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設計與施工

美國比弗大壩的更新改造

[美國] D.雅頓等

論述了美國比弗大壩升級改造的原因，并通過降低水庫運行水位、開展風險評估及加固處理等措施進行了險情應急處理。介紹了溢洪道加高加固、泄水建筑物管道更新和閘門重構(gòu)、左壩肩下游濾排水系統(tǒng)設置等升級改造方案，簡述了具體的施工步驟。大壩的升級改造解除了險情，并在整個項目實施期間，重點關注了環(huán)境影響。

大壩；溢洪道；加高加固；泄水建筑物；改造；美國

1 大壩更新改造方案

比弗(Beaver)大壩位于美國科羅拉多州南?？随?zhèn)正南方，長期存在壩體滲漏問題。建成100多年以來，該大壩經(jīng)歷了數(shù)次修復。2010年春季，在左壩肩下游原來出現(xiàn)過滲漏的地方發(fā)現(xiàn)一個塌陷坑。隨即，該座高危大壩的所有者和經(jīng)營者——科羅拉多州公園及野生動物管理局(CPW)立即采取了相應措施處理險情。

經(jīng)初步評估，科羅拉多州工程師辦公室(SEO)將水庫蓄水位限制在溢洪道頂部高程6.1 m以下。隨后艾奕康(AECOM)公司的技術團隊分別就下述幾種情形對大壩進行了風險分析，以評估潰壩風險：

(1)若現(xiàn)有設施正常運行，其風險將會超過快速降低風險準則的規(guī)定；

(2)若現(xiàn)有設施在限制水位運行，其風險可滿足長期降低風險運行的要求；

(3)若采取降低風險的運行方案，其風險通常符合逐步降低風險運行準則的要求。

完成評估后，AECOM公司設計了大壩更新改造的方案，并負責大壩改造施工的管理。這些方案具體如下。

(1)溢洪道頂部及陡槽改建。對現(xiàn)有的主溢洪道進行修復以防溢洪道下游巖石遭受侵蝕。經(jīng)改建后，溢洪道頂部將會增高 0.91 m，正常蓄水位最大高程相應地提高至 2 684.37 m，從而可增加 39.47萬m3的蓄水量。

(2)泄水建筑物管道更新和閘門重構(gòu)。泄水建筑物的更新主要是更換現(xiàn)有的泄水管道，并在其上下游安裝閥門和閘門。其中包括新建一座進水口建構(gòu)筑物、一座下游出水口控制建筑物和相應的調(diào)度室，廢棄現(xiàn)有的中心閘門室。

(3)左壩肩下游反濾排水系統(tǒng)。為防止?jié)B漏和管涌(內(nèi)部侵蝕)破壞，在左壩肩設置了反濾排水系統(tǒng)。

鑒于現(xiàn)場施工季節(jié)較短，施工分兩個階段進行。

2 第一階段施工

首先必須改建溢洪道陡槽，以便解決溢洪道陡槽下游端的基巖侵蝕問題，并通過提高溢洪道頂部高程來增加水庫庫容。然而,第一階段施工尚未開始就遇到了問題。正當制訂施工準備計劃時，在西?？税l(fā)生的一次雷擊所引發(fā)的火災使工作被迫中斷。距壩址僅12.87 km的南?？随?zhèn)居民被疏散，通往西邊的兩條出鎮(zhèn)高速公路(包括通往上壩公路的高速公路)被關閉了一個多月。通往施工現(xiàn)場的交通道路非常有限，唯一可行的對外交通道路是兼作水庫輔助溢洪道的美國林務局道路。盡管將該道路當作雙向兩車道使用，但不足以承載施工所需的超重設備和物料供應的運輸。面對困難，施工承包商設計出了調(diào)度施工材料、設備和人員的創(chuàng)新方法，甚至在可能的時候可以同時在溢洪道的兩端進行施工作業(yè)。

為防止溢洪道基巖遭受侵蝕，需對右壩肩溢洪道表面近似垂直的張裂縫進行灌漿處理，并采用錨桿進行錨固。在采用常規(guī)方法對溢洪道地基進行壓力灌漿時，遇到了很大阻力。盡管在灌漿過程中很容易保持鉆孔中的壓力，但在拿開封隔器和灌漿管后的幾分鐘之內(nèi)，水泥砂漿的水平面明顯下降。這是因為在灌漿過程中，空氣被裹挾在水泥砂漿下，阻礙水泥砂漿流向孔隙空間。一旦鉆孔中壓力下降，裹挾在水泥砂漿下的空氣將會向上逃逸，導致水泥砂漿能進一步滲入裂縫中。

針對以上情況，AECOM公司、科羅拉多州公園及野生動物管理局和灌漿分包商海沃德-貝克(Hayward-Baker)公司聯(lián)合開發(fā)了一個改進的灌漿工序，最終使原方案目標得以實現(xiàn)。具體做法是，利用一根延伸到所在分段灌漿底部區(qū)域的導管，依靠重力作用注入水泥砂漿，以便允許空氣在完成本階段灌漿之前從灌注縫中釋放出來。在灌漿過程中，還采用了更低水灰比的水泥砂漿。

3 第二階段施工

第二階段施工包括在左壩肩修建一套反濾排水系統(tǒng)以解決管涌問題，在現(xiàn)有泄水管中插入一根新的鋼襯管，為大壩泄水建筑物新建進出水構(gòu)筑物。這些工作為承包商和設計團隊帶來了一系列挑戰(zhàn)。

3.1 進場道路

由于從下游無任何道路可到達壩肩底部，設計團隊面臨的難題是：施工承包商怎樣才能在如此陡峭的山坡上開挖出可到達壩肩底部的道路，從而將開挖料及工程施工所需的物料運送至指定地點。

在第二階段施工啟動會上，承包商ASI公司也表達了類似擔憂。該公司提出了一種最終被證明行之有效的創(chuàng)新性方法，即通過沿墻頂部開挖出來的一級臺階開始向下開挖土釘墻(設計用于限制上坡的開挖范圍和對林務局財產(chǎn)的侵占)。同時，在下一級邊坡較低位置開挖另一級臺階，這樣至少可以部分實現(xiàn)對壩肩坡腳的清理。在兩個作業(yè)平臺處均修建了連接到壩肩頂部的斜坡道，且當上一級作業(yè)平臺向下開挖時，斜坡道同時向下延伸。所有的開挖和裝載均采用反鏟施工。

3.2 巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性

在左壩肩中下部開挖過程中，遇到了現(xiàn)有巖質(zhì)邊坡和巖石的穩(wěn)定性問題，牽涉到施工人員、設備和必須安全完成工作的問題，因而引起了廣泛關注。在施工過程中，如果巖石受到擾動，將會面臨垮塌至施工作業(yè)區(qū)內(nèi)的風險，這在前期泄水管排水口修復施工時就已發(fā)生過。由于前期發(fā)生過幾起巖石垮塌事件，因此在施工開挖前，業(yè)主要求承包商應慎重對待潛在的巖石垮塌風險。

3.3 排水隧洞

在左壩肩開挖時發(fā)現(xiàn)了一根排水管，證實了檔案記錄中所描述的排水隧洞，該排水洞延伸至左壩肩下游，用于收集滲流并排出壩體之外。而新安裝排水管道的混凝土外殼可能會永久阻塞原排水隧洞口。經(jīng)仔細評估后認為，進一步查明原排水隧洞的成本與風險要大于潛在利益。因此，制訂了實施計劃以清除沉積在出露排水隧洞中的泥砂和有機質(zhì)，并安裝一根等長的PVC割縫管，割縫管周圍設置與割縫大小相適應的排水礫石，然后用濾砂回填隧洞。

3.4 施工導流

項目施工期間，需降低比弗公園水庫的水位。ASI公司設計的導流方案包括一座圍堰和一臺設計流量為0.906 m3/s的水泵及輸水管道系統(tǒng)。該導流方案有效解決了施工導流問題，并使水庫水位保持在安全水平。

3.5 現(xiàn)有泄水管道

比弗公園水庫的現(xiàn)有泄水管道由一個進水口和一條內(nèi)置鋼管組成。內(nèi)置鋼管直徑從 1.83 m(進口)漸變至 1.22 m(垂直閘門軸后)。幾年后，內(nèi)置鋼管被延長到下游排水洞洞口之外，即原排水管將水排入比弗溪(Beaver Creek)中。由于在進水口處未設置防護閘門或擋水墻，人員無法接近內(nèi)置鋼管上游端。第二階段施工時，需在新建的進出水口之間安裝一根直徑 1.07 m的管道，被替換的那部分泄水管道已有50多年的時間未曾檢修過。ASI公司制訂了管道更換工作計劃，在管道更換過程中，根據(jù)實際情況及時對計劃進行修改。同時，設計人員在繪制管道制造加工圖之前，對管道下游斷面進行了測量，以便確認安裝尺寸。

4 生態(tài)環(huán)境保護

比弗大壩坐落于里奧格蘭德國家森林區(qū)內(nèi)，該區(qū)由美國林務局負責管理。比弗水庫及周邊地區(qū)徒步旅行、垂釣、打獵、野營、山地自行車等戶外活動設施一應俱全，對戶外運動愛好者來說非常具有吸引力。除了水庫內(nèi)的漁業(yè)資源外，周邊還有大量的麋鹿、大角羊、狐貍和美洲獅等野生動物資源。常見的鳥類有雕、鷹、貓頭鷹和蜂鳥等，且春季和初夏均有各類野花盛開。

在比弗大壩改造規(guī)劃與施工中，因充分考慮了水庫對周邊的娛樂設施和環(huán)境影響，使得本次改造施工未對周邊環(huán)境造成不利影響，保持了水庫周邊環(huán)境的原貌。2016年9月，美國國家大壩安全管理官員協(xié)會(ASDSO)將比弗大壩改造工程命名為“國家年度改造工程”。該工程還獲得了3項以上其他頗有份量的提名。該項重要的壩體改造工程因其各種創(chuàng)新性設計而得到了認可。

孫嬋譯

(編輯：唐湘茜)

2017-05-20

1006-0081(2017)08-0039-02

TV698.1

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孫嬋，女，長江水利委員會長江科學院，工程師。)