[埃塞俄比亞]　A.阿斯納克 等

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設(shè)計(jì)與施工

埃塞俄比亞吉貝Ⅲ大壩碾壓混凝土施工中的關(guān)鍵技術(shù)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(dāng)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(duì)RCC澆筑布置效率也提出了空前高的要求；同時(shí)，還需要對(duì)水泥和RCC的配合比進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新。吉貝Ⅲ水電站工程是埃塞俄比亞重要基礎(chǔ)設(shè)施戰(zhàn)略合作的成功典范，是該國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)基礎(chǔ)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)該工程在設(shè)計(jì)、施工中遇到的問題及其解決措施作了介紹。

關(guān)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(shù)十年來，水電資源一致被認(rèn)為是埃塞俄比亞唯一最有價(jià)值的能源，估計(jì)其每年的經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量大約為1 600億kW·h。該國(guó)的許多大江大河都流經(jīng)高山峽谷地區(qū)，這也為修建大中型水電工程提供了良好的天然條件。根據(jù)埃塞俄比亞的水文特點(diǎn)，該國(guó)每年的雨季長(zhǎng)達(dá)3～4個(gè)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(diào)節(jié)庫容達(dá)117.5億m3，電站總裝機(jī)容量為1 870 MW，多年平均發(fā)電量為65億kW·h。

該電站業(yè)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(yè)。工程采用EPC(指設(shè)計(jì)、采購和施工，國(guó)際咨詢工程師聯(lián)合會(huì)(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(shè)計(jì)方為斯圖迪奧(Studio Ing.G.Pietrangeli)，也是意大利公司；業(yè)主代表為法國(guó)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(fù)責(zé)整個(gè)工程的協(xié)調(diào)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(dá)620萬m3，為當(dāng)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(zhǎng)為3.2 km的導(dǎo)流隧洞，2條引水發(fā)電隧洞，2個(gè)進(jìn)水塔，2條地下壓力鋼管，2個(gè)直徑為18 m的調(diào)壓井，以及2條鋼岔管。

2壩址條件和壩型選擇

在庫區(qū)范圍內(nèi)，奧莫河流經(jīng)峽谷地段，非常適合修建水庫，但是對(duì)于大壩建設(shè)所需的外來物資運(yùn)輸卻提出了極大的挑戰(zhàn)。壩址地處偏遠(yuǎn)山區(qū)和地震活動(dòng)區(qū)，這又更進(jìn)一步增加了大壩建設(shè)難度。在進(jìn)場(chǎng)交通方面，要求新建1座機(jī)場(chǎng)、1座跨度為120 m的大橋、長(zhǎng)度分別為75 km的國(guó)道和40 km的場(chǎng)內(nèi)施工道路。同時(shí)，在如此偏遠(yuǎn)的地方，需要為施工人員提供營(yíng)地、配備衛(wèi)生、健身和娛樂設(shè)施，這對(duì)項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。

在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(duì)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(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，融資方和承保方均不能接受該風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 計(jì)劃在整個(gè)壩體完建之前開始蓄水，盡量提早發(fā)電。

混凝土重力壩能抵御臨時(shí)性漫頂，亦滿足第2個(gè)要求。同時(shí)，工程區(qū)有充足的建筑材料(砂礫石、玄武巖和熔結(jié)凝灰?guī)r)，這樣就使RCC方案更受認(rèn)同。

當(dāng)時(shí)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(zhì)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(huì)受到熱蝕變的影響，因此對(duì)基礎(chǔ)的處理要求比較高。

3基礎(chǔ)處理

由于以下2個(gè)特點(diǎn)，致使基礎(chǔ)條件與預(yù)期的相比更具有挑戰(zhàn)性：

(1) 裂隙發(fā)育和(或)風(fēng)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(duì)建基范圍內(nèi)的裂隙發(fā)育和風(fēng)化巖體進(jìn)行處理。這些因素包括基礎(chǔ)滲流和侵蝕控制，以及與部分巖體變形量相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)特性。

綜上所述，擬定了以下處理措施。

(1) 加深開挖深度，且對(duì)建基面進(jìn)行修整；

(2) 對(duì)于開挖暴露的風(fēng)化巖面采用噴混凝土保護(hù)；

(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(fēng)化帶，采取混凝土置換和加密固結(jié)灌漿的措施；

(5) 沿關(guān)鍵的巖體輪廓，布置灌漿和排水廊道；必要時(shí)，為將來進(jìn)一步的處理預(yù)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(guān)，而且也與深部粗面巖含水層有關(guān)。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(shí)采取了相應(yīng)措施，將熱泉截?cái)啵⑵湟胖磷畹偷呐潘鹊?，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)。為截取在蓄水后可能出現(xiàn)的滲水，在壩體內(nèi)布置了大量排水系統(tǒng)。由于水庫蓄水后，地下水分布狀況將會(huì)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(jì)，以便在運(yùn)行期間對(duì)滲流量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

4RCC所用水泥

工程前期的研究成果表明，埃塞俄比亞本國(guó)的水泥產(chǎn)量不夠，因?yàn)橹挥谢鹕交宜啾憩F(xiàn)出低熱性，但其活性成分不滿足要求。此外，由于水泥質(zhì)量不穩(wěn)定以及本國(guó)水泥的供應(yīng)斷斷續(xù)續(xù)，從而促使埃塞俄比亞政府決定從國(guó)外進(jìn)口特種水泥。最初的研究集中在以下2個(gè)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(jìn)口高質(zhì)量的水泥，從南非進(jìn)口粉煤灰。但是，因運(yùn)輸成本太高而不可行。因此，混凝土配合比設(shè)計(jì)傾向于采用意大利生產(chǎn)的高爐礦渣水泥，它可以保證高強(qiáng)低熱的性能，而且其質(zhì)量穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)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(jìn)口水泥和95 kg/m3的粉煤灰相當(dāng)。

(2) 高爐礦渣水泥的RCC溫升會(huì)更小。詳見圖2。

圖2　RCC溫升曲線

根據(jù)試驗(yàn)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(guān)的大型投資中，盡可能地利用國(guó)家資源，這對(duì)于獲得直接和間接經(jīng)濟(jì)效益而言相當(dāng)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(chǎn)水泥的解決方案。

為此，與埃塞俄比亞水泥生產(chǎn)廠開展了合作，在施工的同時(shí)，由當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員和國(guó)際專家一起來完成國(guó)內(nèi)水泥配比等方面的相關(guān)試驗(yàn)工作。在改進(jìn)的埃塞俄比亞水泥性能的基礎(chǔ)上，通過開展大量的室內(nèi)外試驗(yàn)，獲得了合適的RCC配合比。試驗(yàn)結(jié)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(chǎn)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(chǎn)商的合作中獲取的這類經(jīng)驗(yàn)，被用于完善和改進(jìn)水泥生產(chǎn)流程，使當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)的水泥質(zhì)量得以提高，對(duì)促進(jìn)整個(gè)埃塞俄比亞的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極的作用。

5RCC配合比和試驗(yàn)

根據(jù)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、凝聚力、摩擦角等設(shè)計(jì)要求，對(duì)RCC配合比進(jìn)行了優(yōu)化。

在層間縫部位和大壩的上游面，要求進(jìn)行系統(tǒng)的墊層配合比設(shè)計(jì)，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(jié)凝灰?guī)r?；炷林兴蒙车牧綖?～6 mm，細(xì)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(jí)配

河床砂礫石由粗面巖、玄武巖和流紋巖組成，熔結(jié)凝灰?guī)r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(jié)凝灰?guī)r被用來生產(chǎn)沙和填料，后者可增加漿體的用量，對(duì)提高RCC配合比中的火山灰效應(yīng)也具有一定的效果。

混合級(jí)配中的天然細(xì)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(tài)比較好。RCC成份的質(zhì)量控制檢測(cè)情況見表2。

表2　吉貝Ⅲ工程RCC質(zhì)量控制檢測(cè)情況

取樣試驗(yàn)成果表明，1 a以后的抗壓強(qiáng)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(shè)計(jì)要求。

6RCC澆筑問題

如前文所述,吉貝Ⅲ大壩工程為當(dāng)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(tǒng)的生產(chǎn)能力為1 200~1 400 t/h，因此在混凝土溫控方面，應(yīng)采用混凝土預(yù)冷系統(tǒng)。

由于壩址區(qū)河谷狹窄，壩高很高，為保證在壩體的不同分區(qū)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(dá)250 m，因此，對(duì)其混凝土澆筑需要采取前所未有的解決方案。為了到達(dá)大壩高程的較低部位，需要布置17條傳送帶，總長(zhǎng)達(dá)960 m，傾角為22°，該工程的建設(shè)也代表了世界最高水平；同時(shí)其最大澆筑能力達(dá)到了820 m3/h(RCC)，創(chuàng)下了世界紀(jì)錄。

由纜機(jī)和專業(yè)登山員將較陡的傳送帶架設(shè)于大壩壩肩，兩壩肩均有施工道路到達(dá)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(jī)將RCC運(yùn)至計(jì)劃澆筑的部位。這種布置可將倉面澆筑RCC所需的運(yùn)輸設(shè)備數(shù)量減至最少，可以保證RCC的質(zhì)量以及層間結(jié)合的質(zhì)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(tǒng)方法進(jìn)行澆筑。

在設(shè)計(jì)指定的部位采用座漿層(水泥漿)可以增強(qiáng)層間結(jié)合度，這些部位靠近大壩的上游面和下游面。此外，實(shí)際應(yīng)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(jī)和碾壓機(jī)械完成。富漿RCC澆筑在模板附近實(shí)施，并與常態(tài)混凝土平順銜接，主要使用在碾壓機(jī)具達(dá)不到的部位，對(duì)這些部位的混凝土采用插入式振搗器進(jìn)行壓實(shí)。

RCC的連續(xù)澆筑強(qiáng)度為15萬～20萬m3/月，增長(zhǎng)的平均值與大壩低高程部位RCC的澆筑難度有關(guān)，因?yàn)閴位蛢砂恫课坏奶幚肀容^耗時(shí)費(fèi)力。

在2014年12月11日，24 h內(nèi)的RCC澆筑量達(dá)到了18 519 m3，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

7變更條件管理

為了使承包工程的順利執(zhí)行，在施工期間，要求EPC承包商能有效管理與初始設(shè)計(jì)時(shí)假定條件不一致的情況。在大型土木工程中，不可避免地會(huì)發(fā)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(shí)例。

表3　主壩工程的變更條件管理(以吉貝Ⅲ工程為例)

8結(jié)語

盡管存在著復(fù)雜的財(cái)務(wù)和地質(zhì)問題，但是吉貝Ⅲ水電站工程建設(shè)仍在短短的9 a時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從全面啟動(dòng)到運(yùn)行，其經(jīng)驗(yàn)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(shù)靈活性”的典范，工程施工期間表現(xiàn)出來的協(xié)商與合作精神，對(duì)于各種具有挑戰(zhàn)性的條件予以積極響應(yīng)均非常關(guān)鍵，而這些具有挑戰(zhàn)性的條件對(duì)于大型水電工程來說是不可避免的。對(duì)于埃塞俄比亞國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展而言，這種精神將成為國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要推動(dòng)力。

(曹艷輝趙秋云編譯)

收稿日期：2015-11-10

中圖法分類號(hào)：TV642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081(2016)01-0031-04