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澳大利亞大壩升級(jí)改造中面臨的挑戰(zhàn)

[澳大利亞] F.洛佩斯

過(guò)去10 a，隨著澳大利亞新建大壩進(jìn)度放緩，人們開(kāi)始把更多的注意力投向大壩除險(xiǎn)加固以及升級(jí)改造現(xiàn)有設(shè)施上來(lái)。重點(diǎn)論述了近期澳大利亞在部分大壩升級(jí)改造時(shí)面臨的各種挑戰(zhàn)，主要涉及袋鼠溪壩、新科特壩、瑪汝恩壩、南澳拱壩以及蒙達(dá)拉水庫(kù)等。

大壩升級(jí)改造；大壩除險(xiǎn)加固；澳大利亞

澳大利亞整體上屬干旱氣候，全年降雨、地表徑流分布不均。大壩建設(shè)高峰期為20世紀(jì)60～80年代，之后新大壩建設(shè)數(shù)量屈指可數(shù)，主要是由于缺少適合的壩址、環(huán)境監(jiān)管更為嚴(yán)格且公眾反對(duì)等因素的影響。為解決用水需求問(wèn)題，澳大利亞正致力于利用現(xiàn)代壩工技術(shù)對(duì)現(xiàn)有大壩進(jìn)行維護(hù)、升級(jí)和改造。因此，近期該國(guó)多數(shù)大壩項(xiàng)目都與除險(xiǎn)加固、升級(jí)改造及替換老壩及附屬設(shè)施相關(guān)。

1 袋鼠溪大壩安全升級(jí)

袋鼠溪(Kangaroo Creek)大壩位于托倫茲(Torrens)河上，距南澳阿德萊德(Adelaide)市東北方向約22 km。該壩始建于1966～1969年，目的是為該市居民提供更多的備用水源。隨后，為提高水庫(kù)蓄洪能力并減少洪水下泄量，曾于1983年對(duì)壩進(jìn)行了加高，并升級(jí)了溢洪道。大壩業(yè)主及運(yùn)營(yíng)方為南澳水務(wù)公司(SA Water)。該壩為混凝土面板堆石壩(CFRD)，壩高63.5 m，壩頂長(zhǎng)138 m，其溢洪道形式為側(cè)槽式。

前期安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中指出，該壩存在兩處缺陷： 壩體在強(qiáng)地震荷載作用下具有易損性，表現(xiàn)為在強(qiáng)地震荷載下周邊縫及部分上游面板縱縫存在開(kāi)裂可能，考慮到筑壩材料特性，這些裂縫可能引起壩體滲漏，并導(dǎo)致壩體不穩(wěn)或下游壩坡開(kāi)裂，甚至發(fā)生潰壩事故； 溢洪道泄流能力不足，根據(jù)當(dāng)前版本的《澳大利亞國(guó)家大壩委員會(huì)(ANCOLD)指南》，該壩應(yīng)滿(mǎn)足最大可能洪水(PMF)的6 200 m3/s安全過(guò)流要求，而當(dāng)時(shí)袋鼠溪壩過(guò)流能力僅能達(dá)到1 850 m3/s。

受SA水務(wù)公司委托，GHD公司針對(duì)袋鼠溪大壩升級(jí)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括提高溢洪道泄流能力和壩體對(duì)極端地震荷載的抵抗力等，以滿(mǎn)足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，并符合ANCOLD指南的相關(guān)規(guī)定。GHD公司的工作范圍涵蓋所有必要的勘察和溢洪道物理模型研究。同時(shí)，SA水務(wù)公司還組建了一支由壩工專(zhuān)家組成的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，針對(duì)設(shè)計(jì)成果的可靠性進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估。

大壩升級(jí)方案的主要內(nèi)容包括：①將壩高從63.5 m提升至69.4 m；②擴(kuò)大混凝土面板范圍；③在壩體整個(gè)下游坡面設(shè)置碎石反濾層；④對(duì)縱縫和周邊縫止水帶進(jìn)行升級(jí)；⑤增加溢洪道泄槽寬度；⑥延長(zhǎng)壩頂東側(cè)渥奇(ogee)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度40.2 m；⑦增加溢洪道邊墻高度；⑧對(duì)已有溢洪道的渥奇結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨固；⑨改建泄水建筑物，使之與加高后的壩體及新建的量水堰相匹配。

袋鼠溪大壩壩址所在區(qū)域位于南澳的洛夫締山(Mount Lofty)和弗林德斯山脈(Flinders Ranges)之間，是澳洲大陸最活躍的震區(qū)之一。作為設(shè)計(jì)工作的一部分，GHD公司承擔(dān)了地質(zhì)測(cè)繪及8個(gè)傾斜鉆孔的取芯和試驗(yàn)工作(鉆孔總長(zhǎng)度 255.4 m)。試驗(yàn)結(jié)果表明，溢洪道導(dǎo)流墻基礎(chǔ)強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足后張預(yù)應(yīng)力錨的穩(wěn)固性要求，這就要求設(shè)計(jì)方案在加高導(dǎo)流墻的基礎(chǔ)上，利用重力斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保錨固的安全性。

現(xiàn)存的壩體由5個(gè)區(qū)域組成，其中第一至四區(qū)為堆石區(qū)，第五區(qū)為河槽段少量沖積物，壩體下游坡度為1∶1.4。壩體的升級(jí)處理方案是抬高壩體高度并相應(yīng)增大上游面混凝土面板面積至設(shè)計(jì)值，為PMF過(guò)流提供約1 m的超高。

現(xiàn)有壩體升級(jí)改造設(shè)計(jì)是基于假設(shè)的震后工況，在該工況下，混凝土面板內(nèi)的各處分縫及止水均失去作用，滲流已侵入壩體，下游堆石體形成“面板”效應(yīng)，壩體滲透性降低，無(wú)法向下游自由排水，設(shè)計(jì)滲流導(dǎo)致壩體出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，壩體穩(wěn)定性受到影響。因此，需要新建一條穩(wěn)定戧堤，確保各種不利荷載情形下壩體的安全性。

如果現(xiàn)有滲流的水力坡降超過(guò)臨界值，潛在的高水平向滲透率(假設(shè)由于形成了所謂的“面板”，引起縱向滲透系數(shù)的下降)將導(dǎo)致壩體下游坡面被沖刷侵蝕。為防止壩體下游區(qū)域可能發(fā)生的變形進(jìn)而阻礙下游壩面分散排水，需增加一套內(nèi)部排水系統(tǒng)來(lái)控制出口流量。該設(shè)計(jì)方案通過(guò)將排水區(qū)和更大的外部堆石區(qū)(新增設(shè)計(jì)，用來(lái)阻止壩體開(kāi)裂)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了壩體過(guò)渡區(qū)和排水系統(tǒng)的集成。

壩體加高部分的設(shè)計(jì)依據(jù)來(lái)自關(guān)于控制地震引起壩體上部沉降的若干建議。此次設(shè)計(jì)選定的堆石材料級(jí)配，提高了壩頂以上新增區(qū)域的抗震性能。壩體內(nèi)部過(guò)渡區(qū)分為3層，每一層對(duì)于其毗鄰區(qū)域均使用了“抗腐蝕”的反濾材料。由精選粒徑石料組成寬5 m的區(qū)域，不僅可以保護(hù)下游壩面不受開(kāi)裂影響，還可防止延伸后的排水區(qū)不受內(nèi)部出逸坡降滲流破壞及溢洪道泄洪時(shí)回水的影響。

壩體上游面板擴(kuò)建按照現(xiàn)行CFRDs的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。通過(guò)將現(xiàn)有渥奇結(jié)構(gòu)延長(zhǎng) 40.2 m，并加寬現(xiàn)有泄槽的寬度，實(shí)現(xiàn)了溢洪道需要增加的泄洪能力。通過(guò)對(duì)5種溢洪道升級(jí)設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行的流體力學(xué)模型計(jì)算(CFD)分析，最終選取了漸變式的泄槽方案，該方案不僅可以滿(mǎn)足泄流能力要求，而且還減少了巖石開(kāi)挖及混凝土襯砌工作量。

壩體上游面板周邊縫及縱縫中現(xiàn)有的止水帶為PVC材料，而按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)使用外露式乙丙橡膠EPDM(Ω樣式)材料止水帶。同時(shí)，延伸段周邊縫還需要加裝第二道止水銅片，以應(yīng)對(duì)地震引起的沉降效應(yīng)及施工縫開(kāi)裂。

盡管自袋鼠溪大壩建成以來(lái)一直運(yùn)行穩(wěn)定，但為了滿(mǎn)足現(xiàn)行壩工安全標(biāo)準(zhǔn)，尤其是大壩在抗震及泄洪能力方面的要求，需要對(duì)現(xiàn)有大壩進(jìn)行升級(jí)改造。GHD及SA水務(wù)公司合作制定了袋鼠溪大壩升級(jí)改造的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)已于2016年開(kāi)始施工。

2 新科特大壩建成庫(kù)容巨增

澳大利亞?wèn)|南部地區(qū)在1998～2010年間經(jīng)歷了持續(xù)的干旱，對(duì)該地區(qū)城市居民用水造成了嚴(yán)重影響。為應(yīng)對(duì)危機(jī)，首都堪培拉市政府啟動(dòng)了一系列供水項(xiàng)目，以降低未來(lái)因干旱帶來(lái)的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)。新科特(New Cotter)大壩就是其中之一。該壩位于堪培拉市以西約15 km的科特河上、距離原壩下游約150 m處，新科特壩將原有水庫(kù)庫(kù)容從400萬(wàn)m3提至7 800萬(wàn)m3。該項(xiàng)目由以下幾部分組成：一座87 m高的碾壓混凝土(RCC)重力壩，兩座位于右岸、主壩西南方的副壩。

作為設(shè)計(jì)方，GHD公司不僅承擔(dān)了主副壩大量的基礎(chǔ)調(diào)查工作，還負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)石料場(chǎng)的勘察選址，以便可以為RCC壩體填筑提供充足料源。壩基設(shè)計(jì)的原則是挖除表面強(qiáng)風(fēng)化層及部分裂隙密集發(fā)育的巖層，使壩基巖層的滲透率低于5 Lu。盡管如此，仍需要對(duì)壩基進(jìn)行灌漿處理，以滿(mǎn)足基礎(chǔ)防滲要求。

新科特壩是澳大利亞當(dāng)時(shí)已建成最高的RCC壩，最大壩高為87 m，超過(guò)此前最高RCC壩30 m，RCC填筑量達(dá)371 000 m3，壩頂總長(zhǎng)為335 m。壩體斷面為典型斷面，上游面為垂直面，下游面為臺(tái)階狀，坡比1∶0.75，每級(jí)臺(tái)階高1.2 m。

詳細(xì)設(shè)計(jì)包含三維非線性有限元分析，以評(píng)估壩體的穩(wěn)定性，尤其是在熱應(yīng)力和震后效應(yīng)工況下壩體的穩(wěn)定性。建設(shè)期發(fā)生的一次大洪水，造成RCC壩體填筑進(jìn)度延誤，但提高了壩體熱應(yīng)力分析的重要性。

大壩壩頂和下游面的絕大部分被用作溢洪道，其中，壩體中央70 m寬度區(qū)域是主溢洪道，可滿(mǎn)足1 000 a一遇洪水的泄洪要求，再加上兩側(cè)共計(jì)寬140 m的溢流面后，即可滿(mǎn)足PMF的泄洪要求。主溢洪道以外的泄流通過(guò)渠道排入原河道，這些渠道是與RCC大壩主體同時(shí)修建的。通過(guò)大量的流體力學(xué)和物理建模分析，對(duì)溢洪道進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，尤其對(duì)壩肩溢流渠道尺寸和考慮摻氣因素的入水口形狀進(jìn)行了優(yōu)化。

RCC壩體填筑料取自庫(kù)區(qū)2號(hào)副壩下面的一座料場(chǎng)。為降低骨料的原始溫度，冬季將石料粉碎、加工后貯存。為確定RCC混凝土最優(yōu)配合比，減少水泥用量，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了大量的室內(nèi)外試驗(yàn)。由于石料場(chǎng)骨料中含有不同程度風(fēng)化和變質(zhì)的流紋巖，且具有干/濕強(qiáng)度變化較大的特征，上述試驗(yàn)工作面臨的挑戰(zhàn)巨大。最終試驗(yàn)表明，雖然骨料難以滿(mǎn)足澳大利亞現(xiàn)行規(guī)范的要求，但設(shè)計(jì)人員還是找到了一種合適的配合比，即水泥用量為75 kg/m3，粉煤灰用量為120 kg/m3，試塊180 d強(qiáng)度可達(dá)到15 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。壩體上下游面板采用富漿碾壓混凝土作為表面材料。

砂石混凝土系統(tǒng)位于主壩和2號(hào)副壩之間，通過(guò)傳送帶將混凝土輸送至大壩集料點(diǎn)，再用卡車(chē)直接運(yùn)輸至澆筑面，最后用推土機(jī)推平、碾壓機(jī)壓實(shí)。最初RCC材料每層澆筑厚度為300 mm，壩體澆筑到一半高度時(shí)，為加快施工進(jìn)度，將單層澆筑厚度增加為400 mm。整個(gè)壩體共有100 000 m3RCC是按照每層400 mm的厚度澆筑的。

在業(yè)主方ICON水務(wù)公司、設(shè)計(jì)方GHD公司、施工方John Holland公司及其施工合作方聯(lián)盛集團(tuán)的共同努力下，新科特大壩項(xiàng)目已于2013年順利完工。

3 瑪汝恩大壩升級(jí)方案

瑪汝恩(Maroon)大壩于1969年開(kāi)工，1974年完工，是一座綜合性水利工程，兼有供水、灌溉、防洪及休閑等多種效益。大壩位于澳大利亞昆士蘭州布里斯班市西南方向約100 km處。

大壩最大壩高為47 m，壩頂高程為 219.78 m，壩頂長(zhǎng)約457 m，水庫(kù)正常蓄水位(FSL)為207.14 m。壩體由土石料、中部粘土心墻、外部砂礫石反濾層、上下游壓重戧堤等組成。施工期間，發(fā)現(xiàn)壩基區(qū)域存在近水平向的低強(qiáng)度粘土層，為保證大壩的穩(wěn)定性，設(shè)置了壓重戧堤及減壓系統(tǒng)。

溢洪道位于右岸，直接在巖基上開(kāi)挖形成，無(wú)襯砌，頂高程為 217.51 m。正常蓄水位和溢洪道頂高程之間的庫(kù)容為防洪庫(kù)容，截止目前，記錄到的最高水位為 209.9 m。

2011～2012年間，GHD公司開(kāi)展了大壩防洪能力(AFC)研究和壩基地質(zhì)條件調(diào)查工作，包括對(duì)測(cè)壓管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、測(cè)量標(biāo)石、傾斜計(jì)以及量水堰的詳細(xì)評(píng)估。洪水水文分析顯示，當(dāng)發(fā)生450 a一遇的洪水時(shí)，水庫(kù)水位將超過(guò) 217.5 m，因此現(xiàn)有大壩能夠有效發(fā)揮水庫(kù)蓄洪能力。

為表現(xiàn)潛在破壞面黏土層的強(qiáng)度變化特征，設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)了詳細(xì)的壩基基礎(chǔ)模型。通過(guò)簡(jiǎn)化的隨機(jī)性分析，獲得了大壩邊坡穩(wěn)定性分析所需的粘土力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而獲得了邊坡在不同洪水荷載條件下的安全系數(shù)。根據(jù)昆士蘭州現(xiàn)行的AFC指南，設(shè)計(jì)人員利用以上所獲數(shù)據(jù)，并考慮到邊坡破壞模式及壩體各階段升級(jí)工作等因素，對(duì)該壩不同AFC的升級(jí)方案進(jìn)行了綜合評(píng)估。

風(fēng)險(xiǎn)管理概念的引入，使升級(jí)工作各個(gè)階段有了明確定義，也對(duì)關(guān)鍵階段可能存在的延期進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析，確定了工程各部分存在的安全問(wèn)題及所占權(quán)重：

(1) 壩肩原施工灌漿線及減壓系統(tǒng)以上部分的管涌現(xiàn)象(68%)；

(2) 堤岸區(qū)域管涌(0.8%)；

(3) 壩肩及河床區(qū)域存在軟弱粘土層，導(dǎo)致堤岸失穩(wěn)(0.2%)；

(4) 溢洪道無(wú)襯砌區(qū)域發(fā)生氣蝕(0.1%)；

(5) AFC洪水導(dǎo)致的堤岸漫溢(1.5%)。

綜上所述，溢洪道的沖刷氣蝕并非主要風(fēng)險(xiǎn)因素，但有時(shí)也存在很大的不確定性，即當(dāng)溢洪道工作時(shí)，壩基軟弱粘土層裂隙發(fā)育區(qū)域氣蝕現(xiàn)象可能會(huì)加重，同時(shí)，軟弱土層被加壓后可能導(dǎo)致壩基產(chǎn)生縫隙。因此設(shè)計(jì)人員利用HECRAS和MIKE21模型，分別對(duì)現(xiàn)存及修改過(guò)的溢洪道進(jìn)行水力學(xué)分析，以評(píng)估潛在的氣蝕現(xiàn)象。分析結(jié)果還表明，通過(guò)在現(xiàn)有渠道下游新增一條泄水渠，可以把水流引離堤岸坡腳區(qū)域。同時(shí)，渠道開(kāi)挖料還可作為左右壩肩管涌處理及額外新建壓重戧堤的石料。

最終推薦的升級(jí)方案將可滿(mǎn)足昆士蘭州AFC指南，并能夠滿(mǎn)足大壩安全運(yùn)行的要求。GHD公司百分比風(fēng)險(xiǎn)分析法(AFC指南)的成功應(yīng)用，為長(zhǎng)期規(guī)劃項(xiàng)目各階段劃分提供了依據(jù)。該方法同樣在風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，明確了2035年瑪汝恩大壩升級(jí)工作執(zhí)行到最后階段時(shí)，某個(gè)環(huán)節(jié)存在延期或省略的可能。瑪汝恩大壩整個(gè)升級(jí)工作分為兩個(gè)階段，其中第一階段工作已于2014年完工，包括壩肩區(qū)域的灌漿及排水渠開(kāi)挖、溢洪道排水渠開(kāi)挖和新建壓重戧堤等。

4 南澳幾座拱壩安全評(píng)估

2008～2015年間，GHD公司主導(dǎo)完成了位于南澳阿德萊德市附近的巴羅薩(Barossa)壩、博德峰(Mount Bold)壩及斯特爾特(Sturt)河防洪壩的洪水及地震安全評(píng)估工作，這3座壩均為SA水務(wù)公司所有。每座大壩的安全評(píng)估均面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)，具體情況如下。巴羅薩大壩建于1899年， 1902年完工，自1942年起承擔(dān)了向阿德萊德市供水的任務(wù)，由于其獨(dú)特的聲學(xué)特征，該壩也被稱(chēng)作“回音壁”。大壩主體為一座高36 m的圓柱形混凝土拱狀結(jié)構(gòu)，壩頂長(zhǎng)144 m。36 m的壩高也使其成為當(dāng)時(shí)澳大利亞最高的混凝土拱壩，同時(shí)躋身于當(dāng)時(shí)世界首批最高拱壩之列。除年代久遠(yuǎn)外，該壩獨(dú)特的壩型設(shè)計(jì)也與現(xiàn)代大壩不同，即整個(gè)壩身未設(shè)置垂直伸縮縫。然而1954年，距離大壩45 km處曾發(fā)生過(guò)一場(chǎng)里氏5.6級(jí)地震，隨后人們?cè)趦蓚€(gè)壩肩位置均發(fā)現(xiàn)了數(shù)條垂直裂縫。

博德峰壩于1932年開(kāi)工，1938年完工，隨后于1961～1963年間進(jìn)行了加高處理。博德峰水庫(kù)是阿德萊德市主要的飲用水源地。大壩主體為混凝土拱結(jié)構(gòu)，高58 m，河谷段壩頂長(zhǎng)128 m，加上兩側(cè)的混凝土重力式壩肩，總長(zhǎng)度達(dá)到227 m。由于在建設(shè)期遇到不利條件，兩側(cè)壩肩多處混凝土斷面挖深達(dá)30 m。溢洪道位于拱壩中部，安裝了8扇升降式閘門(mén)。由于加高該壩時(shí)采用的獨(dú)特方法，其拱結(jié)構(gòu)有異于常規(guī)型式。兩側(cè)重力式壩肩加高工程采用了大體積混凝土施工，與此同時(shí)，非溢流壩段的加高采用了空心式預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土模塊，導(dǎo)致其在結(jié)構(gòu)上無(wú)法與原壩頂穩(wěn)定銜接。溢洪道加高是通過(guò)錨固在原堰頂下游面的懸臂式鋼筋混凝土渥奇結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，并在各閘墩之間進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體延伸。這種做法的目的是減少壩頂加高部分的重量，以避免上部懸臂拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生超限應(yīng)力。

斯特爾特河大壩于1963年開(kāi)工，1966年完工，目的是減弱暴漲洪水對(duì)南阿德萊德平原的影響。大壩主體結(jié)構(gòu)為雙曲拱壩，高41 m，壩頂長(zhǎng)107 m，附有若干通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索固定于上游壩肩處的小型塊體結(jié)構(gòu)。壩頂中央?yún)^(qū)域?yàn)殇灼嫘褪降囊绾榈?，同時(shí)壩體底部還配有兩個(gè)排水管，常年開(kāi)放泄流。正常運(yùn)行期間，水庫(kù)為接近空庫(kù)狀態(tài)(此為地震發(fā)生時(shí)的假設(shè)工況)，溢洪道僅在發(fā)生洪水時(shí)發(fā)揮作用，而日常徑流則通過(guò)底部排水設(shè)施下泄。

這3座大壩的安全評(píng)估工作包含以下幾項(xiàng)內(nèi)容：①?gòu)?fù)核溢洪道下泄能力；②壩址地質(zhì)建模；③漫頂沖刷評(píng)估；④壩體結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性評(píng)估；⑤河谷壩肩在拱結(jié)構(gòu)作用下的穩(wěn)定性評(píng)估；⑥最終對(duì)每座大壩進(jìn)行整體安全評(píng)估。

SA水務(wù)公司采用ANCOLD指南。該指南推薦了大壩安全管理實(shí)踐、生命安全可承受風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、洪水及地震安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法，以及替代風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的設(shè)計(jì)荷載備用方案。

在進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)評(píng)估時(shí)，還考慮了壩體和壩肩上的洪水及地震荷載。根據(jù)ANCOLD指南的要求，設(shè)計(jì)人員將3座大壩均設(shè)置在極端情形下進(jìn)行分析，取PMF下的極端洪水荷載作為防洪安全評(píng)估條件，10 000 a一遇超越概率地震事件為地震安全評(píng)估(SEE)條件。

對(duì)每座大壩均建立了3D地質(zhì)模型，用于評(píng)估拱形壩肩在受力狀態(tài)下可能的破壞模式和確定巖體特性，為建立壩體結(jié)構(gòu)模型提供條件。地質(zhì)模型的建立除了基于已有資料，還使用了定向地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，以填補(bǔ)建模過(guò)程中的數(shù)據(jù)缺失。分別運(yùn)用單獨(dú)模型完成了壩體和壩基的穩(wěn)定性分析，其中壩基分析所使用的荷載條件來(lái)自結(jié)構(gòu)模型的分析結(jié)果。

結(jié)構(gòu)抗震評(píng)估分為3D線彈性反應(yīng)譜分析和3D非線性時(shí)程分析兩個(gè)階段。最初的線性分析使用的是Strand7有限元分析軟件，而較復(fù)雜的非線性時(shí)程分析使用的是DIANA軟件。后者被用來(lái)模擬壩基接觸面、裂縫及裂縫張開(kāi)面的幾何非線性邊界，同時(shí)用流體單元模擬壩體和水庫(kù)的相互作用。

通過(guò)此次安全評(píng)估，測(cè)定了3座大壩正常運(yùn)行條件下均要滿(mǎn)足的安全標(biāo)準(zhǔn)。盡管在PMF荷載下，3座大壩的壩體結(jié)構(gòu)和壩基擁有足夠的抗力保證其安全性，但是在上述洪水工況下，大壩將承受漫壩水流沖刷侵蝕，并可能由此導(dǎo)致失穩(wěn)。分析結(jié)果同樣表明巴羅薩大壩和斯特爾特河大壩在運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE)荷載下能夠滿(mǎn)足安全性要求，但是博德峰大壩加高的部分將在此荷載下產(chǎn)生破壞，影響溢洪道閘門(mén)正常工作。在10 000 a一遇超越概率地震條件下，盡管巴羅薩大壩可能遭受?chē)?yán)重破壞，但并不會(huì)發(fā)生潰壩，且壩體在震后依然可以保持穩(wěn)固。然而，博德峰大壩可能遭受?chē)?yán)重?fù)p毀，因此震后需要進(jìn)行安全補(bǔ)強(qiáng)工作。斯特爾特河大壩最初的評(píng)估也顯示將導(dǎo)致壩體損毀，但鑒于該水庫(kù)日常運(yùn)行處于空庫(kù)狀態(tài)，因而地震風(fēng)險(xiǎn)與洪水風(fēng)險(xiǎn)相比略小。

GHD公司已經(jīng)完成了巴羅薩大壩和博德峰大壩關(guān)于降低洪水及地震風(fēng)險(xiǎn)的方案研究，短期內(nèi)將針對(duì)斯特爾特河大壩開(kāi)展類(lèi)似的研究工作。

5 蒙達(dá)拉水庫(kù)進(jìn)水塔強(qiáng)度評(píng)估

蒙達(dá)拉(Moondarra)水庫(kù)位于維多利亞州墨爾本市以東160 km處，為吉普斯蘭水務(wù)公司(Gippsland Water)所有。水庫(kù)進(jìn)水塔始建于1962年，是一座高 40.8 m，內(nèi)徑為 4.5 m的干井塔，塔身有4個(gè)取水端口，用于在不同庫(kù)水位條件下引水。

美國(guó)陸軍工程師團(tuán)(USACE)對(duì)塔身的反應(yīng)譜分析顯示，進(jìn)水塔無(wú)法承受1 000 a一遇的最大設(shè)計(jì)地震(MDE)，MDE將導(dǎo)致進(jìn)水塔豎井發(fā)生彎曲及剪切破壞。為進(jìn)一步評(píng)估該進(jìn)水塔的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，2010年又對(duì)此進(jìn)行了非線性時(shí)程響應(yīng)分析。

設(shè)計(jì)人員采用波譜耦合技術(shù)模擬出兩個(gè)正交水平方向的加速度圖，采用創(chuàng)新的條件均值反應(yīng)譜(CMS)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一致風(fēng)險(xiǎn)反應(yīng)譜(UHS)作為目標(biāo)地震波譜。

根據(jù)貝克(Baker)理論，反應(yīng)時(shí)程分析加速度圖常常通過(guò)和目標(biāo)反應(yīng)譜所匹配的地面運(yùn)動(dòng)獲得，而常使用的UHS法已被證實(shí)并不適用，因?yàn)檫@種方法保守地認(rèn)為，在單一地面運(yùn)動(dòng)條件下，所有周期內(nèi)將僅產(chǎn)生大振幅反應(yīng)譜值。而在研究期目標(biāo)頻譜加速度值出現(xiàn)的條件下，貝克推薦的CMS法提供了反應(yīng)譜的期望平均數(shù)。有學(xué)者認(rèn)為，采用目標(biāo)反應(yīng)譜獲得上述目標(biāo)是合適的，因而對(duì)于選取地面震動(dòng)作為動(dòng)態(tài)分析的輸入數(shù)據(jù)也是一種有效的工具。

基于SeismoStruct軟件對(duì)進(jìn)水塔進(jìn)行了有限元建模。該軟件利用纖維單元來(lái)表現(xiàn)進(jìn)水塔橫截面的結(jié)構(gòu)性能，每一個(gè)纖維單元都與單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相關(guān)。這種結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)周期中的阻尼約為2%。但為保守起見(jiàn)，該研究選取的阻尼為1%。

由于運(yùn)行條件限制，吉普斯蘭水務(wù)公司提出了以下幾點(diǎn)可操作性建議：任何修復(fù)工作需在進(jìn)水塔內(nèi)部完成，且須滿(mǎn)足可行、有效和安全要求。這些限制條件表明，修復(fù)工作不僅要限制結(jié)構(gòu)破壞(即不能發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌)，還要控制裂縫寬度，以便商業(yè)修復(fù)材料和技術(shù)能夠用于此次修復(fù)工作。

進(jìn)水塔外層混凝土瞬態(tài)拉應(yīng)變被用作判定殘余裂縫尺寸的指標(biāo)。在三維地震動(dòng)下，各部位鋼筋最大拉應(yīng)力均小于其230 MPa的屈服強(qiáng)度。在SRO地震動(dòng)下，豎井基座B7斷面鋼筋最大拉應(yīng)力為95 MPa，同時(shí)在PAR地震動(dòng)下，豎井頂部B38斷面最大拉應(yīng)力需求為90 MPa。根據(jù)1994年美國(guó)加利福尼亞州北嶺市地震情況下塔身各部位的拉應(yīng)力時(shí)程變化圖，塔身鋼筋并未發(fā)生屈服、斷裂，或者形成塑性鉸。

在上述分析結(jié)果中，運(yùn)用中外層混凝土的拉應(yīng)變計(jì)算裂縫尺寸，并與破壞控制尺寸0.13 mm進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果顯示，在設(shè)計(jì)地震工況下，預(yù)想的殘余裂縫尺寸以及由裂縫導(dǎo)致的滲漏均極為微小。

該項(xiàng)目顯示了將CMS創(chuàng)新型方法、反應(yīng)時(shí)程分析高新技術(shù)以及項(xiàng)目特殊的使用要求統(tǒng)籌運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明：進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，可滿(mǎn)足抗震要求，對(duì)于此前通過(guò)傳統(tǒng)反應(yīng)頻譜分析認(rèn)為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的進(jìn)水塔來(lái)說(shuō)，無(wú)需進(jìn)行升級(jí)。

6 奎珀利大壩安全及擴(kuò)容改造

奎珀利(Quipolly)大壩位于澳大利亞悉尼以北約360 km的新南威爾士(New South Wales)州內(nèi)，是一座高21 m的土石壩，主要功能是蓄水。

2006年，作為一項(xiàng)大壩綜合安全評(píng)價(jià)工作，相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)該壩進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并指出壩體存在以下主要缺陷：

(1) 壩體上部1.5～2 m部分有發(fā)生管涌的可能，主要原因?yàn)閴误w土石料常處于干燥狀態(tài)以及與之相關(guān)的細(xì)小裂縫；

(2) 壩體靠近垂直溢洪道混凝土擋土墻部位有發(fā)生管涌的可能；

(3) 溢洪道泄流能力不足(原設(shè)計(jì)泄洪能力為過(guò)流800 a一遇的洪水，而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求滿(mǎn)足100 000 a一遇洪水的泄洪要求)。

利物浦平原郡委員會(huì)(LPSC)作為水庫(kù)的業(yè)主，要求對(duì)大壩進(jìn)行升級(jí)以滿(mǎn)足現(xiàn)代壩工設(shè)計(jì)要求，同時(shí)將壩體加高2 m，以增大蓄水量。經(jīng)過(guò)對(duì)不同升級(jí)方案的詳細(xì)論證，最終選定方案包含以下幾點(diǎn)：

(1) 使用土石料結(jié)合預(yù)埋式鋼筋混凝土擋墻加高大壩；

(2) 新增一條混凝土襯砌的輔溢洪道，這種方法的創(chuàng)新性在于既能增加溢洪道過(guò)流能力，也能將因壩體加高而轉(zhuǎn)移到現(xiàn)有溢洪道擋土墻上的荷載最小化。如此一來(lái)，避免了原本需要進(jìn)行的溢洪道擋墻加固和加寬開(kāi)挖工作；

(3) 在溢洪道擋土墻附近新增一道砂礫石反濾層，以降低發(fā)生管涌的風(fēng)險(xiǎn)；

(4) 安裝防洪擋水式自潰堰，增加蓄水能力的同時(shí)，確保在大暴雨時(shí)溢洪道泄流能力最大。

由于在壩體上部1.5 m范圍內(nèi)進(jìn)行裂縫修補(bǔ)期間，仍需確保大壩加高正常施工，因此壩頂加高工作只能在壩體半邊的兩個(gè)狹小空間內(nèi)進(jìn)行。壩體一側(cè)改造完成的同時(shí)，也完成了鋼筋混凝土擋墻施工。隨著2013年整個(gè)升級(jí)工作的完成，奎珀利大壩溢洪道滿(mǎn)足了100 000 a一遇洪水的泄洪要求，且水庫(kù)庫(kù)容也增加了40%。

7 墨累達(dá)令河流域環(huán)保措施

墨累達(dá)令(Murray-Darling)流域是該國(guó)最重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一。

近年來(lái)，持續(xù)干旱以及河流、灘地生態(tài)健康狀況的持續(xù)下降，已引起了人們對(duì)水資源利用的擔(dān)憂(yōu)。未來(lái)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃的核心課題之一便是生態(tài)徑流，目的是研究如何使用有限的生態(tài)徑流來(lái)獲取可能的最佳環(huán)境收益。GHD公司主導(dǎo)的生態(tài)徑流項(xiàng)目，憑借提高基礎(chǔ)設(shè)施用水效率，以及通過(guò)控制供水使原河道恢復(fù)到更接近于自然徑流量和原有的洪水過(guò)程，在這一領(lǐng)域多次獲獎(jiǎng)。這些基礎(chǔ)設(shè)施包括小型大壩、堤岸以及水流控制設(shè)施等，工程規(guī)模通常小至箱涵，大至高8 m、長(zhǎng)80 m的混凝土建筑物。在這些項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中遇到了不同程度的挑戰(zhàn)，但也相應(yīng)創(chuàng)新出了一系列解決方案。

大型河道內(nèi)的施工，在不斷流的情況下，通常使用板樁圍堰技術(shù)。喬維拉(Chowilla)項(xiàng)目的圍堰最初的設(shè)計(jì)外圍水位為17 m，允許最大水位誤差為100 mm。施工現(xiàn)場(chǎng)曾在2011年的一次大洪水中遭受?chē)?yán)重影響，此外在2010年和2012年還分別遭受了中等程度洪水的影響。為此，開(kāi)發(fā)出一種新型圍堰加高技術(shù)，即將較短的板樁用螺栓固定在已有板樁上部，從而確保在2012年洪水事件中能夠繼續(xù)現(xiàn)場(chǎng)施工，當(dāng)時(shí)外部水位已超過(guò)原設(shè)計(jì)水位1.44 m之多。隨著水位差的增加，施工人員采取了一系列方法來(lái)加固板樁的懸壁結(jié)構(gòu)。圍堰內(nèi)的戧堤可以為板樁結(jié)構(gòu)提供額外的被動(dòng)支撐，使圍堰體更加穩(wěn)定和可靠。運(yùn)行后，最大的水位差曾達(dá)到343 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)可接受的范圍，但針對(duì)設(shè)計(jì)模型的定期監(jiān)測(cè)和調(diào)整表明，圍堰的變化可以預(yù)測(cè)，且不會(huì)發(fā)生傾覆事故。

張笑凡孫嬋譯

2017-04-20

1006-0081(2017)10-0040-06

TV641.41

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(編輯唐湘茜)