[埃塞俄比亚]　A.阿斯纳克 等



设计与施工

埃塞俄比亚吉贝Ⅲ大坝碾压混凝土施工中的关键技术问题

[埃塞俄比亚]A.阿斯纳克 等

摘要：位于埃塞俄比亚奥莫河的吉贝Ⅲ水电站工程已近完工。该坝为RCC重力坝，最大坝高249 m，是在当今世界同类坝型中坝高最高的坝。工程坝址位于狭窄的河谷，加上坝高较高，因此对RCC浇筑布置效率也提出了空前高的要求；同时，还需要对水泥和RCC的配合比进行优化创新。吉贝Ⅲ水电站工程是埃塞俄比亚重要基础设施战略合作的成功典范，是该国经济增长基础的关键环节。对该工程在设计、施工中遇到的问题及其解决措施作了介绍。

关键词：RCC重力坝；混凝土施工；混凝土浇筑；吉贝Ⅲ大坝；埃塞俄比亚

1工程概述

数十年来，水电资源一致被认为是埃塞俄比亚唯一最有价值的能源，估计其每年的经济可开发量大约为1 600亿kW·h。该国的许多大江大河都流经高山峡谷地区，这也为修建大中型水电工程提供了良好的天然条件。根据埃塞俄比亚的水文特点，该国每年的雨季长达3～4个月，需要在雨季存蓄洪水，以满足旱季的用水需求，吉贝(Gibe)Ⅲ水电站即可满足这方面的要求。吉贝Ⅲ水电站的水库调节库容达117.5亿m3，电站总装机容量为1 870 MW，多年平均发电量为65亿kW·h。

该电站业主为埃塞俄比亚电力公司，这是一家由埃塞俄比亚政府所有的公有制企业。工程采用EPC(指设计、采购和施工，国际咨询工程师联合会(FIDIC)银皮书)合同，承包给意大利的萨利尼-英波基洛(Salini-Impregilo) SpA公司。工程设计方为斯图迪奥(Studio Ing.G.Pietrangeli)，也是意大利公司；业主代表为法国的特克贝尔(Tractebel)工程公司和意大利的ELC公司。萨利尼-英波基洛SpA公司作为总承包商负责整个工程的协调工作。

吉贝Ⅲ水电站工程位于奥莫(Omo)河中游，在首都亚的斯亚贝巴的西南部，距首都大约450 km。图1为吉贝Ⅲ水电站工程的地理位置示意图。

图1　吉贝Ⅲ水电站地理位置示意

该工程包括最大坝高为249 m的RCC重力坝，坝体所用的RCC方量达620万m3，为当今世界在建最高的RCC坝。泄水建筑物为坝身布置的泄洪表孔，共有7孔，弧形闸门的孔口尺寸为12 m×17 m(宽×高)。主要地下工程包括3条总长为3.2 km的导流隧洞，2条引水发电隧洞，2个进水塔，2条地下压力钢管，2个直径为18 m的调压井，以及2条钢岔管。

2坝址条件和坝型选择

在库区范围内，奥莫河流经峡谷地段，非常适合修建水库，但是对于大坝建设所需的外来物资运输却提出了极大的挑战。坝址地处偏远山区和地震活动区，这又更进一步增加了大坝建设难度。在进场交通方面，要求新建1座机场、1座跨度为120 m的大桥、长度分别为75 km的国道和40 km的场内施工道路。同时，在如此偏远的地方，需要为施工人员提供营地、配备卫生、健身和娱乐设施，这对项目的成功至关重要。

在基础设计阶段曾考虑过以下几种坝型：混凝土拱坝、混凝土面板堆石坝和RCC重力坝。

然而，右岸岩体条件不适合修建拱坝。

对于沥青混凝土面板堆石坝和混凝土面板堆石坝也做过相应研究，但是由于以下原因，这2种坝型方案最终均被否定。

(1) 在施工期，土石坝存在着漫顶破坏的风险，融资方和承保方均不能接受该风险。

(2) 计划在整个坝体完建之前开始蓄水，尽量提早发电。

混凝土重力坝能抵御临时性漫顶，亦满足第2个要求。同时，工程区有充足的建筑材料(砂砾石、玄武岩和熔结凝灰岩)，这样就使RCC方案更受认同。

当时研究的3种RCC坝布置方案如表1所示。

表1　吉贝Ⅲ水电站的3类布置方案比选

尽管方案1投资比较低，但是最终却是选择的方案3，主要是考虑到坝后式电站布置方案存在的某些问题。

混凝土重力坝建基岩体为粗面玄武岩，岩体质量好，满足修建最大坝高为249.0 m混凝土重力坝的要求。建基面附近的垂直缝偶尔会受到热蚀变的影响，因此对基础的处理要求比较高。

3基础处理

由于以下2个特点，致使基础条件与预期的相比更具有挑战性：

(1) 裂隙发育和(或)风化岩体分布范围广；

(2) 河床存在热泉。

考虑到以下因素，必须对建基范围内的裂隙发育和风化岩体进行处理。这些因素包括基础渗流和侵蚀控制，以及与部分岩体变形量相关的一些结构特性。

综上所述，拟定了以下处理措施。

(1) 加深开挖深度，且对建基面进行修整；

(2) 对于开挖暴露的风化岩面采用喷混凝土保护；

(3) 上游布置深为40 m的截水帷幕，采用高压冲洗和灌浆；

(4) 沿主要剪切和风化带，采取混凝土置换和加密固结灌浆的措施；

(5) 沿关键的岩体轮廓，布置灌浆和排水廊道；必要时，为将来进一步的处理预留通道。

建基面开挖期间，在河床处遇到了热泉，这与沿垂直缝的热蚀变有关，而且也与深部粗面岩含水层有关。含水层位于厚度为80～100 m的不透水岩体下部。

在分析研究后，及时采取了相应措施，将热泉截断，并将其引排至最低的排水廊道，同时进行网络监测。为截取在蓄水后可能出现的渗水，在坝体内布置了大量排水系统。由于水库蓄水后，地下水分布状况将会受到一定的影响，因此，在不同部位和深度布置了V形槽以及专用压力计，以便在运行期间对渗流量进行持续监测。

4RCC所用水泥

工程前期的研究成果表明，埃塞俄比亚本国的水泥产量不够，因为只有火山灰水泥表现出低热性，但其活性成分不满足要求。此外，由于水泥质量不稳定以及本国水泥的供应断断续续，从而促使埃塞俄比亚政府决定从国外进口特种水泥。最初的研究集中在以下2个主要特性方面：即低水化热和高活性，因而倾向于从巴基斯坦进口高质量的水泥，从南非进口粉煤灰。但是，因运输成本太高而不可行。因此，混凝土配合比设计倾向于采用意大利生产的高炉矿渣水泥，它可以保证高强低热的性能，而且其质量稳定，试验结果也满足要求。

(1) 就材料的活性而言，采用水泥用量为120 kg/m3的高炉矿渣水泥，与采用95 kg/m3的(巴基斯坦)进口水泥和95 kg/m3的粉煤灰相当。

(2) 高炉矿渣水泥的RCC温升会更小。详见图2。

图2　RCC温升曲线

根据试验成果，最终选择了意大利的高炉矿渣水泥(ENN Cem Ⅲ 32.5N)，用于大坝下部建基面以上40 m范围的施工。

从与吉贝Ⅲ水电站工程相关的大型投资中，尽可能地利用国家资源，这对于获得直接和间接经济效益而言相当重要。因此，埃塞俄比亚电力公司和萨利尼英波基洛公司携手，努力寻求在本地生产水泥的解决方案。

为此，与埃塞俄比亚水泥生产厂开展了合作，在施工的同时，由当地技术人员和国际专家一起来完成国内水泥配比等方面的相关试验工作。在改进的埃塞俄比亚水泥性能的基础上，通过开展大量的室内外试验，获得了合适的RCC配合比。试验结果表明，只需在普通的埃塞俄比亚水泥中掺入富铁矿土壤成份以后，就可以生产出EN OPC LH HS 42.5水泥，其配合比性能类似于波特兰高铁水泥，具有较低的水化热、较高的抗硫酸盐侵蚀性以及比较高的活性，这种水泥已在大坝的主要部位得到使用。在与埃塞俄比亚主要水泥生产商的合作中获取的这类经验，被用于完善和改进水泥生产流程，使当地市场的水泥质量得以提高，对促进整个埃塞俄比亚的经济发展具有积极的作用。

5RCC配合比和试验

根据抗压强度、弹性模量、凝聚力、摩擦角等设计要求，对RCC配合比进行了优化。

在层间缝部位和大坝的上游面，要求进行系统的垫层配合比设计，以确保其具有低渗透性。

RCC骨料组成为：71%的砂砾石、24%的玄武岩和5%的熔结凝灰岩。混凝土中所用沙的粒径为0～6 mm，细骨料的粒径为6～25 mm，粗骨料的粒径为25～50 mm(见图3)。

图3　典型吉贝Ⅲ大坝RCC混合级配

河床砂砾石由粗面岩、玄武岩和流纹岩组成，熔结凝灰岩为火山碎屑流堆积物，包括火山灰、浮石火山砾和岩屑，分选性较差。熔结凝灰岩被用来生产沙和填料，后者可增加浆体的用量，对提高RCC配合比中的火山灰效应也具有一定的效果。

混合级配中的天然细粒含量约占6%，吉贝Ⅲ大坝施工所采用的配合比中，浆体用量为21.4%(低水泥用量，70 kg/m3)~24.2%(高水泥用量，120 kg/m3)。在摊铺和碾压过程中，浆体用量的多少控制着混合物的和易性和离析性。RCC硬化后，其钻孔取芯成果表明，骨料的分布形态比较好。RCC成份的质量控制检测情况见表2。

表2　吉贝Ⅲ工程RCC质量控制检测情况

取样试验成果表明，1 a以后的抗压强度为23 MPa(水泥用量为70 kg/m3)~27 MPa(水泥用量为120 kg/m3)，完全满足设计要求。

6RCC浇筑问题

如前文所述,吉贝Ⅲ大坝工程为当前世界上在建的最高RCC坝,坝址条件并非很理想,特别是在骨料料源方面。用于该工程的砂石加工系统的生产能力为1 200~1 400 t/h，因此在混凝土温控方面，应采用混凝土预冷系统。

由于坝址区河谷狭窄，坝高很高，为保证在坝体的不同分区均能可靠、有效地浇筑RCC，需要采取特殊措施。另外，混凝土拌和楼与坝基间的高差达250 m，因此，对其混凝土浇筑需要采取前所未有的解决方案。为了到达大坝高程的较低部位，需要布置17条传送带，总长达960 m，倾角为22°，该工程的建设也代表了世界最高水平；同时其最大浇筑能力达到了820 m3/h(RCC)，创下了世界纪录。

由缆机和专业登山员将较陡的传送带架设于大坝坝肩，两坝肩均有施工道路到达大坝的不同高程部位。随着浇筑高程不断增高，传送带将RCC输送至由钢塔支撑的“卸料线”，然后由履带式浇筑机将RCC运至计划浇筑的部位。这种布置可将仓面浇筑RCC所需的运输设备数量减至最少，可以保证RCC的质量以及层间结合的质量。随着坝高的不断增高，这类布置方案的采用可以一直贯穿始终。但是在坝轴线以下70 m范围，则是采用的非传统方法进行浇筑。

在设计指定的部位采用座浆层(水泥浆)可以增强层间结合度，这些部位靠近大坝的上游面和下游面。此外，实际应用表明，真空吸尘车可有效保持RCC表面洁净。

铺料和碾压施工分别由推土机和碾压机械完成。富浆RCC浇筑在模板附近实施，并与常态混凝土平顺衔接，主要使用在碾压机具达不到的部位，对这些部位的混凝土采用插入式振捣器进行压实。

RCC的连续浇筑强度为15万～20万m3/月，增长的平均值与大坝低高程部位RCC的浇筑难度有关，因为坝基和两岸部位的处理比较耗时费力。

在2014年12月11日，24 h内的RCC浇筑量达到了18 519 m3，创造了新的世界纪录。

7变更条件管理

为了使承包工程的顺利执行，在施工期间，要求EPC承包商能有效管理与初始设计时假定条件不一致的情况。在大型土木工程中，不可避免地会发生变更，特别是像吉贝Ⅲ水电站大坝这样的工程。表3列举了一些实例。

表3　主坝工程的变更条件管理(以吉贝Ⅲ工程为例)

8结语

尽管存在着复杂的财务和地质问题，但是吉贝Ⅲ水电站工程建设仍在短短的9 a时间内实现了从全面启动到运行，其经验可作为大型、多方参与工程有效管理方面的典范。吉贝Ⅲ水电站工程是“技术灵活性”的典范，工程施工期间表现出来的协商与合作精神，对于各种具有挑战性的条件予以积极响应均非常关键，而这些具有挑战性的条件对于大型水电工程来说是不可避免的。对于埃塞俄比亚国家的经济发展而言，这种精神将成为国家关键基础设施建设的主要推动力。

(曹艳辉赵秋云编译)

收稿日期：2015-11-10

中图法分类号：TV642

文献标志码：A

文章编号：1006-0081(2016)01-0031-04