崔弘毅編譯

（國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州310014）

Taum Sauk原上水庫大壩修建在殘坡積土上，另外，施工過程中未采取有效措施控制填料級配和特性，由于以上等一系列原因，原工程中存在眾多缺陷，對原大壩進(jìn)行修復(fù)在技術(shù)上不可行，需完全重建一座新的上水庫。

1 工程概況

Taum Sauk上水庫重建工程主要是新建一座現(xiàn)代化的混凝土面對稱碾壓混凝土（RCC）壩來取代原有的土石壩。重建工程方案設(shè)計包括分析和提出幾種可選的工程方案，每個可選方案的施工成本和進(jìn)度、可能遇到的標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)等都將得到充分的評估。

新大壩長2042.16 m，壩高36.576 m，壩基寬45.72 m。大壩建造過程為開挖殘存的土石壩、修復(fù)壩基基礎(chǔ)，然后替代原水庫，修建一座新的Taum Sauk抽水蓄能電站的上水庫，其蓄水量超過379萬m（310億加侖）。通過處理和使用現(xiàn)有流紋巖作為RCC骨料和在水庫現(xiàn)場生產(chǎn)RCC原料，Ozark建筑公司能趕上工程要求的進(jìn)度，和常規(guī)方法相比，可獲得更高的經(jīng)濟(jì)性和更快的建設(shè)速度。

Taum Sauk抽水蓄能電站上水庫是北美最大的大壩，RCC方量超過214.09萬m3，結(jié)構(gòu)混凝土22.94萬m3，基礎(chǔ)開挖和骨料粉碎量近600萬t。2010年春天，工程完工。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

在Taum Sauk上水庫大壩的重建設(shè)計中，吸取了之前潰壩的教訓(xùn)，工程上采取了一些新的安全措施，以保證大壩的安全運行。

2.1 新壩的安全措施

根據(jù)Ameren UE，新建上水庫采用了以下安全措施：（1）壩頂：壩頂高程高于預(yù)計最高水位，其上設(shè)置1.07 m（3.5 ft）的擋水墻；（2）溢流泄洪建筑物：即使發(fā)生所有系統(tǒng)都失效、上水庫漫頂?shù)牟焕r，溢流泄洪建筑物會將水輸排到Taum Sauk灣中，避免對RCC結(jié)構(gòu)造成損害；（3）多個獨立防護(hù)線路，包括對上水庫水位進(jìn)行連續(xù)視頻圖像監(jiān)控，將上水庫和下水庫的水位都控制在合適的高程；（4）獨立的儀器和監(jiān)測系統(tǒng)，可單獨發(fā)揮作用，保證大壩安全；（5）設(shè)置排水廊道，收集并測量水量，以此監(jiān)測大壩結(jié)構(gòu)安全。

2.2 為什么選RCC

根據(jù)老大壩施工時獲取的亞表層信息及新RCC壩設(shè)計時的鉆孔信息，壩基基巖沿緩傾角不連續(xù)面存在軟弱夾層。在許多地方，軟弱夾層中還含有低塑性粘土。假設(shè)低塑性粘土夾層存在于壩基各個深度，對大壩進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，同時計算其沿這些潛在失事面的屈服加速度。當(dāng)壩基下某一深度的軟弱夾層以10°角平行于基巖、大壩接觸面，則得到最低的安全系數(shù)。若軟弱夾層為其它角度（向上或向下），其安全系數(shù)都比粘土夾層平行于基巖、大壩接觸面時的安全系數(shù)高。

對不同深度的粘土夾層，在無粘聚力情況下，也計算了其要求摩擦角。計算結(jié)果表明，若沿基礎(chǔ)斜坡在10°角或以內(nèi)修建對稱RCC壩且上下游坡為0.6H∶1V，則可以滿足所有美國聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）的穩(wěn)定規(guī)范，即使粘土夾層緩傾角存在于壩基以下6 m范圍內(nèi)，也能滿足規(guī)范要求。常規(guī)RCC壩斷面要求RCC/基巖和基巖的抗剪強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粘土夾層。因此，新RCC壩將修建成對稱斷面，許多方面與硬填方壩相似。所有這些特點都導(dǎo)致需要花費較長時間進(jìn)行精細(xì)的基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。

圖1 原潰壩視圖Fig.1 Overall view of the breached dike

初步設(shè)計計算采用常規(guī)重力壩斷面，上游面垂直，下游面陡斜，即采用相對高強度的RCC和相當(dāng)精良的骨料。初步研究顯示，原堆石壩存在大量細(xì)料，由于要求水處理設(shè)備提供足夠循環(huán)利用的水量，并達(dá)到該工程采用的環(huán)境規(guī)范的要求，淘洗骨料是一個花費大且困難重重的操作過程。由此得出結(jié)論，考慮基巖接觸面的條件、使用堆石壩現(xiàn)有骨料的RCC混合料的情況，設(shè)計出滿足FERC穩(wěn)定規(guī)范要求的、有足夠大安全系數(shù)的大壩斷面對該工程來說是最合適的解決方案。

圖2 新大壩渲染圖Fig.2 Computer rendering of new RCC dam

圖3 新大壩斷面圖Fig.3 Cross section of the new reservoir

3 大壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

3.1 水力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

新RCC壩將沿著原堆石壩的軸線修建。因上水庫位于Taum Sauk山頂，沒有流域來水，可能最大洪水即水庫范圍內(nèi)的降雨，因此，水文和水力規(guī)范僅限于兩個因素：新RCC壩的壩頂高程（包括安全超高）和擬建溢流泄水建筑物的泄流能力（溢洪道）。

總的設(shè)計基礎(chǔ)是重建一座與原水庫有相同發(fā)電能力的上庫，它有FERC對Taum Sauk要求的通常的蓄水池和總水頭。其設(shè)計高程數(shù)據(jù)見表1。

原上水庫設(shè)計不包括抽水模式運行時發(fā)生超抽意外事件時使用的溢流泄洪建筑。上水庫重建將包含事故溢流泄水建筑物，以在水位高于壩頂時發(fā)揮作用。溢流建筑物將會是整體大壩的一部分，并且理論上講，將永遠(yuǎn)不會被使用。如果需要使用，則泄水將全部進(jìn)入Ameren UE的管轄地區(qū)。其設(shè)計基礎(chǔ)見表2。

表1 設(shè)計高程Table 1:Design elevations

表2 溢流泄水建筑物設(shè)計基礎(chǔ)Table 2:Overflow release structure design basis

3.2 穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

制作新RCC壩沿軸線每30.48 m（100 ft）中心的斷面，以決定關(guān)鍵設(shè)計斷面。根據(jù)業(yè)主咨詢委員會（Owner's Board of Consultant）的推薦和經(jīng)FERC同意，對每個斷面的基巖斜度都進(jìn)行控制，這樣，壩基最大斜度可以控制在10°以內(nèi)或更平坦。坡度在10°～25°的巖石表面，將對其采取開挖措施，使其達(dá)到坡度為10°或10°以內(nèi)。

對于擬建的RCC壩的穩(wěn)定性，利用FERC工程導(dǎo)則（2002）第三章中列出的方法和程序進(jìn)行評估。以下分析構(gòu)成了設(shè)計基礎(chǔ)：（1）進(jìn)行在冰荷載這種常規(guī)荷載工況下和發(fā)生意外超抽這種非常規(guī)荷載工況下的穩(wěn)定分析；（2）用Chopra提出的擬動力方法進(jìn)行地震分析；（3）有限元建模和分析（FEM）。

RCC壩的設(shè)計需要滿足各種規(guī)范，特別是與新壩有關(guān)的規(guī)范。上水庫重建設(shè)計的總準(zhǔn)則和設(shè)計原則總結(jié)如下：（1）在常規(guī)荷載、非常規(guī)荷載和極端荷載工況下，認(rèn)為RCC壩是濕潤的；（2）RCC壩的設(shè)計要求達(dá)到可接受的抗震安全系數(shù)；（3）RCC壩將建在微風(fēng)化至新鮮巖石基礎(chǔ)上；（4）不考慮粘聚力，分析其抗滑穩(wěn)定；（5）假設(shè)壩基排水降低到最小排水效率（即67%）時，計算穩(wěn)定分析中的揚壓力；（6）在正常運行水位486.77 m工況下，考慮冰荷載為22.24 kN；（7）在屈服加速度計算中，不考慮粘聚力，假設(shè)RCC、巖石接觸面抗剪切摩擦強度為45°；（8）不考慮粘聚力（即排水工況），假設(shè)基巖中可能遇到的粘土夾層的抗剪切強度為25°。

3.3 地震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

這節(jié)介紹根據(jù)巖石露頭地動譜的上水庫地震設(shè)計基礎(chǔ)。根據(jù)綜合概率分析，地震平均重現(xiàn)期為475年和2475年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）提供了美國和世界有些地區(qū)的地震風(fēng)險分析結(jié)果。表3為USGS為Taum Sauk提供的場地類別為B的譜加速度（剪切波速約為762 m/s）。Taum Sauk電站基巖的剪切波速對應(yīng)于場地類別A，但分析中沒有考慮這一點。從表3得出了設(shè)計譜。

表3 上水庫譜加速度值Table 3:SA values for upper reservoir

另外，考慮表4所示的Taum Sauk電站重要的震源，進(jìn)行確定性地震風(fēng)險分析。到新馬德里和Wabash峽谷震源地區(qū)的距離代表了各震源到上水庫的最近距離。分析假設(shè)背景事件發(fā)生在距離壩址20 km處，與以往經(jīng)驗一致。

值得注意的是，USGS概率地震風(fēng)險分析沒有界定背景震源區(qū)域地震的最大值。但是，如下面的討論，根據(jù)以上歷史地震情況，選擇5.8級來進(jìn)行確定性分析，其中使用了5種衰減關(guān)系來計算壩址譜加速度，阻尼比為5%，具體見表5。

表4 震源Table 4:Seismic sources

表5 地動模型Table 5:Ground motion models

工程的設(shè)計譜包絡(luò)了根據(jù)新馬德里、Wabash峽谷和背景震源的確定性譜。除去頻率低于0.5 Hz的外，距離壩址20 km的5.8級背景震源將致使譜加速度值超過整個頻率范圍內(nèi)其它震源引起的譜加速度值。最后得出結(jié)論，推薦的設(shè)計譜值對上水庫設(shè)計來說是足夠大的。

總的來說，重建的上水庫大壩可承受新馬德里地震帶中7.7級的地震或Taum Sauk水電站當(dāng)?shù)刂車?.8級的地震。

4 基礎(chǔ)準(zhǔn)備要求

由于基巖中存在粘土夾層，建設(shè)過程中需要采用另外的基礎(chǔ)準(zhǔn)備要求，包括在基巖內(nèi)用氣動旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法鉆孔至擬采用基底下9.144 m。這些孔的位置如圖4所示。對每個孔采用視頻攝像機觀測RCC基礎(chǔ)里是否有連續(xù)粘土夾層。大壩設(shè)計階段進(jìn)行的驗證工作表明，視頻攝像機能清楚地識別基巖內(nèi)的巖土夾層。

若3個孔中都發(fā)現(xiàn)有粘土夾層，則對其進(jìn)行三點分析，以確定連續(xù)粘土夾層的傾角。研究結(jié)果包括粘土夾層的深度、厚度、傾角、下游基巖的坡度。這些研究結(jié)果將用于判斷是否需要挖除粘土夾層以達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 調(diào)查孔Fig.4 Investigation holes

5 RCC配合比設(shè)計方案

擬建大壩的RCC配合比設(shè)計方案考慮以下因素：（1）再利用現(xiàn)有的流紋巖作為粗骨料和細(xì)骨料；（2）使用Ameren UE下屬單位的非商用粉煤灰；（3）由于采用對稱斷面，強度要求相對較低。

2006年春季，進(jìn)行了第一階段實驗室配合比設(shè)計研究，以此作為RCC配合比方案設(shè)計基礎(chǔ)。該研究使用現(xiàn)有堆石料作為骨料，包括16種RCC配合比方案。在附近采石場將材料粉碎成合適的級配。Ameren UE下屬Meramec生產(chǎn)的F級粉煤灰在大多數(shù)配合比中均有使用。第一階段研究還包括堿-硅酸活性（ASR）測試，以確定流紋巖骨料是否可膨脹。第一階段研究結(jié)果表明，非商用粉煤灰可用來生產(chǎn)RCC。雖然F級粉煤灰降低了活性，但流紋巖仍具有潛在膨脹性。RCC中含200磅水泥成分（水泥和粉煤灰）和3600磅骨料，這樣配合比的RCC能達(dá)到要求的工程特性（如一年后的綜合強度大于10340 kPa，密度大于2342.2 kg/m3）。

RCC配合比設(shè)計后續(xù)還進(jìn)行了第二階段設(shè)計研究，包括使用相同的材料和全斷面施工設(shè)備建造RCC試驗墊層。第二階段研究于2006年11月進(jìn)行，包括深入RCC試驗墊層，以確定RCC質(zhì)量。研究結(jié)果表明，第一階段研究推薦的配合比設(shè)計方案適用于大壩的施工。

6 地震分析

RCC壩整體將由各個壩段連接而成，由水平間距約27.43 m的垂直平面接縫連接。每個壩塊都有各自的地震反應(yīng)，獨立于剩下的水庫部分。對整個水庫進(jìn)行簡化的3D分析，分析結(jié)果表明，3D分析中較低頻率時對應(yīng)于水庫壩段在其自身基礎(chǔ)模態(tài)中振動，而其它部分僅有微小運動。因此，對代表水庫關(guān)鍵壩段的平面斷面使用平面應(yīng)變元進(jìn)行靜態(tài)和地震分析。關(guān)鍵斷面尺寸的有限元網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。最大的有限元尺寸約2.13 m。

圖5 關(guān)鍵斷面的二維首模式Fig.5 Two-dimensional first mode of the critical section

基巖的剛度由在水庫基礎(chǔ)的線性和旋轉(zhuǎn)土-結(jié)構(gòu)相互作用（SSI）彈簧來表示。用Gazetas（1990）公式預(yù)估最佳估計、上限和下限。SSI彈簧由均勻分布在水庫基巖界面的35組水平彈簧、垂直彈簧和旋轉(zhuǎn)彈簧單元組成。按照SSI計算，開發(fā)了3個有限元模型，用均勻分布的彈簧分別來代表SSI的最佳估計、上限值和下限值。

對水庫原材料，考慮阻尼比為5%臨界阻尼值。結(jié)合土-結(jié)構(gòu)相互作用阻尼效應(yīng)，總阻尼比為臨界值的10%，并應(yīng)用到所有地震分析的振動模式中。

對水庫自重進(jìn)行靜態(tài)分析。分析中根據(jù)水壓力確定水靜力。所有的地震荷載情況都考慮水平向的地動。采用設(shè)計頻譜指定的地震輸入進(jìn)行模態(tài)頻譜分析。

總體來說，有限元分析中用到了最初15種模式。起始3種水平模式包含多于95%的質(zhì)量參與，見表6。在地震荷載下，最大應(yīng)力僅為910.14 kPa（包括拉力和壓力）。加上自重和水壓力效應(yīng)后，應(yīng)力全變?yōu)閴毫?，最大值?323.84 kPa，低于RCC允許值。

表6 自振周期和水平參與因子Table 6:Natural periods and horizontal participation factors

7 儀器設(shè)計

新RCC壩的儀器系統(tǒng)包括水位控制系統(tǒng)和水位保護(hù)系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)的設(shè)計大體都依照與抽水蓄能用戶集團(tuán)一起共事的行業(yè)集團(tuán)起草的抽水蓄能技術(shù)導(dǎo)則的要求進(jìn)行。另外，設(shè)計還依照Ameren UE投遞給美國聯(lián)邦能源委員會（FERC）的環(huán)境分析報告及FERC在法律事務(wù)中采用的上水庫潰壩分析。設(shè)計中考慮了大量州和聯(lián)邦機構(gòu)出臺的相關(guān)政策。

水位控制系統(tǒng)將用于日常電站運行，而水位保護(hù)系統(tǒng)則是水位控制系統(tǒng)的失效保護(hù)保險裝置。在兩個系統(tǒng)中，都使用了多種類型的儀器。冗余性也會結(jié)合進(jìn)來以減輕儀器失效帶來的后果。

水位保護(hù)系統(tǒng)將包含兩個電子敏感器件型開關(guān)，位置比日常運行停機水位高30.48 cm（1 ft）。若任一開關(guān)工作，則硬線停機。儀器系統(tǒng)中還將使用兩個機械浮動開關(guān)來支持電子開關(guān)。這些機械開關(guān)位置比電子開關(guān)高15.24 cm（0.5 ft）。在溢流建筑物上布置另外兩個電子開關(guān)。溢流建筑物比電子開關(guān)高30.48 cm，比機械開關(guān)高15.24 cm。溢流建筑物上任一開關(guān)工作都將停止抽水并發(fā)出警報。

在上水庫安裝攝像機，以使電站運行人員能24 h監(jiān)視上水庫的水位運行情況。另外的攝像機將監(jiān)測一個安裝在消能井處的水準(zhǔn)標(biāo)尺，該消能井位于儀器房內(nèi)，懸于水面上。其它攝像機將監(jiān)視水庫的情況。

8 工程施工方

2007年10月，Ameren UE將Taum Sauk上水庫大壩重建工程的合同授予Ozark建筑有限責(zé)任公司。Ozark建筑是圣路易斯的Fred Weber有限公司和科羅拉多普艾布羅市ASI建筑有限公司合伙的創(chuàng)業(yè)公司。Paul C.Rizzo聯(lián)合有限公司作為其工程記錄和施工管理服務(wù)提供商。

Ozark建筑公司的主要目標(biāo)是：通過應(yīng)用現(xiàn)代大壩設(shè)計、高超的施工技術(shù)并結(jié)合安全工作經(jīng)驗，安全地建設(shè)一座高質(zhì)量的RCC大壩。Ozark建筑公司的主要工程管理職責(zé)包括：項目工程、進(jìn)度和成本控制、大壩開挖、基礎(chǔ)準(zhǔn)備、骨料粉碎、RCC澆注、設(shè)備購買和維護(hù)，以及在滿足已確定的質(zhì)量要求的前提下，負(fù)責(zé)以最低成本取得最大產(chǎn)出的相關(guān)設(shè)施的操作。

Ozark建筑公司為Taum Sauk上水庫重建工程雇傭了工程監(jiān)理、工程師和聯(lián)盟技術(shù)人員近700人。代表性的聯(lián)盟技術(shù)人員主要來自運行工程師國際聯(lián)盟、北美勞工國際聯(lián)盟、國際卡車駕駛員兄弟會和國際木匠聯(lián)合會。

2007年12月，Ozark建筑加入了由圣路易斯地方職業(yè)安全和健康管理局、Ameren UE和Paul C.Rizzo聯(lián)合公司之間共同簽署的一項重要的工作安全“合作”協(xié)議。因Ozark建筑公司出色的安全記錄和承諾為其雇員提供最安全的工作環(huán)境和工作設(shè)備，最終促成了這次出名的合作。

9 施工過程跟蹤

Taum Sauk上水庫重建工程的進(jìn)展非常順利，以下對主要方面進(jìn)行簡要回顧。

（1）骨料粉碎

骨料粉碎設(shè)施的購買和組裝始于2007年3月，生產(chǎn)運行于2007年9月開始。2008年年底，Ozark完成了近70%的骨料粉碎任務(wù)。雖然惡劣的天氣條件給粉碎工作帶來了很多挑戰(zhàn)，但Ozark骨料粉碎小組仍然保持了進(jìn)度，于2009年7月完成了所有的骨料粉碎任務(wù)。

（2）RCC澆注

因為天氣非常惡劣及有限的澆注區(qū)域，RCC澆注的開始階段非常困難。但經(jīng)過2007年10月到2008年12月，RCC澆注完成了50%。

余下的RCC澆注的基礎(chǔ)準(zhǔn)備在2009年春季完成，使Ozark能在天氣暖和的春季開始對水庫所有區(qū)域進(jìn)行大體積RCC澆注。由于特定的關(guān)于氣溫的限制，冬季RCC澆注相對較少。2009年3月至2009年秋季，Ozark完成了剩下的RCC澆注。

（3）廊道蓋板

大壩交通廊道的工程設(shè)計使工程整個需要850個廊道蓋板。仔細(xì)規(guī)劃后，通過在現(xiàn)場制作鑄造臺和提供混凝土，Ozark使廊道蓋板的成本大大降低。另外，一部分成本降低來自原料替換，即將規(guī)定的加強筋換成編織鋼網(wǎng)件。編織鋼網(wǎng)件能滿足設(shè)計要求的加強要求，同時，由于其質(zhì)量很輕且提前焊接的特性，減少了工作量和設(shè)備投入。2008年春天，剩下需要澆注的廊道蓋板少于1%，2009年早春，這階段施工就全部完成。

（4）安置區(qū)域

Ozark建筑在Taum Sauk項目中面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是尋找合適的安置區(qū)域。近700個雇員、辦公場所、倉庫、機械室和總倉庫、以及占地近16.2萬m2的水庫，都需要安置在Proffit山頂，其占地和水庫大小一樣。2007年夏季，在每個可能的地址采取大量開鉆/爆破、開挖和填筑措施，提供了14.2萬m2的空間。

（5）引水系統(tǒng)

由于現(xiàn)場沒有水源可用于配料、固化、除塵和基礎(chǔ)準(zhǔn)備，Ozark面臨一個挑戰(zhàn)，即需要提供一個引水系統(tǒng)，將水從1.61 km（1英里）外的下水庫引到現(xiàn)場，且流量為3.028 m3/min，其間還有243.84 m的高差。

在下水庫投入駁船潛水泵，駁船漂浮在水面上，并連接超過1.61 km長、直徑為25.4 cm的HDPE水管，沿線設(shè)置幾個大容量增壓泵，將水抽入一個臨時水庫，庫容為0.284萬m3。之后，臨時水庫中的水可隨時抽出并送到Taum Sauk工程現(xiàn)場的各個地方，供給RCC、常規(guī)混凝土和骨料粉碎裝置。在RCC生產(chǎn)高峰期，其用水量大于泵的供水量，因此，修建了臨時水庫。

10 結(jié)語

新的上水庫已經(jīng)修建完成且已于今年投入運營。其設(shè)計中包括了許多根據(jù)壩基條件、壩址特征和筑壩材料情況做出的設(shè)計評估，根據(jù)這些評估，最后得到了對稱斷面、強度較低的RCC大壩方案。為了重建這座由于劣等設(shè)計而決堤的大壩，工作組成員收集了附近的填石，然后建造了這座世界上最大的防巨浪混凝土大壩（共耗費2.139×109m3的材料）。在施工時，工作人員也要解決很多其它問題，比方說：由于山路難走，工作人員只好重建了公路。他們鋪設(shè)了新的路面，建設(shè)了新的護(hù)軌和十字路口。這就是那個默默無聞，卻又耗全國之力的水庫修復(fù)工程。一年一度的美國民用工程成就獎（OCEA），Taum Sauk上水庫是這次入選決賽名單的五個建筑之一?！?/p>

圖6 圖示時間節(jié)點Fig.6 Phases of construction

圖7 重建的Taum Sauk上水庫Fig.7 The new upper reservoir

[1]P.Rizzo,J.Osterle,T.Hollenkamp and et al.The evolution of the design basis for the new upper reservoir Taum Sauk pump storage project[J].

[2]Rebuilding Taum Sauk[J].Water Power&Dam Construc?tion,2009,1:28-32.

[3]Ozark Constructors.Taum Sauk Upper Reservoir Rebuild Project——A Historical Achievement 2007-2010[R].