸第7非溢流坝段，门库上游墙体厚度2.0 m，长度16.6 m，深度22 m，属于典型的常态薄壁混凝土结构，该薄壁结构坝段与相邻第8坝段的溢洪道左边墩之间为16.6 m×8.5 m(长×宽)大体积常态混凝土回填区。为避免门库薄壁墙和回填区域大体积混凝土之间产生结构裂缝和渗水风险，将检修门库设计由坝体内布置优化为坝体外布置，相应区域与左岸非溢流坝段一起采用全断面碾压混凝土方法施工，不仅解决了坝体渗漏风险以及碾压混凝土输送皮带机跨越溢洪道的问题，而且保证了大坝施工质量，提高了大坝施工效率。下凯富峡水电站大坝检修门库优化前后对比详见图4。

图3 下凯富峡水电站大坝混凝土分区优化前后对比

图4 下凯富峡水电站大坝混凝土分区优化前后对比单位：mm

4 快速筑坝施工技术

为了使碾压混凝土大坝实现快速机械化施工，从施工角度采取综合措施给予解决，包括采用自拌和楼至仓面布料点的全皮带机系统快速入仓及机械化布料技术解决场地受限条件下混凝土入仓难题；取消坝体碾压混凝土多分区设计，全断面采用同一准三级配碾压混凝土，减少仓面分区，实现不间断通仓连续浇筑施工技术；在碾压混凝土配合比设计上，通过高掺粉煤灰和365 d超长龄期碾压混凝土配合比设计技术，充分利用碾压混凝土后期强度，进一步节省胶材用量，适当延长层间暴露的热缝和温缝时限，减少不同季节和天气等外部不利因素导致的冷缝被迫停盘次数，确保大坝连续浇筑；碾压混凝土间歇层铺洒水泥浆技术，替代了传统的水泥砂浆，能够充分利用大坝两岸现有制浆系统，进一步释放拌和系统产能，全速全天候使用一种配合比高速生产；另外通过围埂法底部加浆振捣变态混凝土施工技术，确保了变态混凝土快速施工时的质量稳定可靠；碾压混凝土层缝面处理修正成熟度判定法应用技术，避免了单一依据混凝土凝结时间判定缝面状态时的缺陷，同时兼顾浇筑外部环境气温的变化对混凝土凝结时间的影响，通过引用修正成熟度参数控制，能够动态判定混凝土凝结时间，为不同季节和气温条件下的施工调度和混凝土浇筑强度控制提供参考，减少了非预期的施工冷缝导致的施工中断，进一步确保了大坝的快速施工。

4.1 全皮带机系统快速入仓及布料技术

受地形限制，下凯富峡水电站砂石拌和系统等主要施工设施均布置在大坝右岸，但大坝右岸天然边坡陡峭，且对边坡岩石节理形成切割，导致右岸修筑道路困难，经多方案比选，最终选用ROTEC全皮带机混凝土输送系统。该系统包括自拌和楼到坝肩的坝外运输皮带、坝内输送皮带、行走式卸料器、连接皮带、履带式布料机，以及坝内输送皮带顶升装置、皮带遮阳防嗮装置和自动控制系统等，真正实现碾压混凝土从拌和楼至浇筑点的全皮带快速入仓和全仓号快速布料，减少仓内设备和人员数量，避免车辆轮胎对碾压混凝土表面的扰动破坏。该项关键技术应用的皮带机全长1 583 m，传输皮带宽900 mm，槽深300 mm，速率3.8 m/s，理论最大输送能力1 200 m3/h，实际最大输送能力520 m3/h，布料连接皮带机长度41 m，布料机最大布料半径68.4 m，混凝土全程运输时间7 min，比汽车运输效率提高15%～20%。另外，为了保证大坝浇筑过程连续升仓，还应用了坝内皮带的快速顶升技术，皮带系统在岸坡段和仓内段均采用铝制轻型皮带机架，皮带机架节之间采用钢销连接，随着仓号浇筑高程升高，打开底部钢销，可调整皮带架的俯仰角度。皮带机立柱由液压顶升装置顶升升高，碾压混凝土每浇筑3层顶升一次，保证皮带机下方足够交通空间，循环交替保证混凝土浇筑连续上升。通过系统研究和改进，下凯富峡水电站碾压混凝土大坝使用ROTEC皮带机系统最终实现了连续升仓浇筑，最小升仓高度10 m，最大升仓高度24 m。下凯富峡水电站大坝仓内皮带机布料系统详见图5。

图5 下凯富峡水电站大坝仓内皮带机布料系统示意 单位：m

4.2 全断面准三级配碾压混凝土技术

国内碾压混凝土坝一般均采用分区、分级配以及短龄期的碾压混凝土设计，大坝的上游防渗区宽度一般为水头的1/15～1/30，采用二级配碾压混凝土，其中在靠近上游面50～100 cm范围内采用变态混凝土，坝体内部采用三级配碾压混凝土(最大粒径为75 mm)，同一仓号内混凝土种类甚至多达5～6种，导致仓面施工工艺复杂，制约了碾压混凝土的快速施工。上游设置二级配防渗区不仅增加工程成本，而且增加了现场施工组织难度，降低了施工速度，也可能因铺料错误给工程质量带来隐患。下凯富峡大坝为赞比亚最大的碾压混凝土坝，坝高131 m，通过研究采用一种级配和标号的准三级配碾压混凝土，骨料最大粒径为63 mm，坝体防渗区域也是采用同种配比通过碾压混凝土底部加浆、振捣形成变态混凝土。仓号内一种级配混凝土操作简单、入仓混凝土根据施工进度随时调配至施工工作面，避免了多种级配、多种标号混凝土的相互影响，保证碾压混凝土施工的连续性、快速性。通过试验研究比较了多种最大骨料粒径碾压混凝土配合比的力学特性、热学特性和经济性，设计优化了混凝土配合比，通过将碾压混凝土配合比最大骨料粒径从75 mm减小至63 mm，减少了碾压混凝土的骨料分离现象。通过改善准三级配碾压混凝土的抗渗性能而在大坝全断面应用，有效简化了碾压混凝土施工工序，提高了碾压混凝土机械化施工效率；该工程经压水试验和蓄水检验，碾压混凝土重力坝全断面应用准三级配作为防渗主体，混凝土芯样渗透系数小于规范要求，大坝廊道和坝后均未发现渗水点，大坝防渗性能优良。下凯富峡水电站大坝廊道系统满库运行见图6。

4.3 高掺粉煤灰和超长龄期碾压混凝土配合比设计技术

下凯富峡水电站项目碾压混凝土配合比设计分为两个阶段。第一阶段根据国内常规做法试拌了90 d龄期的碾压混凝土，根据大坝施工部位的不同，使用3种强度等级的碾压混凝土，即R8(三级配，最大粒径75 mm)，R12(三级配，最大粒径75 mm)，R16(二级配，最大粒径37.5 mm)，并进行了试验段施工。第一阶段配合比试验完成后，根据国际大坝专家Mr.Dunstan建议，为加快大坝碾压混凝土施工速度，在二阶段配合比设计时充分考虑如下4点建议并开展研究：

图6 下凯富峡水电站大坝廊道系统满库运行

(1) 大坝使用一种碾压混凝土施工，这样可以降低施工难度和提高施工效率；

(2) 降低碾压混凝土的最大骨料粒径，采用最大粒径50 mm或者63 mm的碾压混凝土，这样可以降低混凝土的骨料分离，改善混凝土性能；

(3) 使用更长的混凝土设计龄期180 d或者365 d，这样可以降低水泥含量，增大粉煤灰掺量，降低水化热；

(4) 混凝土初凝时间控制在21±3 h，使得现场摊铺碾压时间更为充足，基本满足层间全年度施工时维持热缝，层间结合质量能得到保证。

根据重力坝设计规范规定，碾压混凝土设计龄期一般采用180 d，高坝采用长龄期365 d设计已成为趋势。通过国外工程实践证明，采用长龄期、高掺活性掺合料，以充分利用其后期强度，不仅降低了水泥用量，对简化温控和降低工程成本极为有利。碾压混凝土粉煤灰掺量国内普遍采用50%掺量，由于短龄期设计限制，粉煤灰尚未充分参与二次水化反应，未能充分发挥粉煤灰后期强度高的优势，国内仅个别工程采用60%掺量，65%高掺粉煤灰在国内尚无工程应用。在充分听取国际专家意见建议，研究国内外工程实践和已取得的第一阶段碾压混凝土配合比成果的基础上，详细开展了第二阶段碾压混凝土配合比设计，针对性地开展了65%高掺粉煤灰碾压混凝土配合比研究；高掺粉煤灰混凝土温升研究；高掺粉煤灰对碾压混凝土层间暴露时间的影响研究；长龄期碾压混凝土的力学性能、变形性能、热学性能和耐久性能研究；长龄期碾压混凝土对于大坝施工期和运行期的温控、坝体稳定、应力和变形等的影响规律研究。最终确定了全断面准三级配最大骨料粒径63 mm，粉煤灰掺量65%，圆柱体设计抗压强度365 d龄期12 MPa的碾压混凝土配合比设计。相比国内90 d龄期设计配合比减少水泥用量21 kg，最终批准的配合比及其性能参数详见表1。该配合比设计充分利用了粉煤灰后期增长强度，有效地降低了混凝土温升，原设计的仓内碾压混凝土水冷却系统得以取消，大大简化了仓面施工程序，充分发挥了碾压混凝土机械化快速施工的优势。

4.4 间歇层铺洒水泥浆技术

对于高坝，碾压混凝土间歇层的处理方式非常关键，间歇层的处理最常见的是基础面冲毛、铺设1～2 cm厚的水泥砂浆或铺设富浆混凝土，该方法因需要在拌和楼独立拌制，进而干扰了碾压混凝土的快速施工，而且砂浆在施工中易失去水分干裂而失去层间结合能力，增大层间渗漏风险。借鉴国际上几个已建高坝采用的间歇层铺洒水泥浆的处理方法，开展了针对性试验研究，在试验段进行碾压试验时，碾压混凝土间歇层分别采取了铺设水泥砂浆、铺洒水泥浆和不处理3种方式，缝面处理22 h内的热缝直铺浆液，36 h/48 h的温缝钢刷滚毛，60 h冷缝时表面冲毛或凿毛处理。通过试验和数据分析，在层间粘接强度测试中，水泥浆和砂浆相近，水泥浆总体略优于水泥砂浆。不处理时，则随着缝面暴露时间的延长缝面粘接强度显著降低；在渗透性测试中，铺设水泥浆和砂浆的渗透系数数值相近，结果都满足设计要求小于0.73×10-8cm/s，试验进一步验证了国外工程偏好采用水泥浆替代水泥砂浆完全满足设计要求。间歇层采用铺洒水泥净浆的方法，由于水泥浆液流动性好，防渗性能优，浆液拌制和输送较为方便，在保证层间结合质量的同时，大大简化了施工程序，加快了施工速度。水泥浆配合比及力学性能参数表详见表2。不同处理方式层缝间粘接强度和层间渗透系数试验结果详见图7。

表1 碾压混凝土配合比及其性能参数

表2 水泥浆配合比及力学性能参数

图7 不同处理方式层缝间粘接强度和层间渗透系数试验结果

4.6 围埂法底部加浆振捣变态混凝土施工技术

变态混凝土施工技术的研究和应用首先在中国，也是碾压混凝土大坝施工的关键工序之一，其质量好坏关系到大坝防渗性能和外观质量。变态混凝土加浆方式主要有刻槽铺浆法、插孔注浆法、分层加浆和底部铺浆等不同方式。我国早期建设的碾压混凝土大坝曾采用底部加浆振捣技术，但未推广使用，目前国内应用最多的是刻槽铺浆和插孔注浆方式，但加浆振捣工艺没有统一的标准，在一些工程实践中不尽如人意，即便在同一专业施工团队实施的不同碾压混凝土大坝，其施工质量也存在较大偏差，成为困扰行业内施工技术人员的难题，一些项目为了确保工程质量，衍生出机拌变态混凝土或常态混凝土代替加浆变态混凝土的新趋势，与碾压混凝土技术的初衷背道而驰。参考国内外工程经验，下凯富峡水电站通过进一步对加浆振捣施工工艺进行试验研究，通过在碾压混凝土表面布置标准化围埂、定量化加浆、定时间振捣、可视化监控，形成围埂法底部加浆振捣施工工艺，提高了层间结合质量和变态混凝土的均匀性。采用围埂法底部加浆振捣变态混凝土施工工艺，试验结果表明其层间胶结性能和抗渗性要优于其他加浆方式。围埂法底部加浆振捣变态混凝土配合比试验各项性能检测成果详见表3。

表3 围埂法底部加浆振捣变态混凝土配合比试验各项性能检测成果

4.7 碾压混凝土层缝面处理修正成熟度判定法应用技术

碾压混凝土层间结合强度和层面处理质量对大坝抗滑稳定和控制层间渗漏具有重大影响，是碾压混凝土大坝施工中最关键的质量控制点之一。 在碾压混凝土层面处理方面，国内外仍存在理念上的差异。国内的碾压层缝面根据混凝土的初凝和终凝时间来确定处理措施。通常按照不超过8 h不需要处理，超过8 h但未到16 h需要铺筑水泥砂浆或水泥浆，超过16 h就需要停盘处理。在下凯富峡水电站施工应用中，基于碾压混凝土的凝结时间，并同时考虑混凝土浇筑时的环境气温对混凝土凝结时间的影响，引入国外常用的缝面成熟度(环境温度T和层间间隔时间t的乘积)的概念。对于成熟度的应用，试验数据显示在环境温度为0 ℃时，混凝土的强度仍然在缓慢增长，当环境气温达到-12 ℃时停止增长，因此将标准成熟度进行了修正MMF=t*(T+12℃)，根据碾压混凝土试验段获取的参数，确定了施工缝面判定标准的双重指标：混凝土凝结时间和修正成熟度。将碾压混凝土缝面分为热缝、温缝、冷缝3种类型，采用不同的缝面处理方法。通过碾压段试验，最终确定了指导现场施工的缝面判断双重标准为层间暴露时间低于22 h，且修正成熟度低于757 ℃.H时为热缝，层间暴露超过22 h但不超过32 h，且修正成熟度介于757～1 200 ℃.H时为温缝，层间暴露超过32 h且修正成熟度大于1 200 ℃.H为冷缝。修正成熟度指标的应用，可根据环境气温变化，混凝土施工时的层间暴露时间需要向下修正2～6 h。修正成熟度和混凝土凝结时间两种判断标准的联合使用，不仅确保了混凝土层间结合质量，而且易于现场根据混凝土施工时的环境气温变化，动态判定混凝土凝结时间，及时调整混凝土浇筑强度和预判缝面处理方法，避免非预期的冷缝发生和施工中断，确保了一次开盘后混凝土浇筑的连续性，进而提高了混凝土的施工速度。

5 结 论

下凯富峡水电站作为境外超百米级碾压混凝土重力坝，吸收和借鉴了近年来国内外碾压混凝土快速施工的设计和施工理念，注重创新研究和试验分析，围绕碾压混凝土快速施工的多项关键技术得到成功应用。主要成果如下：

(1) 工程从设计角度简化坝体分区设计、全断面采用同一混凝土配合比、优化各种不利于大坝通仓浇筑的坝体构筑物设计，为大坝碾压混凝土快速施工提供设计支撑，从规划设计上解决了制约大坝碾压混凝土快速施工的桎梏。

(2) 工程从施工角度出发，使用全皮带混凝土运输和布料系统，减少仓面设备和人力投入，机械化快速施工不仅能够降本增效，也确保了工程施工质量。

(3) 在碾压混凝土配合比设计中，提出了全断面准三级配高掺粉煤灰超长龄期碾压混凝土全断面防渗理念。在变态混凝土施工中，对围埂法底部加浆振捣变态混凝土试验研究，成功解决了其它传统加浆法存在的施工质量不稳定问题。

(4) 对碾压混凝土层间缝面处理难题，充分利用大坝现场制浆系统上产水泥浆液，应用在层间缝面上替代水泥砂浆使用，在保证施工质量的前提下，进一步释放了碾压混凝土拌和系统的产能，节约工程成本，加快工程进度。

(5) 通过引入修正成熟度判定法，将碾压混凝土施工期间的环境影响因素纳入层间缝面处理方法的判定中，动态修正和预判碾压混凝土凝结时间，为施工调度和现场组织提供决策依据，避免非预期冷缝的发生和施工中断。

下凯富峡水电站碾压混凝土重力坝在2020年11月17日完成蓄水试验并满库运行，大坝总渗透量小于1 L/s，坝体内部廊道和大坝下游面干燥整洁，无一处渗漏点。大坝整体施工质量优良，得到国际大坝专家的赞扬和肯定。其碾压混凝土大坝快速筑坝技术，可为今后类似工程施工借鉴和参考。