下凯富峡水电站碾压混凝土大坝层、缝间处理工艺

高元博,靳俊杰

(中国水利水电第十一工程局有限公司,郑州 450001)

0 前 言

碾压混凝土连续浇筑涉及到拌和系统、运输系统、入仓系统、仓面碾压设备和天气变化等方面的影响。在实际施工过程中一旦这些影响发生，碾压混凝土仓面暴露时间会超出混凝土防渗要求允许的时间范围，导致混凝土层间渗漏。因此，当浇筑过程中出现停歇时，有效的层间处理方法对碾压混凝土连续施工至关重要。赞比亚下凯富峡水电站处于非洲中南部，属于热带大陆性气候，每年4—10月份为干季，气温较高，11月—次年3月份为雨季，降雨量较大。另外，大坝坝址河道狭窄，两岸岸坡陡峭，边坡坡度45°，峡谷呈不对称的“V”型，沿边坡布置道路困难，水泥砂浆罐车入仓困难，且仓号内机械设备过多，发生故障，无法开出仓号。本文针对碾压混凝土层、缝间处理施工中的技术问题，采用“层间暴露时间+修正成熟度双标控制、水泥净浆代替水泥砂浆、刷毛和刷毛+铺洒水泥净浆”等综合技术措施，解决施工中的技术难题，通过取芯和压水试验验证，取得了良好的效果，可为碾压混凝土施工提供借鉴。

1 工程概况

下凯富峡水电站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卡富埃河上，凯富埃河经过坝址位置蜿蜒55 km后汇入赞比西河。大坝坝址距20世纪70年代建成的上凯富峡水电站尾水6 km，距已建成的上凯富峡大坝17.3 km，距离赞比亚首都卢萨卡90 km。下凯富峡水电站于2015年开工建设，于2020年建成投产，是赞比亚期盼多年的重点建设项目，也是该国40 a来投资开发建设的第一座大型水电站，年发电量约为30亿度。

工程由RCC重力坝、全衬砌引水隧洞和发电厂房及业主运营村组成。拦河坝为碾压混凝土重力坝，按万年一遇洪水设计，可能最大洪水(PMF)校核。大坝坝顶高程为581.00 m，最大坝高为130.5 m，正常蓄水位579.00 m，总库容0.83亿m3。大坝从左岸向右岸依次布置左岸非溢流段、河床非溢流段(门库坝段)、表孔溢洪坝段、生态放水孔坝段和右岸非溢流坝段。溢洪坝段位于河床中部，溢洪道设置3孔弧形闸门，闸门尺寸为15 m×19.9 m(宽×高)。溢流堰上游坡比为1∶0.2，溢流堰为WES实用堰。堰顶高程为561.00 m。溢洪道总宽度62 m(包括闸墩及溢流堰)，中墩宽5 m，边墩宽3.5 m，分缝位于溢流堰面中心，泄槽两侧设有边墙。大坝通仓采用骨料最大粒径63 mm的碾压混凝土，全断面防渗，上下游最大宽度为125 m。

2 施工方法

2.1 工艺原理

混凝土拌制完成后随着水泥水化反应的发生，混凝土逐渐硬化失去活性，混凝土中水泥的水化反应进程与时间成正比，水化反应速度与环境温度成正比，修正成熟度为修正温度与时间乘积的累计值，将每天温度的变化值纳入层间缝状态计算，可以更加精准的判断出碾压混凝土的活性，及时采取对应层间处理措施，保证层间结合质量。

相比水泥砂浆，水泥净浆可以现场拌制、管道输送，施工过程中更简易、快速、随用随取，从而减少仓面施工设备干扰，加快施工速度。水泥净浆颗粒物细、流动性高，铺洒在缝面上能填充混凝土结合面细微裂缝，对于挡水建筑物防渗效果更好。

结合缝缝面达到温缝标准时，缝面混凝土表面胶凝材料处于假凝状态，采用刷毛的方法去除假凝状态胶凝材料或者铺洒水泥净浆提高层面缝结合能力，均可满足抗渗要求。当缝面混凝土表面胶凝材料处于温缝后期或冷缝状态，此时胶凝材料已经彻底失去活性，采用刷毛的方法去除表面胶凝材料并铺洒水泥净浆作为新胶凝材料的新填充物用于层面缝结合，可满足抗渗要求。

2.2 施工工艺

2.2.1施工布置

大坝碾压混凝土采用薄层连续上升的方式进行浇筑，每层浇筑厚度为30 cm。浇筑过程中，配足资源并充分利用资源，加快碾压混凝土的拌和、输送、摊铺和碾压速度，除了必须停盘位置(如水平灌浆廊道等)停盘以外，其他位置按照热缝要求进行施工组织。上下游面全部采用连续上升翻升模板，其中上游模板高度为3 m，下游模板高度为1.8 m，模板翻升在浇筑过程中实现，不需要等仓号停盘进行。作业面安排2个吊车，配合K80塔吊，分上下游2组人员进行模板翻升，满足仓号连续浇筑的要求。整个碾压混凝土浇筑过程中，连续上升的最大高度为24.6 m，平均高度为11 m。

大坝层缝间处理施工采用集中制浆站、浆液中转系统以及移动加浆管，制浆设备不会随着工作面的变化而移动，仓号内不需要专门的运输设备，相比层间处理的铺设砂浆，更加快捷、方便、简单，仓内作业人员减少、无水泥罐车等机械，更能保证质量及安全。

集中制浆系统：制浆站布置在大坝右岸562.00 m高程马道下游，不侵占大坝结构面，制浆系统能力根据施工所需制备浆液确定。根据施工强度判断，高速制浆设备的制浆能力要求20 m3/h水泥净浆即可。另外分别配置1个水泥罐和1个粉煤灰罐，从右岸581.0m高程的道路进行水泥和粉煤灰补充。

浆液中转系统：根据施工现场具体情况，在作业面附近设置浆液中转系统，便于更加准确的控制仓号内的加浆量。中转系统采用大容量搅拌罐，便于储存制浆站的部分浆液。如果没有浆液中转系统，则很难控制从制浆站到作业面上管内浆液的数量和质量，通过中转系统的二次搅拌，可保证铺洒水泥净浆的质量满足设计要求。

现场移动加浆管道：从中转系统接出2套输送浆液的管道，分别到作业面的上游和下游，管道采用直径50 mm耐压胶管，管端头连接采用套丝连接，便于堵管时修理。

2.2.2工艺操作要点

(1) 施工准备

结合碾压试验段取得的层面抗剪能力和结合质量数据，综合考虑拌和物特性、季节、天气、施工方法、上下游不同区域等因素，在混凝土层间间隔时间的基础上，采用修正成熟度方法将层间缝区分为热缝、温缝和冷缝。修正成熟度为修正温度与暴露时间乘积的累计值。根据不同气候条件下层间缝的状态实施不同的处理措施，保证大坝防渗、大坝更加安全。使用清水冲洗制浆设备和输送管，并检查确认制浆设备和输送管中清水排放干净。

(2) 层间缝状态判定

修正成熟度计算公式为：

MMF=(T+12)×(t1+t2+t3+…tn)

(1)

公式(1)中：MMF为修正成熟度累计值，℃.h；T为第n小时内作业面的平均环境温度，℃；12为温度修正值；t1、t2…tn为条带摊铺第1个小时、第2个小时……第n个小时 ；t1为条带开始摊铺第1小时；tn为条带摊铺第n小时。

某条带碾压混凝土开始摊铺时开始计算修正成熟度，直至条带被下层碾压混凝土覆盖且碾压完毕。某条带修正成熟度累计值达到热缝极限70%时，发布蓝色预警；达到热缝极限90%发布红色预警；当红色预警发布时，各部门开始准备层间温缝处理设备和人员。

对现场技术人员进行层间缝处理措施技术交底，明确层间结合缝状态判断的时间标准和修正成熟度标准。由碾压试验段试验确定相应的时间标准和修正成熟度标准见表1。

表1 层间结合缝状态判断表

(3) 层缝间处理

根据技术要求， 基础面采用冲毛机进行冲毛，要求将表层的水泥浆、浮渣清理干净，基础面验收合格后，铺洒水泥净浆。水泥净浆拌制采用散装水泥，水灰比控制在0.55～0.65。

当碾压混凝土层间缝处于温缝初期时，表面胶凝材料因为强度低尚有一定的附着力。因此，刷毛机无法将胶凝材料刷扫清除、露出骨料，此时采用直接铺洒水泥净浆方法处理。

当碾压混凝土层间缝处于温缝中晚期时，表面胶凝材料因为接触外界空气，水化反应硬化失去活性，使用钢丝刷毛机将表面硬化胶凝材料清除，露出骨料，清理的胶凝材料碎屑应清理出仓号，不允许再次添加到碾压混凝土中。

超过了加垫层铺筑允许时间或者根据修正成熟度为冷缝的层面应按施工缝处理。停仓后混凝土层面冲毛经现场试验确定，不得过早冲毛。冲毛清除混凝土表面的浮浆及松动骨料，达到微露粗砂即可。

(4) 水泥浆拌制

水泥净浆配合比和变态混凝土加浆浆液配合比一致，水泥浆拌制应同碾压混凝土拌制同时开始，使用高速制浆机拌制水泥浆，高速制浆机转数大于1 200 r/min，水泥浆液的搅拌时间不少于30 s。浆液拌制完成后根据试验室出具的浆液密度，使用比重计检测浆液配比，计量误差应小于5%。浆液拌制应根据需求量逐盘拌制，浆液自拌制到使用完毕控制在4 h内，多余的浆液废弃处理。

(5) 水泥浆铺洒

碾压混凝土开始入仓后开始铺洒水泥净浆，水泥净浆铺洒使用输送软管直接铺洒在仓面表面，水泥浆铺洒应均匀、无遗漏、无汇集，铺洒厚度控制在3～5 mm。铺洒的水泥净浆应被碾压混凝土迅速覆盖，暴露时间不超过10 min，铺洒范围应不超过碾压混凝土摊铺料头10 m，防止水泥浆干涸，因设备行走带走水泥浆的区域，必须补洒。层缝间铺洒水泥净浆见图1。

图1 层缝间铺洒水泥净浆图

(6) 碾压混凝土摊铺覆盖

水泥净浆铺洒完毕后，碾压混凝土倾倒在铺洒水泥浆的仓面上，倾倒位置应靠近条带中间位置，保证平仓机摊铺后所有的碾压混凝土均位于水泥浆之上。自卸车和平仓机移动过程中带走的水泥浆应重新铺洒。

工程所处的国家赞比亚，气温较高，为保证层间处于热缝状态，作业面上下游、左右岸均布置扬程为80 m的喷雾机。对于喷雾机无法覆盖的区域，采用手持喷雾枪的方法进行仓面保湿降温，以此来保证层面处于热缝的状态，保证层间结合质量。施工过程全面协调，保证各项工序正常，碾压混凝土入仓后，快速摊铺，碾压封闭，缩短层间暴露时间。

3 现场质量与经济控制

(1) 水泥净浆可随现场碾压混凝土摊铺进行铺洒，铺洒后立即被覆盖。另外，水泥净浆比水泥砂浆流动性更好，可以全面、无死角地填充仓面坑洼，更好地保证层间结合效果。在大坝左岸DL0+038.00 m、右岸DR0+100.50 m和DR0+126.06 m 3个位置取芯，共取芯290 m。RCC芯样显示碾压混凝土骨料分布均匀且被胶凝材料包裹密实、碾压层间结合良好，取芯照片见图2。实测芯样混凝土通过压水试验，透水率为0.6189×10-8cm/s，小于设计规范要求的透水率1×10-8cm/s，碾压混凝土施工过程质量控制良好,证明采用水泥净浆代替水泥砂浆进行层缝间处理，能够保证碾压混凝土层间结合效果。

图2 取芯照片

(2) 垫层拌和物由快速制浆机拌制后经送浆软管输送至作业面，人工持管头铺设，整个拌制、输送和铺设，作业面无机械设备，更加简单。另外，减少了车辆产生的噪音以及车辆行走产生的扬尘，低碳环保。

(3) 施工中，混凝土面摊铺碾压后存在层面坑洼，造成仓面部位地方水泥浆集中，影响混凝土质量。因此，为保证施工质量，推土机安装自动找平仪进行仓面平整度的控制。另外，施工过程发生意外暂时中止，会造成拌制好的水泥净浆以及加浆管内的水泥浆浪费。因此，加强现场的沟通及全面协调显得尤为重要。

(4) 碾压混凝土大坝采用水泥净浆代替水泥砂浆，水泥浆铺洒厚度为3～5 mm左右，水泥砂浆铺洒厚度为10～15 mm左右，通过当地水泥、砂子等价格进行换算，水泥净浆价格为3.57元/m2，水泥砂浆价格为9.15元/m2，工程实际处理共处理的层缝面积为362 000 m2，节省施工费用202万元，经济效益明显。

4 结 语

国内碾压混凝土大坝施工中，仅有部分工程在上游面防渗层混凝土采用层间洒灰浆的方法，在冷缝或施工缝面均采用铺设砂浆的方法。目前碾压混凝土层、缝间全部采用水泥净浆的施工方法仅用于国外少部分碾压混凝土工程，通过下凯富峡水电站大坝工程实践，获得了较好的应用效果，且经济效益显著。但对于国内碾压混凝土大坝材料分区，该工艺还缺乏相关的施工经验、技术参数及数据，还需进一步研究。