美國(guó)比弗大壩的更新改造

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設(shè)計(jì)與施工

美國(guó)比弗大壩的更新改造

[美國(guó)] D.雅頓等

論述了美國(guó)比弗大壩升級(jí)改造的原因，并通過(guò)降低水庫(kù)運(yùn)行水位、開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及加固處理等措施進(jìn)行了險(xiǎn)情應(yīng)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(mén)重構(gòu)、左壩肩下游濾排水系統(tǒng)設(shè)置等升級(jí)改造方案，簡(jiǎn)述了具體的施工步驟。大壩的升級(jí)改造解除了險(xiǎn)情，并在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施期間，重點(diǎn)關(guān)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(guó)

1 大壩更新改造方案

比弗(Beaver)大壩位于美國(guó)科羅拉多州南福克鎮(zhèn)正南方，長(zhǎng)期存在壩體滲漏問(wèn)題。建成100多年以來(lái)，該大壩經(jīng)歷了數(shù)次修復(fù)。2010年春季，在左壩肩下游原來(lái)出現(xiàn)過(guò)滲漏的地方發(fā)現(xiàn)一個(gè)塌陷坑。隨即，該座高危大壩的所有者和經(jīng)營(yíng)者——科羅拉多州公園及野生動(dòng)物管理局(CPW)立即采取了相應(yīng)措施處理險(xiǎn)情。

經(jīng)初步評(píng)估，科羅拉多州工程師辦公室(SEO)將水庫(kù)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(shù)團(tuán)隊(duì)分別就下述幾種情形對(duì)大壩進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析，以評(píng)估潰壩風(fēng)險(xiǎn)：

(1)若現(xiàn)有設(shè)施正常運(yùn)行，其風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)超過(guò)快速降低風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則的規(guī)定；

(2)若現(xiàn)有設(shè)施在限制水位運(yùn)行，其風(fēng)險(xiǎn)可滿(mǎn)足長(zhǎng)期降低風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行的要求；

(3)若采取降低風(fēng)險(xiǎn)的運(yùn)行方案，其風(fēng)險(xiǎn)通常符合逐步降低風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行準(zhǔn)則的要求。

完成評(píng)估后，AECOM公司設(shè)計(jì)了大壩更新改造的方案，并負(fù)責(zé)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(duì)現(xiàn)有的主溢洪道進(jìn)行修復(fù)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(huì)增高 0.91 m，正常蓄水位最大高程相應(yīng)地提高至 2 684.37 m，從而可增加 39.47萬(wàn)m3的蓄水量。

(2)泄水建筑物管道更新和閘門(mén)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(mén)和閘門(mén)。其中包括新建一座進(jìn)水口建構(gòu)筑物、一座下游出水口控制建筑物和相應(yīng)的調(diào)度室，廢棄現(xiàn)有的中心閘門(mén)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(shè)置了反濾排水系統(tǒng)。

鑒于現(xiàn)場(chǎng)施工季節(jié)較短，施工分兩個(gè)階段進(jìn)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(wèn)題，并通過(guò)提高溢洪道頂部高程來(lái)增加水庫(kù)庫(kù)容。然而,第一階段施工尚未開(kāi)始就遇到了問(wèn)題。正當(dāng)制訂施工準(zhǔn)備計(jì)劃時(shí)，在西?？税l(fā)生的一次雷擊所引發(fā)的火災(zāi)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(guān)閉了一個(gè)多月。通往施工現(xiàn)場(chǎng)的交通道路非常有限，唯一可行的對(duì)外交通道路是兼作水庫(kù)輔助溢洪道的美國(guó)林務(wù)局道路。盡管將該道路當(dāng)作雙向兩車(chē)道使用，但不足以承載施工所需的超重設(shè)備和物料供應(yīng)的運(yùn)輸。面對(duì)困難，施工承包商設(shè)計(jì)出了調(diào)度施工材料、設(shè)備和人員的創(chuàng)新方法，甚至在可能的時(shí)候可以同時(shí)在溢洪道的兩端進(jìn)行施工作業(yè)。

為防止溢洪道基巖遭受侵蝕，需對(duì)右壩肩溢洪道表面近似垂直的張裂縫進(jìn)行灌漿處理，并采用錨桿進(jìn)行錨固。在采用常規(guī)方法對(duì)溢洪道地基進(jìn)行壓力灌漿時(shí)，遇到了很大阻力。盡管在灌漿過(guò)程中很容易保持鉆孔中的壓力，但在拿開(kāi)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?yàn)樵诠酀{過(guò)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(huì)向上逃逸，導(dǎo)致水泥砂漿能進(jìn)一步滲入裂縫中。

針對(duì)以上情況，AECOM公司、科羅拉多州公園及野生動(dòng)物管理局和灌漿分包商海沃德-貝克(Hayward-Baker)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一個(gè)改進(jìn)的灌漿工序，最終使原方案目標(biāo)得以實(shí)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(dǎo)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(lái)。在灌漿過(guò)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(wèn)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(jìn)出水構(gòu)筑物。這些工作為承包商和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)。

3.1 進(jìn)場(chǎng)道路

由于從下游無(wú)任何道路可到達(dá)壩肩底部，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(kāi)挖出可到達(dá)壩肩底部的道路，從而將開(kāi)挖料及工程施工所需的物料運(yùn)送至指定地點(diǎn)。

在第二階段施工啟動(dòng)會(huì)上，承包商ASI公司也表達(dá)了類(lèi)似擔(dān)憂(yōu)。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(guò)沿墻頂部開(kāi)挖出來(lái)的一級(jí)臺(tái)階開(kāi)始向下開(kāi)挖土釘墻(設(shè)計(jì)用于限制上坡的開(kāi)挖范圍和對(duì)林務(wù)局財(cái)產(chǎn)的侵占)。同時(shí)，在下一級(jí)邊坡較低位置開(kāi)挖另一級(jí)臺(tái)階，這樣至少可以部分實(shí)現(xiàn)對(duì)壩肩坡腳的清理。在兩個(gè)作業(yè)平臺(tái)處均修建了連接到壩肩頂部的斜坡道，且當(dāng)上一級(jí)作業(yè)平臺(tái)向下開(kāi)挖時(shí)，斜坡道同時(shí)向下延伸。所有的開(kāi)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(kāi)挖過(guò)程中，遇到了現(xiàn)有巖質(zhì)邊坡和巖石的穩(wěn)定性問(wèn)題，牽涉到施工人員、設(shè)備和必須安全完成工作的問(wèn)題，因而引起了廣泛關(guān)注。在施工過(guò)程中，如果巖石受到擾動(dòng)，將會(huì)面臨垮塌至施工作業(yè)區(qū)內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)，這在前期泄水管排水口修復(fù)施工時(shí)就已發(fā)生過(guò)。由于前期發(fā)生過(guò)幾起巖石垮塌事件，因此在施工開(kāi)挖前，業(yè)主要求承包商應(yīng)慎重對(duì)待潛在的巖石垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 排水隧洞

在左壩肩開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)了一根排水管，證實(shí)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(huì)永久阻塞原排水隧洞口。經(jīng)仔細(xì)評(píng)估后認(rèn)為，進(jìn)一步查明原排水隧洞的成本與風(fēng)險(xiǎn)要大于潛在利益。因此，制訂了實(shí)施計(jì)劃以清除沉積在出露排水隧洞中的泥砂和有機(jī)質(zhì)，并安裝一根等長(zhǎng)的PVC割縫管，割縫管周?chē)O(shè)置與割縫大小相適應(yīng)的排水礫石，然后用濾砂回填隧洞。

3.4 施工導(dǎo)流

項(xiàng)目施工期間，需降低比弗公園水庫(kù)的水位。ASI公司設(shè)計(jì)的導(dǎo)流方案包括一座圍堰和一臺(tái)設(shè)計(jì)流量為0.906 m3/s的水泵及輸水管道系統(tǒng)。該導(dǎo)流方案有效解決了施工導(dǎo)流問(wèn)題，并使水庫(kù)水位保持在安全水平。

3.5 現(xiàn)有泄水管道

比弗公園水庫(kù)的現(xiàn)有泄水管道由一個(gè)進(jìn)水口和一條內(nèi)置鋼管組成。內(nèi)置鋼管直徑從 1.83 m(進(jìn)口)漸變至 1.22 m(垂直閘門(mén)軸后)。幾年后，內(nèi)置鋼管被延長(zhǎng)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(jìn)水口處未設(shè)置防護(hù)閘門(mén)或擋水墻，人員無(wú)法接近內(nèi)置鋼管上游端。第二階段施工時(shí)，需在新建的進(jìn)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(shí)間未曾檢修過(guò)。ASI公司制訂了管道更換工作計(jì)劃，在管道更換過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)對(duì)計(jì)劃進(jìn)行修改。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員在繪制管道制造加工圖之前，對(duì)管道下游斷面進(jìn)行了測(cè)量，以便確認(rèn)安裝尺寸。

4 生態(tài)環(huán)境保護(hù)

比弗大壩坐落于里奧格蘭德國(guó)家森林區(qū)內(nèi)，該區(qū)由美國(guó)林務(wù)局負(fù)責(zé)管理。比弗水庫(kù)及周邊地區(qū)徒步旅行、垂釣、打獵、野營(yíng)、山地自行車(chē)等戶(hù)外活動(dòng)設(shè)施一應(yīng)俱全，對(duì)戶(hù)外運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)非常具有吸引力。除了水庫(kù)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(dòng)物資源。常見(jiàn)的鳥(niǎo)類(lèi)有雕、鷹、貓頭鷹和蜂鳥(niǎo)等，且春季和初夏均有各類(lèi)野花盛開(kāi)。

在比弗大壩改造規(guī)劃與施工中，因充分考慮了水庫(kù)對(duì)周邊的娛樂(lè)設(shè)施和環(huán)境影響，使得本次改造施工未對(duì)周邊環(huán)境造成不利影響，保持了水庫(kù)周邊環(huán)境的原貌。2016年9月，美國(guó)國(guó)家大壩安全管理官員協(xié)會(huì)(ASDSO)將比弗大壩改造工程命名為“國(guó)家年度改造工程”。該工程還獲得了3項(xiàng)以上其他頗有份量的提名。該項(xiàng)重要的壩體改造工程因其各種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)而得到了認(rèn)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(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，工程師。)