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1 美國佐治亞州溢洪道建設歷史

位于美國東南部的佐治亞州一直利用壩頂溢洪道來降低大壩危險，這種做法符合該州關于控制大壩風險漸增的規(guī)定。當一座現有的低風險壩的下游潰壩淹沒區(qū)中的經濟社會發(fā)展使得該壩成為高風險壩時其風險漸增，因為現在的情況下，大壩失事的生命損失概率高。在佐治亞州，對低風險大壩不加監(jiān)管，也不需要按照特別的設計暴雨來校核，而高風險大壩不僅被重點監(jiān)管，而且大壩安全規(guī)章還要求以可能最大降雨量(PMP)的一個規(guī)定的分數值作為其設計暴雨。其中，要求的可能最大降雨量的規(guī)定分數值與水庫規(guī)模有關，較小水庫為PMP的1/4，而很大的水庫則采用全部PMP。

在城市環(huán)境中的大壩，由于上文所提到的“風險漸增”情形，壩頂式溢洪道可能是彌補大壩泄洪能力不足的唯一可行辦法。以亞特蘭大市為例，該市人口規(guī)模約540萬，在全美排在第9位，而在1960年該市人口在全美甚至連前20位都排不到，在過去50 a中，該市人口增加了約2.5倍。過去曾經是農業(yè)生產區(qū)的農村地區(qū)，現在到處都是房屋、公路、學校、商店、公園以及其他密集利用的發(fā)達區(qū)，而以前為農業(yè)灌溉或防洪而修建的一些水壩現在則成為城中各社區(qū)的整體重點，提供休閑娛樂、防洪和城鎮(zhèn)供水、改善水環(huán)境、提供水生生物的棲息地。目前在亞特蘭大城區(qū)范圍，像這樣的大小水庫、池塘多達數千座，它們正面臨“風險漸增”的威脅，并且由于其溢洪道的泄洪能力不足，必須對其進行升級改造以符合佐治亞州的相關安全規(guī)定。

在佐治亞州，主管溢洪道設計的工程師及大壩業(yè)主普遍遵從以下一些原則：①維護沿岸水權；②洪泛區(qū)法規(guī)禁止在100 a一遇洪水期間增加下泄流量；③以法院判例為根據的法律要求，大壩業(yè)主應保持現有的水庫水位；④因影響水庫周邊地區(qū)發(fā)展而限制大壩加高。此時，壩頂式溢洪道成為理想選擇，因其很容易根據現有壩的實際結構改建而成，以解決下泄流量問題。

壩頂式溢洪道的建筑材料通常是抗沖刷的，主要是鋼筋混凝土、碾壓混凝土或預制混凝砌塊，只有少數情況采用非混凝土材料，如毛石、石籠、植被渠道等。與岸邊式溢洪道相比，位于大壩壩頂上的溢洪道的建設費用更省，這是因為從壩頂向下游泄水更直接，且使用的建筑材料也更少?？梢赃@樣說，只要設計合理，利益相關者所關心的問題，如建筑物安全和美觀等問題都可得到解決。對于絕大多數壩型而言，在已完成大部分固結沉降的土石壩壩址處只建議修建壩頂式溢洪道。并且，如果這種壩頂式溢洪道不是工作溢洪道，而僅作為非常規(guī)溢洪道，即只在發(fā)生概率很低的大暴雨洪水期間才使用的話，那么采用壩頂式溢洪道的風險就降低到最小，因為這樣可以針對大壩安全問題的一些直觀指標對溢洪道和大壩進行定期檢查。

佐治亞州境內的大多數壩頂式溢洪道工程都是過去10 a中作為“美國農業(yè)部自然資源保育署”(NRCS)的流域建筑物建成的，這些大壩都是防洪壩，多數是在20世紀50年代到90年代在佐治亞州北部修建的，包括建在亞特蘭大市區(qū)內和市區(qū)周圍的壩。這些NRCS大壩(有357座)原來是不受佐治亞州大壩安全條例限制的，但是在2000年豁免權期滿。在1999年隨著該豁免權接近到期，佐治亞州的NRCS以及州水土保持委員會率先為2座壩啟動了升級改造工程，這2座壩是土豆溪6號壩和松木頭支流86號壩。

為了提供下泄全部可能最大洪水(PMF)所需要的溢洪道能力，并且仍然保持大壩的防洪效益，最終為上面兩個工程選用碾壓混凝土直槽式壩頂溢洪道作為最合算的解決方案。RCC溢洪道的設計方為Golder聯合公司。土豆溪6號壩采用了階梯形RCC直槽式溢洪道，總寬100 m，具有一鋼筋混凝土的渥奇堰控制剖面；松木頭支流86號壩同樣采用了階梯形RCC直槽式溢洪道，總寬152 m，壩頂為一寬頂堰；土豆溪6號壩由DPS工程公司于2003年建造，建造費用約1 100萬美元；松木頭支流86號壩由于缺乏資金，一直未開工。

佐治亞州的格威納特縣于2000年開始，為一項基本建設改進工程提供資金，以便將14座NRCS流域壩進行升級改造，使這些大壩符合佐治亞州的大壩安全規(guī)定。在項目執(zhí)行中，同上面2個工程一樣，對該縣的大壩建筑物都進行了透徹的研究，以便確定能安全下泄由要求的設計暴雨產生的徑流的經濟性最好的升級改造設計方案，其中有6座大壩為了提供所需要的附加的泄洪能力，經批準采用了壩頂式溢洪道的升級改造方案。

黃水河14號壩(Y-14)，由Golder聯合公司為該壩設計的溢洪道為RCC階梯式，壩頂堰為渥奇剖面，寬68.5 m。通過該新增的溢洪道能安全下泄PMF。Y-14工程由Thalle工程公司負責施工，已于2004年完工，建造費用約133萬美元。

黃水河17號壩(Y-17)，由美國陸軍工程師兵團按通過全部PMF要求設計的溢洪道同樣為RCC階梯式，壩頂堰為渥奇剖面，寬158.8 m。Y-17工程的施工由ASI RCC公司承擔并已于2005年完工，建造費用約150萬美元。

黃水河15號壩(Y-15)，由Golder聯合公司設計的溢洪道為RCC階梯式，壩頂堰為窄頂堰，寬146.3 m，按照設計，該溢洪道同樣能下泄全部PMF。Y-15工程的施工由ASI RCC公司承擔，并已于2008年完工，建造費用約430萬美元。

黃水河16號壩(Y-16)，由施納貝爾工程公司設計的溢洪道為寬33.5 m的階梯式RCC壩頂溢洪道，壩頂堰為尖頂堰，按照設計，該溢洪道能夠下泄50%的PMF。Y-16工程的施工由ASD RCC公司承擔，并已于2008年竣工，建造費用約180萬美元。

大海恩斯大壩(H-3)，由Golder聯合公司設計的階梯式碾壓混凝土溢洪道寬約38 m，壩頂堰為窄頂堰，按照設計，該溢洪道能夠下泄50%的PMF。H-3工程的施工由ASC 承包公司承擔，并已于2011年竣工，建造費用約170萬美元。

2 設計綜合考慮

如何在溢洪道設計中盡量照顧到美觀是僅次于大壩安全問題的設計主要制約因素。由于這些大壩位于人口稠密的郊區(qū)，周圍都是住房和綠地，當地縣政府決定將Y-17，Y-15，Y-16和H-3大壩的溢洪道用土和草皮進行覆蓋。由于要結合沒有垂直導墻的RCC設計，因而植被覆蓋的溢洪道泄槽，成為就該工程與利益相關者商談取得成功的關鍵。

針對上面的情況，美國農業(yè)部農業(yè)研究署和美國墾務局分別針對H-3大壩和Y-15大壩進行了水工模型試驗，模型試驗研究幫助建立了階梯形溢洪道的一些設計準則，這些準則是將水流從很寬的堰頂平順地收斂到狹窄的消力池中(因受地形限制)。

H-3大壩的模型試驗通常用來確定與典型的碾壓混凝土溢洪道設計體型有關的一些問題；而Y-15大壩的模型試驗則證明，可通過優(yōu)化溢洪道體型，設計溢洪道的幾何形狀來緩解這些問題。已確認要將設計的約束問題作為設計的一部分加以解決，包括以下一些流態(tài)問題。泄洪時，水流在RCC溢洪道內會具有沖出導墻處泄槽的趨勢，并侵蝕碾壓混凝土與土壩的接界面；沿收斂的導流邊墻存在水面雍高(flow bulking)，但并沒有觀察到形成超臨界水波；如果收斂的水流在消力池下游交匯，則會對河床產生顯著的沖刷；收斂的水流在溢洪道交匯有形成高速射流的趨勢，這種高速射流在集中離開消力池的地方造成下游河床沖刷。

從最早的土豆溪6號壩開始直到后面的大海恩斯大壩(H-3)，對每座壩的RCC溢洪道都新增了一些設計特色，這些改進都是基于從已完成工程得出的經驗教訓，對RCC溢洪道性能繼續(xù)研究的成果，以及試圖改善碾壓混凝土成品外觀的愿望。但這也導致了RCC的造價增加，從最初的土豆溪6號壩的126元/m3增加到黃水河15號壩(Y-15)的188元/m3。由于施工中采用了運土設備澆筑碾壓混凝土，建造階梯式溢洪道所采用的施工方法需要的碾壓混凝土量通常大約是鋼筋混凝土的3倍。由于碾壓混凝土造價較高，用碾壓混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土變得幾乎沒有什么優(yōu)勢，從2010年開始，受美國經濟衰退的影響，混凝土施工的價格顯著降低，這就導致對一些原本計劃采用碾壓混凝土建造的溢洪道工程加以重新評估，并重新設計為鋼筋混凝土泄墻。

有了NRCS和格威納特縣一系列大壩改造工程的成功實施，佐治亞州決定在2010年開始對NRCS所屬的一些流域大壩進行升級改造。該州工程因得到2009年的美國經濟復蘇與再投資法案的資金支持而變得容易實施，同時該州州政府為了保證NRCS壩升級改造工程所需要的35%投資份額，發(fā)行了收益?zhèn)?，佐治亞州已?座NRCS所屬大壩得到升級改造。這其中的2項工程涉及在土壩上修建壩頂式溢洪道，如前所述，這些工程本來計劃采用碾壓混凝土溢洪道泄槽，但考慮到傳統(tǒng)鋼筋混凝土的造價合適，后來都選用了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土泄槽。

桑迪溪15號壩，由Golder聯合公司設計的寬55 m的鋼筋混凝土溢洪道具有一個迷宮堰，設計流量為PMF，巴斯菲爾德和格雷總承包公司承擔其施工任務，并已于2011年完工，建造費用約270萬美元。

南河大壩，由施納貝爾工程公司設計的寬32 m的鋼筋混凝土溢洪道帶有一個迷宮堰，設計流量是下泄PMF。該工程由桑貝爾特建筑公司負責施工，并已于2011年完工，建造費用約190萬美元。

3 接受洪水考驗

2009年9月21日，亞特蘭大市區(qū)經歷了一次極強的暴雨洪水事件，此次降雨是由停滯的低氣壓系統(tǒng)吸引來自墨西哥灣的濕氣造成的，降雨之猛烈十分罕見，該地區(qū)的許多地方24 h降雨量甚至超過百年一遇的設計暴雨量，事后估計該市西部一些區(qū)域的降雨超過了50%的PMP。格威納特縣內黃水河流域的24 h降雨量達到203 mm，一周降雨量達到了381 mm。為應對這場大洪水，Y-14、Y-15，Y-17號RCC溢洪道連續(xù)泄洪達36 h，最大溢流水深達0.84 m。但在這一過程中，除了RCC溢洪道上的覆蓋土和草皮遭受破壞外，黃水河的幾座溢洪道的泄洪性能特別好。在這次洪水事件后接近一周的時間內有效地削減了下游洪水淹沒災情。泄洪后這些溢洪建筑物不需要修理。Golder聯合公司在這次洪水事件后進行的水文研究表明，若Y-15號和Y-17號大壩沒有經過增加洪道泄洪能力的升級改造，這次洪水中很可能會失事。

4 應用日益普遍

雖然壩頂溢流式溢洪道曾一度被大壩安全機構回避，但現在這種溢洪道作為應對現有基礎設施升級改造的一種手段而得到越來越普遍的使用，它們在佐治亞州用于提升泄洪能力已經被證明是成功的。目前在佐治亞州的格威納特縣以及該州的其他城市，為大壩升級改造繼續(xù)采用壩頂溢流式溢洪道作為增加該州發(fā)達地區(qū)溢洪道泄洪能力的一種手段。

目前，北佐治亞州混凝土公司正在南河29號大壩處建造一個寬23.8 m的帶有迷宮堰的溢洪道(由施納貝爾工程公司設計)，造價約190萬美元。除此之外，在該州還有很多其他工程正在設計中，并且將采用壩頂溢流的溢洪道。

在設計水工建筑物時，首先，了解一座水工建筑物過去的運行性能以及將來的用途是很重要的，在采用壩頂式溢洪道方案之前，與利益相關者詳細商討所有其他方案也是關鍵。業(yè)主應該聘請富有經驗的大壩水工工程師及巖土工程師完成設計，并雇用經驗豐富的承包商來建造該工程。在工程實施過程中，業(yè)主、設計方、承包商應該作為一個團隊加強合作，確保采用壩頂式溢洪道方案來提高大壩的安全度，使大壩的壽命和效益得以延長。