澳大利亞辛茲大壩升級(jí)改造

［澳大利亞］R.戴維森 等

夏智翼 譯自英刊《水力發(fā)電與壩工建設(shè)》2012年第9期

辛茲(Hinze)大壩位于奈蘊(yùn)(Nerang)河上，離澳大利亞西黃金海岸約28.97 km，于1976年初步完成，1989年對(duì)其進(jìn)行了升級(jí)，但仍然過(guò)時(shí)。隨著人口的快速增長(zhǎng)及大面積干旱，供水壓力也持續(xù)增長(zhǎng)。

為了改善這種情況，黃金海岸市議會(huì)(GCCC)組成了辛茲大壩聯(lián)盟(HDA)，設(shè)計(jì)并交付了辛茲大壩第3期工程(HDS3)。HDA團(tuán)隊(duì)由業(yè)主GCCC(2008年后改為昆士蘭東南部供水局)以及3個(gè)非業(yè)主單位組成。這3個(gè)單位為URS(設(shè)計(jì)單位)、SKM(審批單位和利益相關(guān)者管理部門(mén))，以及Thiess公司(施工單位)。

第3期項(xiàng)目的目標(biāo)是:減少奈蘊(yùn)河流域潛在洪水的影響，增加大壩的蓄水能力，并最終提高該地區(qū)的供水安全性和可靠性。這就要求壩高必須從93.5 m加高至108.15 m。

1 主要設(shè)計(jì)特征

工程設(shè)計(jì)需要廣泛的實(shí)地調(diào)查和研究。這其中包括:

(1)巖土工程勘察。壩址處的地質(zhì)條件復(fù)雜，其實(shí)地調(diào)查工程包括鉆80多個(gè)鉆探孔以及開(kāi)挖200多個(gè)探坑和探槽。

(2)溢洪道設(shè)計(jì)。URS采用了3D計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)溢洪道。它還建立了一個(gè)物理縮尺模型以優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)確保全流域的洪水都可以安全地通過(guò)溢洪道。

(3)壩墻設(shè)計(jì)。壩墻高度提高了近15 m，達(dá)到108.15 m，跨過(guò)大壩的鞍狀線使其延伸了800m。右壩肩的基礎(chǔ)條件非常復(fù)雜，這對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)講是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)，地基處理包括建設(shè)一道深度超過(guò)50m的塑性混凝土防滲墻，這在澳大利亞同類(lèi)型防滲墻中是最大的。

(4)進(jìn)水塔。兩座進(jìn)水塔位于水庫(kù)內(nèi)，以便取用蓄水供給附近的水處理廠。一項(xiàng)關(guān)于地震危險(xiǎn)性的研究旨在確認(rèn)加高的進(jìn)水塔的設(shè)計(jì)地震荷載，根據(jù)研究結(jié)果，允許減少其所需的工作范圍，這將大大節(jié)約成本。

(5)魚(yú)道。大壩長(zhǎng)期以來(lái)一直是魚(yú)類(lèi)運(yùn)動(dòng)的障礙物。在大壩下游壩趾處設(shè)計(jì)了一項(xiàng)創(chuàng)新的魚(yú)類(lèi)“捕集和拖動(dòng)”的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，40多年來(lái)第一次允許魚(yú)類(lèi)越過(guò)壩堤達(dá)到上游。

2 二期工程

該項(xiàng)目需要經(jīng)歷兩個(gè)不同的階段。

第1階段為優(yōu)化階段。在該項(xiàng)目確定之前就已經(jīng)獲獎(jiǎng)?，F(xiàn)有目標(biāo)均是防洪減災(zāi)、增加供水和法規(guī)遵從的項(xiàng)目重點(diǎn)目標(biāo)。聯(lián)盟進(jìn)行了詳細(xì)的優(yōu)化研究，重點(diǎn)是蓄水配置，具體辦法是調(diào)查大壩高度和庫(kù)容對(duì)比關(guān)系，大壩可接受的防洪能力，以及經(jīng)濟(jì)方面的一些考慮事項(xiàng)。

根據(jù)優(yōu)化研究的結(jié)果，最終確定了大壩的結(jié)構(gòu)形狀，優(yōu)化研究過(guò)程包括舉辦利益相關(guān)者研討會(huì)，參加會(huì)議的代表來(lái)自:聯(lián)盟中的設(shè)計(jì)、環(huán)保、通信、施工團(tuán)隊(duì)，黃金海岸市議會(huì)，黃金海岸水務(wù)官員，獨(dú)立專(zhuān)家審查組的成員，以及昆士蘭大壩安全監(jiān)管人員。

開(kāi)發(fā)了一個(gè)概率定量的成本效益分析程序，以方便選擇最佳的升級(jí)解決方案，這其中主要考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境等方面的問(wèn)題。成本效益分析包括:項(xiàng)目交付的基建費(fèi)用，運(yùn)行成本以及項(xiàng)目交付的風(fēng)險(xiǎn)成本。

如果在環(huán)境影響報(bào)告中包括影響的全面評(píng)估，那么大多數(shù)的環(huán)境和社會(huì)影響成本就包含在評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)成本部分內(nèi)。聯(lián)盟中的施工團(tuán)隊(duì)采用單位比率的成本估算方法編制成本估算。采用50%置信限度的建筑工程量和成本比率的最佳估算，并采用95%置信限度的建筑工程量和成本比率的高估算，進(jìn)行了一系列的概率性成本估算分析。采用80%的置信度確定每個(gè)方案的預(yù)算造價(jià)。為了考慮該工程的防洪減災(zāi)和供水的效益，對(duì)一系列方案的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估和分類(lèi)。

第2階段是工程交付階段。聯(lián)盟提供的方法使多項(xiàng)有利于該工程的創(chuàng)新措施容易實(shí)施。由于該項(xiàng)目涉及現(xiàn)有建筑物的改造，以及與第1、第2階段中完成的前期工程有關(guān)聯(lián)的不確定性因素，因此設(shè)計(jì)方、監(jiān)管方、施工方和業(yè)主之間的密切合作是至關(guān)重要的。

從一開(kāi)始，聯(lián)盟制定了建筑物升級(jí)的基本策略，采用該策略管理潛在的洪水、黏土供應(yīng)短缺，并修改了淹沒(méi)清理要求。當(dāng)出現(xiàn)新的問(wèn)題時(shí)早期的計(jì)劃允許團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)移到不同的工作領(lǐng)域并修改工作順序。

該工程存在的主要巖土問(wèn)題是右壩肩處潛在的內(nèi)部侵蝕以及復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的管涌。為了將管涌的風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受水平，選擇塑性混凝土防滲墻作為最佳解決方案，并要求制定計(jì)劃以控制一系列主要風(fēng)險(xiǎn)，這其中就包括復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)大壩安全環(huán)境和周?chē)鐓^(qū)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以及按照緊湊的施工進(jìn)度計(jì)劃在預(yù)算范圍內(nèi)交付項(xiàng)目。

3 堤壩施工

就大壩安全和穩(wěn)定性而言，大壩施工工程中的一個(gè)關(guān)鍵因素是右壩肩基礎(chǔ)的開(kāi)挖。當(dāng)水庫(kù)接近正常蓄水位線時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖，并且為了露出基礎(chǔ)以及與第3期工程接界的第2期反濾層，需要拆除堆石壩現(xiàn)有的穩(wěn)定護(hù)堤，所需的挖掘工程削弱了堤壩的穩(wěn)定性，因此在施工期間采取了謹(jǐn)慎的分段施工和施工監(jiān)測(cè)措施以控制大壩的安全。為了保證大壩符合安全標(biāo)準(zhǔn)，制定了一個(gè)全面的大壩安全管理計(jì)劃。

在拆除下游堆石護(hù)堤的施工中，曾記錄到主堤上出現(xiàn)顯著的變形。由于堤坡是由高品質(zhì)的堆石建造且其基巖為微風(fēng)化硬砂巖，安全系數(shù)在1.3以上，因此壩體變形與其穩(wěn)定性無(wú)關(guān)。

在整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，就可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)和最優(yōu)實(shí)施方法的原則向社區(qū)展開(kāi)宣傳教育，并且邀請(qǐng)社會(huì)團(tuán)體或利益相關(guān)者參與設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。這就導(dǎo)致公眾接受了一些最初并不被認(rèn)可的想法，如關(guān)閉穿過(guò)壩頂?shù)墓驳能?chē)輛通道。當(dāng)?shù)鼐用窠K于認(rèn)識(shí)到大壩升級(jí)改造施工造成的出勤不方便是次要，相比之下，水庫(kù)供水面臨的潛在風(fēng)險(xiǎn)更為重要。

4 結(jié)語(yǔ)

大壩建成運(yùn)行35 a后，到達(dá)其使用年限。第3階段的升級(jí)加高了堤壩，增大了水庫(kù)的水面面積，幾乎使水庫(kù)的庫(kù)容增加了1倍，并減少了上奈蘊(yùn)河流域的洪水風(fēng)險(xiǎn)，確保了未來(lái)50a的供水安全性和可靠性。

為了對(duì)溢洪道泄出的洪水進(jìn)行消能，升級(jí)工程中還改進(jìn)了大型的消力墩。所設(shè)計(jì)的溢洪道在遇到百年一遇的洪水時(shí)可將最大下泄流量削減到入庫(kù)流量的一半，減少大壩下游洪水破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)升級(jí)改造后，辛茲大壩最終成為昆士蘭州最高的粘土心墻堆石壩。