[] C.H.

正在建設中的史密斯蘭德(Smithland)水電站位于美國肯塔基州俄亥俄河左岸、史密斯蘭德閘壩處，裝機72 MW，現(xiàn)有閘壩由美國陸軍工程師兵團(USACE)擁有和管理，由混凝土閘壩段和蜂窩板樁堰段組成。水電站建成后，將由聯(lián)邦能源管理委員會(FERC)管理，是一座徑流式水電站。需要修建順河向圍堰，開挖30 m深的基坑，基坑四周設置膨潤土水泥(SCB)防滲墻，并進行大范圍排水。圍堰和基坑開挖已經(jīng)按設計建造合同展開。

為了確保施工期圍堰開挖的安全和穩(wěn)定性，安裝了整套的監(jiān)測系統(tǒng)，安排人員每天對圍堰進行安全巡查。2011年春季，發(fā)生的特大洪水導致河水位上漲，圍堰面臨漫頂威脅。在基坑下游圍堰設計有應急溢洪道，是在主洪峰到來幾周之前建成的，在USACE的指揮下，打開了圍堰上的應急溢洪道，采取主動淹沒基坑的方法，避免了洪水可能造成的災害。

在突發(fā)洪水、基坑淹沒和后續(xù)的基坑排水過程中，需要大壩管理者、業(yè)主工程師和設計建造團隊之間的密切配合，也需要加強大壩安全監(jiān)測。

場地地層由表層的粉質(zhì)黏土、中部砂層和下部砂礫石層構(gòu)成。在中部砂層和下部砂礫石層中，分布有厚度不等、不連續(xù)的黏土夾層。下伏基巖為喀斯特化灰?guī)r。

基坑開挖前，先修建SCB防滲墻。在基坑周圍修建圍堰，圍堰的頂部高程106 m，設計基坑底高程74 m。設計基坑邊坡坡比1∶2.5，有時因施工需要局部邊坡較陡。

1 排水與監(jiān)測系統(tǒng)

在SCB防滲墻圍定的區(qū)域內(nèi)，為了安全有效地開展基坑開挖工作，設計了排水系統(tǒng)，第1圈排水井在37 m×46 m范圍周邊布設，第2圈排水井在28 m×30 m范圍周邊布設，排水系統(tǒng)是在現(xiàn)場抽水試驗和巖土鉆孔結(jié)果的基礎上設計的。在主動淹沒基坑后的排水過程中，排水系統(tǒng)持續(xù)排水量為750～950 L/s，最大排水量約為1 260 L/s。

為使?jié)B壓計臨界值滿足基坑開挖的需要，并能實時監(jiān)控邊坡穩(wěn)定條件，設計了一套監(jiān)測系統(tǒng)，包括：34個振弦式滲壓計，一般成對布置，上、下各一個；10個鉆孔原位傳感測斜儀，間距3 m；自動測量系統(tǒng)，由一個基站和安裝在基坑周圍的34塊棱鏡組成，用于測量邊坡位移；相關的數(shù)據(jù)記錄、無線傳輸硬件，可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳到在線數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)遠程訪問，便于查看任何儀器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)實時曲線。系統(tǒng)用電由電池提供，電池定期更換以維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。

監(jiān)測人員根據(jù)設計數(shù)據(jù)和歷史情況及時檢查對比監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將堤岸和人工開挖邊坡作為一個整體來考慮穩(wěn)定性。

LB法和Yoder法處理下的植被混凝土團聚體GMD和MWD平均值大小順序均呈現(xiàn)為草灌喬植被>草灌植被>草本植被。植被的正向演替，促進了土壤的團聚作用，增強了植被混凝土抗蝕性能。LB法中SW模擬了黏土在輕降雨作用下的膨脹作用，F(xiàn)W對應暴雨或灌溉過程中土壤的崩解過程，WS則模擬了機械破碎過程。MWD和GMD值基本表現(xiàn)為SW>FW>WS，表明植被混凝土受到機械擾動作用破壞最大，其次為暴雨和灌溉的作用，在輕降雨作用下團聚體破碎程度最低。因此，對植被混凝土邊坡應施用滴灌并重視雨季的有效防護，以提高植被混凝土邊坡的抗侵蝕性和穩(wěn)定性。

除了每天對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析，提出日報外，監(jiān)測工程師每天(或更頻繁)還要對邊坡穩(wěn)定性、監(jiān)測儀器情況、施工活動進行巡查，取得的任何監(jiān)測數(shù)據(jù)都要與曾經(jīng)參加過邊坡設計的經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員進行討論交流。

2 2011年突發(fā)洪水

2011年春，俄亥俄和密西西比河流域發(fā)生特大洪水，在史密斯蘭德項目場地，洪水漫過了進出場道路，城鎮(zhèn)和道路局部被淹，不得不采取主動淹沒基坑的措施來保護基坑開挖的安全，直接影響了3月中旬到6月初的工作。該項目設計有帶閘門的應急防洪建筑物，并且已經(jīng)開始建設，但是當洪水到達時，基坑還處于開挖初期，應急防洪建筑物還沒有建成。

以工程臨時建筑物應急預案和工程建議為指導，按照防洪建筑物設計方案，用拋石、礫石和土工布建成應急泄洪槽。工程中與主動淹沒基坑相關事件的大事記如下。

(1) 2011年3月11～25日。進場道路和周邊地區(qū)被淹，進出現(xiàn)場的唯一交通工具是船只。

(2) 2011年4月。在基坑下游側(cè)，用土工織物、土工格柵、防浪石、拋石建成應急泄洪槽。

(3) 2011年4月26日。進場道路被洪水淹沒，應急泄洪槽建成，進洪口(增加的邊坡防護工程等等)正在施工；現(xiàn)場交通僅依靠船只。

(4) 2011年4月28日。河水位持續(xù)上漲；下部滲壓計對河水位上漲開始出現(xiàn)反應，上部滲壓計不變；兩個測斜儀開始記錄讀數(shù)；經(jīng)與供應商協(xié)商確定，1號測斜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)異常是由于電力供應問題導致的，4號測斜儀是由于傳感器故障引起的。

(6) 2011年5月3日。切斷現(xiàn)場電源，排水系統(tǒng)閑置，監(jiān)測儀器靠電池運行；滲壓計開始顯現(xiàn)基坑淹沒的影響，測斜儀無顯著變化。

(7) 2011年5月6日。上游洪峰達到105 m；滲壓計水位與河水位、基坑水位一致，測斜儀沒有顯著變化。

(8) 2011年5月12日。河水位降到104.5 m，基坑開始利用排水井和表面泵排水。初期排水速率為0.3 m/d，對基坑邊坡內(nèi)側(cè)進行快速降水條件下穩(wěn)定性計算后得出，排水速率增加到1 m/d。根據(jù)泵的排水能力和其他因素確定基坑內(nèi)水位實際下降速率，與設定的下降速率不同。

(9) 2011年5月中旬到6月初?；舆M行排水，邊坡的日常監(jiān)測和儀器監(jiān)控繼續(xù)進行。邊坡破壞僅限于局部黏性土的淺層滑動和表面砂層沖蝕。

(10) 2011年6月8日?；优潘蟛糠忠呀?jīng)完成，施工道路維修，包括局部缺陷超挖和復填等邊坡恢復工作正在進行。排水過程中沒有發(fā)生較大的邊坡位移或破壞。

(11) 2011年6月13日。重啟主要建設工作。

3 基坑淹沒和排水監(jiān)測

基坑開始主動淹沒與淹沒后，圍堰和基坑邊坡的監(jiān)測主要是地下土體特性的監(jiān)測，土體特性決定著邊坡穩(wěn)定分析的臨界破壞模式。根據(jù)USACE和聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會的標準，以及過去類似項目的經(jīng)驗，對以下失穩(wěn)模式進行了分析：通過圍堰和邊坡的滲透所造成的內(nèi)部潛蝕，淹沒基坑的水導致的過度表面沖刷，細粒土蓋層在排水過程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力導致的邊坡失穩(wěn)，下部黏土透鏡體在不排水和超孔隙水壓力條件下產(chǎn)生的塊體失穩(wěn)。

4 內(nèi)部潛蝕

當河水位上漲到接近堰頂，而基坑尚未淹沒時，通過圍堰斷面的水頭差較高，內(nèi)部潛蝕的風險最高。通過修建良好的嵌巖SCB防滲墻能夠很好地緩解內(nèi)部潛蝕風險。從27，28，29號滲壓計的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以清楚地看出防滲墻的防滲效果，29號滲壓計位于場地上游防滲墻的外側(cè)，相鄰的一對滲壓計，27號和28號位于防滲墻內(nèi)側(cè)。29號滲壓計直接反應了上游河水位，而防滲墻內(nèi)側(cè)的一對滲壓計監(jiān)測到的水位相對穩(wěn)定，顯示水流穿過SCB防滲墻時水位顯著降低。分析基坑淹沒前后這些滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢得出，在基坑即將淹沒和淹沒后，SCB防滲墻在降低孔隙水壓力方面效果顯著。最近，SCB防滲墻前后的水位差較大，反映了排水的持續(xù)影響。

鄰近區(qū)域埋設在相同海拔高度、同一土層中的滲壓計的測壓水位可以監(jiān)測潛在的滲透破壞。從淹沒開始至今，埋設在相同高程的上部滲壓計和下部滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)具有明顯的一致性，說明基坑周圍的SCB防滲墻防滲效果很好。在邊坡的日常巡視中，只發(fā)現(xiàn)細粒土局部有滲水現(xiàn)象，基坑中從未發(fā)現(xiàn)顯著的滲漏現(xiàn)象。

5 表面沖刷與邊坡失穩(wěn)

在植被覆蓋之前，基坑邊坡的砂性土層在暴雨期間表面沖刷嚴重。通常，強降雨過后，必須對無草區(qū)的斜坡進行適當修整。表面沖刷主要發(fā)生在應急泄洪槽附近，嚴格按照臨時建筑物應急預案的要求和預先設計的應急防洪建筑物斷面尺寸進行施工，可以減輕表面沖刷。在基坑淹沒和排水過程中，對應急泄洪槽進行了認真檢查，沒有發(fā)現(xiàn)過水對泄洪槽產(chǎn)生明顯的破壞。

場地蓋層粉質(zhì)黏土是人工填土，厚度變化大。下伏砂層，可以自由排水?；友蜎]后，進行的邊坡穩(wěn)定性分析表明，如果上部黏性土在基坑水位下降時不能及時排出所含的水，就極有可能失穩(wěn)。因為在粉質(zhì)黏土層中未安裝滲壓計，因此只能采用巖土勘察所獲得的資料進行瞬變滲流分析，確定排水時土體中的孔隙水壓力。分析表明，基坑排水時，由于下部砂層的存在，起到了有效的排水作用，在粉質(zhì)黏土層中超孔隙水壓力并未像預計的那樣發(fā)展?；优潘畷r，在粉質(zhì)黏土層分布范圍內(nèi)，每天都對測斜儀測定的位移曲線進行仔細分析，開展多次現(xiàn)場巡查，沒有發(fā)現(xiàn)邊坡有明顯的滑動跡象，但在粉質(zhì)黏土層和下伏砂層的接觸面附近發(fā)現(xiàn)有幾處淺層潛蝕。

6 下部黏土夾層的塊體失穩(wěn)

設計邊坡穩(wěn)定性計算顯示，在不排水條件下，邊坡失穩(wěn)模式是下部黏土夾層的塊體失穩(wěn)。因此在該項目早期，對已有鉆孔和試驗資料進行了認真研究，補充了部分鉆孔以查明黏土夾層的厚度和分布范圍。然而補充勘察并未查明下伏黏土夾層的層數(shù)及其分布的連續(xù)性，因此對基坑開挖邊坡進行了設計，假定鉆孔中會連續(xù)遭遇不排水的黏土夾層，厚度1.5～3.0 m。在黏土夾層不同的分布范圍和深度埋設了滲壓計?；友蜎]和排水期間場地埋設的滲壓計觀測數(shù)據(jù)表明，上部砂層、下部砂礫石層對黏土夾層起到了有效的排水作用，黏土層、砂礫石層中的滲壓計監(jiān)測到的滲壓值非常接近，并且具有同步變化特征。在基坑淹沒時，儀器讀數(shù)滯后約1 d，然后快速增長到基坑實際水位。在排水過程中，抽水開始及增加有效抽水量時，SCB防滲墻內(nèi)的所有滲壓計都有明顯反應。

在基坑邊坡土體中埋設了滲壓計和原位傾斜儀，監(jiān)測邊坡土體不同深度的位移情況。在圍堰建成后、基坑開挖前，埋設測斜儀。由圍堰的附加荷載及排水導致的固結(jié)是持續(xù)的。

因此，測斜儀測量的初始位移要比在一般預固結(jié)場地的大，或者說深部測斜儀的位移量變化較小。4號測斜儀埋設在場地西南角，這里位于歷史上的排水渠道，套管安裝數(shù)周后，再在套管內(nèi)安裝原位測斜儀時發(fā)現(xiàn)，由于初始位移量過大，套管已發(fā)生破壞。位移增量曲線的左右轉(zhuǎn)折是由于圍堰施工和進入基坑的坡道影響造成的，在施工初期，需要在測斜儀埋設處回填土，對斜坡進行切削和回填。

在淹沒和排水期，測斜儀沒有監(jiān)測到明顯的位移。但在基坑淹沒前幾天，隨著河水位的上漲，現(xiàn)場工程師記錄到了兩個測斜儀(1號和4號)的位移數(shù)值。在對現(xiàn)場進行詳細的檢查并對記錄到位移的兩個測斜儀進行核查后，沒有發(fā)現(xiàn)有其他測斜儀監(jiān)測到位移，經(jīng)與測斜儀供應商聯(lián)系，并對這兩個測斜儀進行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4號傾斜儀傳感器發(fā)生了故障，1號測斜儀供電電壓過低導致儀器不能正常工作。這種情況的發(fā)生告誡我們，當看到監(jiān)測數(shù)據(jù)時，應進行適當?shù)姆治?，挑選出正確的讀數(shù)：①對數(shù)據(jù)的正確性進行核查或重讀一次讀數(shù)；②每個儀器的讀數(shù)要和其他可用儀器、施工活動、歷史監(jiān)測情況，以及一般感覺等相互應證；③若還不能確定讀數(shù)的真實性，則應對儀器和場地條件進行嚴格檢查，直到找出導致讀數(shù)異常的原因。在對監(jiān)測成果進行分析前，應仔細認真地提供精準的數(shù)據(jù)，避免項目工作人員無謂的付出，并承受不必要的壓力。

7 結(jié) 語

2011年初，俄亥俄河發(fā)生大洪水后，史密斯蘭德水電項目采取了主動淹沒基坑的措施，對圍堰和基坑區(qū)域使用了實時電子儀器進行監(jiān)測，并對現(xiàn)場進行了詳細而頻繁的巡查，成功保證了工程建設的安全，并達到了及時有效的復工目的?，F(xiàn)在，基坑開挖已經(jīng)完成，水力發(fā)電廠的建設正在進行之中。