埃塞俄比亞吉貝Ⅲ大壩碾壓混凝土施工中的關鍵技術問題

[埃塞俄比亞]　A.阿斯納克 等

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設計與施工

埃塞俄比亞吉貝Ⅲ大壩碾壓混凝土施工中的關鍵技術問題

[埃塞俄比亞]A.阿斯納克 等

摘要：位于埃塞俄比亞奧莫河的吉貝Ⅲ水電站工程已近完工。該壩為RCC重力壩，最大壩高249 m，是在當今世界同類壩型中壩高最高的壩。工程壩址位于狹窄的河谷，加上壩高較高，因此對RCC澆筑布置效率也提出了空前高的要求；同時，還需要對水泥和RCC的配合比進行優化創新。吉貝Ⅲ水電站工程是埃塞俄比亞重要基礎設施戰略合作的成功典范，是該國經濟增長基礎的關鍵環節。對該工程在設計、施工中遇到的問題及其解決措施作了介紹。

關鍵詞：RCC重力壩；混凝土施工；混凝土澆筑；吉貝Ⅲ大壩；埃塞俄比亞

1工程概述

數十年來，水電資源一致被認為是埃塞俄比亞唯一最有價值的能源，估計其每年的經濟可開發量大約為1 600億kW·h。該國的許多大江大河都流經高山峽谷地區，這也為修建大中型水電工程提供了良好的天然條件。根據埃塞俄比亞的水文特點，該國每年的雨季長達3～4個月，需要在雨季存蓄洪水，以滿足旱季的用水需求，吉貝(Gibe)Ⅲ水電站即可滿足這方面的要求。吉貝Ⅲ水電站的水庫調節庫容達117.5億m3，電站總裝機容量為1 870 MW，多年平均發電量為65億kW·h。

該電站業主為埃塞俄比亞電力公司，這是一家由埃塞俄比亞政府所有的公有制企業。工程采用EPC(指設計、采購和施工，國際咨詢工程師聯合會(FIDIC)銀皮書)合同，承包給意大利的薩利尼-英波基洛(Salini-Impregilo) SpA公司。工程設計方為斯圖迪奧(Studio Ing.G.Pietrangeli)，也是意大利公司；業主代表為法國的特克貝爾(Tractebel)工程公司和意大利的ELC公司。薩利尼-英波基洛SpA公司作為總承包商負責整個工程的協調工作。

吉貝Ⅲ水電站工程位于奧莫(Omo)河中游，在首都亞的斯亞貝巴的西南部，距首都大約450 km。圖1為吉貝Ⅲ水電站工程的地理位置示意圖。

圖1　吉貝Ⅲ水電站地理位置示意

該工程包括最大壩高為249 m的RCC重力壩，壩體所用的RCC方量達620萬m3，為當今世界在建最高的RCC壩。泄水建筑物為壩身布置的泄洪表孔，共有7孔，弧形閘門的孔口尺寸為12 m×17 m(寬×高)。主要地下工程包括3條總長為3.2 km的導流隧洞，2條引水發電隧洞，2個進水塔，2條地下壓力鋼管，2個直徑為18 m的調壓井，以及2條鋼岔管。

2壩址條件和壩型選擇

在庫區范圍內，奧莫河流經峽谷地段，非常適合修建水庫，但是對于大壩建設所需的外來物資運輸卻提出了極大的挑戰。壩址地處偏遠山區和地震活動區，這又更進一步增加了大壩建設難度。在進場交通方面，要求新建1座機場、1座跨度為120 m的大橋、長度分別為75 km的國道和40 km的場內施工道路。同時，在如此偏遠的地方，需要為施工人員提供營地、配備衛生、健身和娛樂設施，這對項目的成功至關重要。

在基礎設計階段曾考慮過以下幾種壩型：混凝土拱壩、混凝土面板堆石壩和RCC重力壩。

然而，右岸巖體條件不適合修建拱壩。

對于瀝青混凝土面板堆石壩和混凝土面板堆石壩也做過相應研究，但是由于以下原因，這2種壩型方案最終均被否定。

(1) 在施工期，土石壩存在著漫頂破壞的風險，融資方和承保方均不能接受該風險。

(2) 計劃在整個壩體完建之前開始蓄水，盡量提早發電。

混凝土重力壩能抵御臨時性漫頂，亦滿足第2個要求。同時，工程區有充足的建筑材料(砂礫石、玄武巖和熔結凝灰巖)，這樣就使RCC方案更受認同。

當時研究的3種RCC壩布置方案如表1所示。

表1　吉貝Ⅲ水電站的3類布置方案比選

盡管方案1投資比較低，但是最終卻是選擇的方案3，主要是考慮到壩后式電站布置方案存在的某些問題。

混凝土重力壩建基巖體為粗面玄武巖，巖體質量好，滿足修建最大壩高為249.0 m混凝土重力壩的要求。建基面附近的垂直縫偶爾會受到熱蝕變的影響，因此對基礎的處理要求比較高。

3基礎處理

由于以下2個特點，致使基礎條件與預期的相比更具有挑戰性：

(1) 裂隙發育和(或)風化巖體分布范圍廣；

(2) 河床存在熱泉。

考慮到以下因素，必須對建基范圍內的裂隙發育和風化巖體進行處理。這些因素包括基礎滲流和侵蝕控制，以及與部分巖體變形量相關的一些結構特性。

綜上所述，擬定了以下處理措施。

(1) 加深開挖深度，且對建基面進行修整；

(2) 對于開挖暴露的風化巖面采用噴混凝土保護；

(3) 上游布置深為40 m的截水帷幕，采用高壓沖洗和灌漿；

(4) 沿主要剪切和風化帶，采取混凝土置換和加密固結灌漿的措施；

(5) 沿關鍵的巖體輪廓，布置灌漿和排水廊道；必要時，為將來進一步的處理預留通道。

建基面開挖期間，在河床處遇到了熱泉，這與沿垂直縫的熱蝕變有關，而且也與深部粗面巖含水層有關。含水層位于厚度為80～100 m的不透水巖體下部。

在分析研究后，及時采取了相應措施，將熱泉截斷，并將其引排至最低的排水廊道，同時進行網絡監測。為截取在蓄水后可能出現的滲水，在壩體內布置了大量排水系統。由于水庫蓄水后，地下水分布狀況將會受到一定的影響，因此，在不同部位和深度布置了V形槽以及專用壓力計，以便在運行期間對滲流量進行持續監測。

4RCC所用水泥

工程前期的研究成果表明，埃塞俄比亞本國的水泥產量不夠，因為只有火山灰水泥表現出低熱性，但其活性成分不滿足要求。此外，由于水泥質量不穩定以及本國水泥的供應斷斷續續，從而促使埃塞俄比亞政府決定從國外進口特種水泥。最初的研究集中在以下2個主要特性方面：即低水化熱和高活性，因而傾向于從巴基斯坦進口高質量的水泥，從南非進口粉煤灰。但是，因運輸成本太高而不可行。因此，混凝土配合比設計傾向于采用意大利生產的高爐礦渣水泥，它可以保證高強低熱的性能，而且其質量穩定，試驗結果也滿足要求。

(1) 就材料的活性而言，采用水泥用量為120 kg/m3的高爐礦渣水泥，與采用95 kg/m3的(巴基斯坦)進口水泥和95 kg/m3的粉煤灰相當。

(2) 高爐礦渣水泥的RCC溫升會更小。詳見圖2。

圖2　RCC溫升曲線

根據試驗成果，最終選擇了意大利的高爐礦渣水泥(ENN Cem Ⅲ 32.5N)，用于大壩下部建基面以上40 m范圍的施工。

從與吉貝Ⅲ水電站工程相關的大型投資中，盡可能地利用國家資源，這對于獲得直接和間接經濟效益而言相當重要。因此，埃塞俄比亞電力公司和薩利尼英波基洛公司攜手，努力尋求在本地生產水泥的解決方案。

為此，與埃塞俄比亞水泥生產廠開展了合作，在施工的同時，由當地技術人員和國際專家一起來完成國內水泥配比等方面的相關試驗工作。在改進的埃塞俄比亞水泥性能的基礎上，通過開展大量的室內外試驗，獲得了合適的RCC配合比。試驗結果表明，只需在普通的埃塞俄比亞水泥中摻入富鐵礦土壤成份以后，就可以生產出EN OPC LH HS 42.5水泥，其配合比性能類似于波特蘭高鐵水泥，具有較低的水化熱、較高的抗硫酸鹽侵蝕性以及比較高的活性，這種水泥已在大壩的主要部位得到使用。在與埃塞俄比亞主要水泥生產商的合作中獲取的這類經驗，被用于完善和改進水泥生產流程，使當地市場的水泥質量得以提高，對促進整個埃塞俄比亞的經濟發展具有積極的作用。

5RCC配合比和試驗

根據抗壓強度、彈性模量、凝聚力、摩擦角等設計要求，對RCC配合比進行了優化。

在層間縫部位和大壩的上游面，要求進行系統的墊層配合比設計，以確保其具有低滲透性。

RCC骨料組成為：71%的砂礫石、24%的玄武巖和5%的熔結凝灰巖。混凝土中所用沙的粒徑為0～6 mm，細骨料的粒徑為6～25 mm，粗骨料的粒徑為25～50 mm(見圖3)。

圖3　典型吉貝Ⅲ大壩RCC混合級配

河床砂礫石由粗面巖、玄武巖和流紋巖組成，熔結凝灰巖為火山碎屑流堆積物，包括火山灰、浮石火山礫和巖屑，分選性較差。熔結凝灰巖被用來生產沙和填料，后者可增加漿體的用量，對提高RCC配合比中的火山灰效應也具有一定的效果。

混合級配中的天然細粒含量約占6%，吉貝Ⅲ大壩施工所采用的配合比中，漿體用量為21.4%(低水泥用量，70 kg/m3)~24.2%(高水泥用量，120 kg/m3)。在攤鋪和碾壓過程中，漿體用量的多少控制著混合物的和易性和離析性。RCC硬化后，其鉆孔取芯成果表明，骨料的分布形態比較好。RCC成份的質量控制檢測情況見表2。

表2　吉貝Ⅲ工程RCC質量控制檢測情況

取樣試驗成果表明，1 a以后的抗壓強度為23 MPa(水泥用量為70 kg/m3)~27 MPa(水泥用量為120 kg/m3)，完全滿足設計要求。

6RCC澆筑問題

如前文所述,吉貝Ⅲ大壩工程為當前世界上在建的最高RCC壩,壩址條件并非很理想,特別是在骨料料源方面。用于該工程的砂石加工系統的生產能力為1 200~1 400 t/h，因此在混凝土溫控方面，應采用混凝土預冷系統。

由于壩址區河谷狹窄，壩高很高，為保證在壩體的不同分區均能可靠、有效地澆筑RCC，需要采取特殊措施。另外，混凝土拌和樓與壩基間的高差達250 m，因此，對其混凝土澆筑需要采取前所未有的解決方案。為了到達大壩高程的較低部位，需要布置17條傳送帶，總長達960 m，傾角為22°，該工程的建設也代表了世界最高水平；同時其最大澆筑能力達到了820 m3/h(RCC)，創下了世界紀錄。

由纜機和專業登山員將較陡的傳送帶架設于大壩壩肩，兩壩肩均有施工道路到達大壩的不同高程部位。隨著澆筑高程不斷增高，傳送帶將RCC輸送至由鋼塔支撐的“卸料線”，然后由履帶式澆筑機將RCC運至計劃澆筑的部位。這種布置可將倉面澆筑RCC所需的運輸設備數量減至最少，可以保證RCC的質量以及層間結合的質量。隨著壩高的不斷增高，這類布置方案的采用可以一直貫穿始終。但是在壩軸線以下70 m范圍，則是采用的非傳統方法進行澆筑。

在設計指定的部位采用座漿層(水泥漿)可以增強層間結合度，這些部位靠近大壩的上游面和下游面。此外，實際應用表明，真空吸塵車可有效保持RCC表面潔凈。

鋪料和碾壓施工分別由推土機和碾壓機械完成。富漿RCC澆筑在模板附近實施，并與常態混凝土平順銜接，主要使用在碾壓機具達不到的部位，對這些部位的混凝土采用插入式振搗器進行壓實。

RCC的連續澆筑強度為15萬～20萬m3/月，增長的平均值與大壩低高程部位RCC的澆筑難度有關，因為壩基和兩岸部位的處理比較耗時費力。

在2014年12月11日，24 h內的RCC澆筑量達到了18 519 m3，創造了新的世界紀錄。

7變更條件管理

為了使承包工程的順利執行，在施工期間，要求EPC承包商能有效管理與初始設計時假定條件不一致的情況。在大型土木工程中，不可避免地會發生變更，特別是像吉貝Ⅲ水電站大壩這樣的工程。表3列舉了一些實例。

表3　主壩工程的變更條件管理(以吉貝Ⅲ工程為例)

8結語

盡管存在著復雜的財務和地質問題，但是吉貝Ⅲ水電站工程建設仍在短短的9 a時間內實現了從全面啟動到運行，其經驗可作為大型、多方參與工程有效管理方面的典范。吉貝Ⅲ水電站工程是“技術靈活性”的典范，工程施工期間表現出來的協商與合作精神，對于各種具有挑戰性的條件予以積極響應均非常關鍵，而這些具有挑戰性的條件對于大型水電工程來說是不可避免的。對于埃塞俄比亞國家的經濟發展而言，這種精神將成為國家關鍵基礎設施建設的主要推動力。

(曹艷輝趙秋云編譯)

收稿日期：2015-11-10

中圖法分類號：TV642

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)01-0031-04