马萌濛，刘元广，丁熙昊，靳俊杰

(中国水利水电第十一工程局有限公司， 河南 郑州 450000)

电力是社会经济的动力源，世界各国对于气候变化报以巨大的关注，国际水电协会对于零碳排放的承诺力度和对于该领域的投资都是史无前例的，全球能源的可再生转型刻不容缓，而水电行业在转型中至关重要。1981年在日本建成世界上第一座碾压混凝土大坝——岛地川大坝，碾压混凝土坝以其施工效率高、建设周期短的特点迅速成为全球应用最普遍的大坝类型之一。我国碾压混凝土筑坝技术的研究开始于1978年，经过30余年发展，碾压混凝土坝在坝体结构设计和施工工艺方面取得重大突破，形成了具有中国特色的碾压混凝土筑坝技术体系，如坝前二级配碾压混凝土防渗、高掺粉煤灰、低VC值、坝体大仓面间歇浇筑上升、斜层碾压等。

1 工程简介

下凯富峡水电站工程位于非洲赞比亚，工程坐落于距离首都卢萨卡90km的凯富河上，拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝高130.5m、坝长374m、坝顶宽度8m，大坝底高程EL450.5m，上游面EL530m以下为1∶0.2斜坡面，以上为铅直面，下游EL569.5m以下为1∶0.75斜坡面，以上为铅直面。

2 设计优化

2.1 大坝混凝土分区优化

大多数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(最大粒径为40mm)，其中在靠近上游面50～100cm范围内采用变态混凝土，坝体内部采用三级配碾压混凝土。上游设置二级配防渗区设计易造成参与大坝浇筑的设备操作手和设备指挥人员以及土建施工人员相互干扰，且需要时刻关注区分混凝土的强度、级配和位置等信息，降低了施工速度。

碾压混凝土重力坝在上游设置防渗区，大坝防渗由二级配碾压混凝土承担，下游三级配碾压混凝土功能仅为保证重力坝的稳定。此设计理念忽略了三级配碾压混凝土的抗渗性能，同时二级配防渗区在厚度有限的情况下，承担全部的防渗功能必然需要提高混凝土强度，满足抗渗要求。三级配碾压混凝土配合比进行适当调整后，利用整个坝体作为抗渗区，经大坝蓄水监测显示，大坝结构稳定；大坝渗漏量0.96L/s，每米水头1万m2总渗漏量0.002L/s小于国际大坝委员会的优良标准0.04，防渗性能优良。取消上游专设的二级配抗渗区，简化了拌和楼拌料和现场入仓摊铺的施工程序。

下凯富峡水电站碾压混凝土大坝于2018年6月6日开始浇筑，2020年4月16日浇筑完成，历时680天，共浇筑碾压混凝土121万m3。下凯富峡水电站碾压混凝土大坝实际平均浇筑强度为4275m3/d，其中坝面宽度超过(含)40m的平均浇筑强度为5595m3/d，坝面宽度小于40m且大于12m的平均浇筑强度为3500m3/d，坝面宽度小于12m的平均浇筑强度为1191m3/d。根据国际碾压混凝土专家MD&a公司提供的RCC大坝入仓强度图上看，1.3百万级大坝的入仓强度区间为2.5万～7.5万m3，入仓强度位于中上等水平。

图1 大坝混凝土体积与入仓速率对照表

此外，充分利用材料的各项性能，降低施工成本。优化前和优化后的大坝混凝土分区图如2所示。

图2 大坝分区图

2.2 混凝土配合比设计优化

下凯富峡水电站项目碾压混凝土配合比设计分为2个阶段。第一阶段试拌了90d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75mm)，R12(三级配，最大粒径75mm)，R16(三级配，最大粒径37.5mm)，并进行了试验段施工。第一阶段配合比试验完成后，专家对碾压混凝土配合比、试验段的现场情况以及未来大坝的优质高效施工提出了4点建议：

(1)大坝使用一种碾压混凝土进行施工，降低施工难度，提高工效。

(2)降低碾压混凝土的最大骨料粒径，采用最大粒径50mm或者63mm的碾压混凝土，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180d或者365d，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±3h，现场摊铺碾压时间充足，基本满足层间均为热缝，层间结合质量能得到保证。

在已得到的碾压混凝土配合比成果的基础上，增加最大骨料粒径63mm和50mm，设计抗压强度12MPa的碾压混凝土配合比研究，最终配合比及物理性能见表1—2。

表1 推荐碾压混凝土配合比

表2 碾压混凝土配合比试验力学性能 单位：MPa

在满足设计要求的条件下，超长龄期和高掺粉煤灰关键技术显著减少了水泥用量，有利于大体积混凝土温度控制，仓内不需要布置冷却水管。从对比试验结果可知365d龄期的碾压混凝土与其他龄期的配合比相比较，各项物理性能满足设计要求，并且最大骨料粒径越小，改善了碾压混凝土和易性，骨料包裹性越好，出现分离现象越少，提高了碾压混凝土的均匀性。

下凯富峡水电站应用365d超长龄期和65%高掺粉煤灰碾压混凝土配合比，在满足混凝土物理特性的前提下，比国内普遍采用的碾压混凝土配合比减少了21kg水泥；利用粉煤灰后期增长强度，降低混凝土温升，取消仓内碾压混凝土水冷却系统，简化仓面施工程序，充分发挥碾压混凝土高效机械化施工的优势。

2.3 大坝水平观测廊道调整

坝体内部结构物一般有水平观测廊道、斜坡灌浆廊道等，坝体内部结构物将施工仓面切割成若干区域，处于边缘的狭长区域由于空间限制碾压混凝土的运输、摊铺和碾压效率低、质量无法保证。

下凯富峡水电站碾压混凝土大坝针对坝体内结构物阻隔形成的狭小区域通过调整结构物的位置，扩大狭小区域的宽度，以满足摊铺碾压设备的通行要求。

坝体上游面扬压力等应力合力决定大坝水平观测廊道位置，在保证应力合力不影响大坝整体稳定的范围内，下凯富峡大坝将水平观测廊道调整为直线布置，廊道上游模板和上游坝面之间的距离由原设计的4.3m优化为11.4m。优化后设备施工通道宽度为9m，碾压混凝土摊铺碾压设备可自由通行。大坝观测廊道优化对比平面布置如图3所示。

图3 优化前后廊道平面布置对比图

2.4 大坝廊道断面优化

国内大坝廊道一般采用城门洞形断面、廊道周围配置抗裂钢筋、廊道顶拱采用现浇形式施工，廊道区域在浇筑过程中不允许施工设备通行，不利于碾压混凝土连续高效升仓浇筑。为提高碾压混凝土施工速度，保证施工质量，下凯富峡大坝将廊道断面优化为矩形断面，如图4所示。廊道底板和边墙不配置抗裂钢筋，廊道顶板采用荷载计算通过的预制混凝土盖板，盖板和边墙搭接长度50cm。碾压高程至廊道顶高程时，可使用装载机或者汽车吊将预制混凝土盖板安装在指定位置，预制盖板顶部和周围采用变态混凝土浇筑。预制盖板以上的碾压混凝土厚度达到1m以上时，可承受碾压机具的静荷载或振动荷载。通过优化大坝廊道断面，实现了碾压混凝土在水平廊道高程连续升仓，加快了施工速度。

图4 廊道优化

3 结语

通过研究碾压混凝土大坝结构设计优化，科学分析各类材料性能、优化施工工序，形成碾压混凝土重力坝的高效施工经验，为以后类似施工项目提供借鉴。探讨结论如下：①大坝分区。取消了二级配防渗区，全断面采用单一配合比，施工效率提高10%以上。施工过程中需严格执行碾压混凝土施工工艺，杜绝骨料分离形成渗水通道。②碾压混凝土配合比。高掺粉煤灰和超长龄期配合比可简化温控措施，是取消了仓内冷却水管和简化仓面施工的基础。粉煤灰掺加比例仍有进一步优化的空间。③观测廊道布置和形式。优化了廊道布置和廊道模板形式，为机械化施工提供便利。