美國(guó)狼溪大壩的補(bǔ)強(qiáng)加固

崔弘毅，周克發(fā)編 譯

（1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

美國(guó)狼溪大壩的補(bǔ)強(qiáng)加固

崔弘毅1，周克發(fā)2編 譯

（1.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

狼溪大壩（又譯為沃爾夫克里克大壩）位于美國(guó)肯塔基州，在對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固的過(guò)程中，新建了一截滲墻，其中新開(kāi)挖工程和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

狼溪大壩；補(bǔ)強(qiáng)加固；截滲墻；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

0 前言

狼溪大壩（Wolf Creek dam，又譯為沃爾夫克里克大壩）位于美國(guó)肯塔基州，為一“高風(fēng)險(xiǎn)”大壩。在對(duì)大壩進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固過(guò)程中，需新建一大型更深的截滲墻。工程中，嚴(yán)格的垂直開(kāi)挖控制、新的基礎(chǔ)施工和先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為該截滲墻的精確施工和提早完工發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

之前為減小大壩滲漏壩段上的水壓，庫(kù)水位一直很低。新的截滲墻已于2013年年初完工，比計(jì)劃提前完工。新截滲墻完工后，庫(kù)水位逐漸升高，并在每個(gè)階段都對(duì)大壩性態(tài)進(jìn)行了測(cè)試。

由于昆布蘭湖（Cumberland Lake）恢復(fù)正常且當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)取得了復(fù)蘇和增長(zhǎng)，大壩的設(shè)計(jì)單位和業(yè)主——美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)（United States Army Corps of Engineers，USACE）納什維爾分區(qū)——正將這一經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于中山大壩（Center Hill dam），這是其所有的另一座存在滲漏問(wèn)題的大壩。

1 狼溪大壩的滲漏問(wèn)題

在昆布蘭河流域，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)擁有10座大壩，狼溪大壩位于拉塞爾郡，是其中最大型的建筑物之一。大壩蓄水形成昆布蘭湖，長(zhǎng)162 km，是美國(guó)國(guó)內(nèi)第9大水庫(kù)，也是密西西比河以東最大的水庫(kù)。

狼溪大壩壩高78.6 m，是混凝土重力結(jié)構(gòu)與土石壩相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，其中土石壩段為主要壩段，長(zhǎng)約1 201 m，其延展超過(guò)約總長(zhǎng)度的2/3。未分區(qū)的土石壩由碾壓密實(shí)、低塑性的沖積粘土構(gòu)成。但是，大壩建于石灰?guī)r上，由于滲漏通過(guò)了大壩土石壩部分下面的石灰?guī)r基巖，狼溪大壩存在安全問(wèn)題。

圖1 狼溪大壩的混凝土壩段（圖片來(lái)源：美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)）Fig.1 Concrete section of Wolf Creek dam(Source:USACE)

狼溪大壩設(shè)計(jì)和修建于1938-1952年。美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)擔(dān)心的滲漏問(wèn)題在壩基建設(shè)時(shí)得

到了證實(shí)，因?yàn)榭吹搅嗣黠@可見(jiàn)的巖溶特征。20世紀(jì)60年代末，在尾水渠中發(fā)現(xiàn)了濁流，在土石壩壩趾附近發(fā)現(xiàn)了2處滲坑，因此更加關(guān)注滲漏問(wèn)題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：滲漏通道在石灰?guī)r中，大壩存在局部管涌和土石填料的局部塌陷。

1968-1970年進(jìn)行的緊急灌漿止住了當(dāng)時(shí)發(fā)生的管涌，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)認(rèn)為“大體上可認(rèn)為是挽救了大壩”，但明確需要采取更多措施。20世紀(jì)70年代末，修建了一防滲墻，向下穿過(guò)土石壩鎖入到基巖中，這是美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)第一次采用該方式處理滲漏。

對(duì)該混凝土隔墻進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，防滲墻并沒(méi)能徹底解決、僅是減緩了滲漏和侵蝕問(wèn)題。美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)表示：滲漏水“在防滲墻下面和周?chē)业搅诵碌耐ǖ馈保⒀a(bǔ)充道：“隨著持續(xù)的溶解侵蝕，也許滲漏水是通過(guò)了墻體本身存在的缺陷?！?/p>

2004-2005年間，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)正在制定風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別安全計(jì)劃，對(duì)象是其所有的全部大壩。同時(shí)，對(duì)狼溪大壩進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，結(jié)論為：該防滲墻“并沒(méi)有足夠深入”基巖，“橫向沒(méi)有延伸得足夠遠(yuǎn)以截?cái)嗨兄饕膸r溶特征構(gòu)造”。

在美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)的大壩等級(jí)分類上，狼溪大壩的失事風(fēng)險(xiǎn)為最高級(jí)——大壩安全行動(dòng)分類1（Dam Safety Action Class I,DSAC 1），緊急緊迫。一獨(dú)立外部同等機(jī)構(gòu)對(duì)狼溪大壩的復(fù)核結(jié)論為：大壩存在管涌失事的緊急風(fēng)險(xiǎn)。

于是，制定了計(jì)劃要修建第二道截滲墻——更深、更寬且就位于第一道截滲墻上游。為減小風(fēng)險(xiǎn)，庫(kù)水位暫時(shí)降低直到第二道截滲墻完工。庫(kù)水位保持在低于壩頂高程（220.4 m）之下13.1 m，但足以滿足水力發(fā)電的最小“發(fā)電蓄水”要求。

納什維爾分區(qū)是屬于美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)北美五大湖和俄亥俄河分局的一部分，其設(shè)計(jì)的新截滲墻將建于原防滲墻和狼溪土石壩心墻截水槽之間。

新截滲墻的延展將在每側(cè)都超過(guò)原有的防滲墻，左側(cè)，將連結(jié)深入到混凝土壩中、不到溢洪道處；右側(cè)，則將一直沿土石壩延伸，一直深入到壩肩中，其深度隨之逐漸減小。

總的來(lái)說(shuō)，該新的截滲墻，其設(shè)計(jì)約長(zhǎng)1 158 m、深83.8 m，深入基巖29 m，比原有防滲墻深22.9 m，而原有防滲墻的底部是變化的。

通過(guò)測(cè)量采用的三種構(gòu)造物：搭接板、咬合樁、板-樁組合，新截滲墻設(shè)計(jì)的最小厚度為610 mm。

施工控制最大的挑戰(zhàn)是在搭接或嚙合部位須一直滿足設(shè)計(jì)厚度。相比于修建第一道防滲墻時(shí)，新的深壩基工程可使用更多更先進(jìn)的施工系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及分析。施工和IT技術(shù)對(duì)保證迅速而嚴(yán)格的開(kāi)挖控制、限制每個(gè)樁的偏離以及建造一更具整體性的阻隔建筑物來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的。

工程的主要承包商是Treviicos-Soletanche合資建設(shè)公司，工程始于2006年7月，計(jì)劃于2013年底完工。

2 6年的建設(shè)：逐步進(jìn)行

最初的施工工程包括建筑一個(gè)地下工作平臺(tái)，以后要通過(guò)這個(gè)平臺(tái)來(lái)開(kāi)挖這道深截滲墻。該平臺(tái)將為電站留出空間且能容納一道導(dǎo)墻，用于測(cè)量控制。準(zhǔn)備工作還包括設(shè)置灌漿帷幕，截滲墻將建于其中。

美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)表示，基于多種原因，灌漿非常重要，灌漿有助于：在截滲墻完工之前降低風(fēng)險(xiǎn)；帷幕比截滲墻更往下深15.24 m，提供現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)；萬(wàn)一沿截滲墻準(zhǔn)線有孔洞，可降低施工風(fēng)險(xiǎn)；提供另一阻隔層，或?yàn)榻貪B墻方案提供補(bǔ)充。

據(jù)美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)報(bào)告：“數(shù)據(jù)顯示，隨深度增加，地質(zhì)條件得到改善，肯定了截滲墻的設(shè)計(jì)深度，并且，在截滲墻建造過(guò)程中沒(méi)有在巖石中發(fā)生大的漿液流失”。

截滲墻的主體施工于2007年8月開(kāi)始，開(kāi)挖穿過(guò)粘土土石料并直接進(jìn)入基巖，在基巖頂部610 mm處設(shè)置一系列搭接板。這些鋼板1.83 m寬，2.8 m長(zhǎng)，搭接至少127 mm。用混凝土導(dǎo)管澆筑混凝土，從開(kāi)挖底部往上并置換泥漿護(hù)壁。

Treviicos-Soletanche合資建設(shè)公司提出將板樁墻作為最初的施工步驟，以便土石壩打開(kāi)并暴露在漿液中的時(shí)間減到最少。對(duì)嚴(yán)密控制的開(kāi)挖工作，承包商設(shè)計(jì)并建造了一特制的水力推動(dòng)的反向旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)位于機(jī)架中，鎖定在起重機(jī)上并由起重機(jī)懸吊于之前修好的用于測(cè)量控制的導(dǎo)墻上。開(kāi)挖控制得到了來(lái)自三向測(cè)斜儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的協(xié)助，以嚴(yán)格保持垂直，并且理論上確保每塊鋼板的位置。

下一步，承包商為鉆890 mm的孔，鉆了一系列直徑為203 mm的先導(dǎo)孔，穿過(guò)了板墻深入到基巖

中。鉆孔采用Wassera水錘，它利用液壓來(lái)驅(qū)動(dòng)全斷面牙輪鉆頭。這些鉆孔將用于引導(dǎo)主要的咬合樁作業(yè)，但同樣也要作為能進(jìn)行灌漿作業(yè)的勘探孔。先導(dǎo)孔開(kāi)挖期間的轉(zhuǎn)向調(diào)整采用斜面鉆頭或彎曲殼體來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為完成該截滲墻，在890 mm的孔中擴(kuò)孔，鉆設(shè)1 197個(gè)直徑為1.27 m的咬合樁以形成完整的截滲結(jié)構(gòu)。樁的鉆孔用了5個(gè)Aker Wirth反循環(huán)鉆孔鉆機(jī)，這是與Treviicos合作特別開(kāi)發(fā)的，同時(shí)包括帶三向穩(wěn)定軸套的弦和帶托架的鉆頭。由于水庫(kù)和地下水附近區(qū)域禁止使用化學(xué)添加劑，因此，鉆機(jī)利用壓縮空氣來(lái)形成空氣和水的混合物作為鉆孔流體來(lái)支持剝離物的移除。

圖2 狼溪大壩新截滲墻的咬合樁Fig.2 Secant piling for new cut-off wall at Wolf Creek dam

圖3 狼溪大壩使用的Aker Wirth樁頂鉆孔鉆機(jī)（圖片來(lái)源：Aker Wirth）Fig.3 Aker Wirth pile top drill rig at Wolf Creek(Source:Aker Wirth)

由于鉆機(jī)本身沒(méi)有控制能力，其底孔裝配有長(zhǎng)度、重量和機(jī)載測(cè)斜儀，以保持鉆孔的嚴(yán)格垂直，因?yàn)樗鼈兛梢宰粉欉@些先導(dǎo)孔。最后一根樁于2013年3月安設(shè)，比計(jì)劃提早了9個(gè)月，這歸功于持續(xù)的高效和對(duì)工作過(guò)程的改進(jìn)，雖然整個(gè)墻體加工作平臺(tái)需要超過(guò)229 370 m3的混凝土。

圖4 狼溪大壩新截滲墻最后一根樁的澆筑（圖片來(lái)源：美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)）Fig.4 Last pile poured for new cut-off wall at Wolf Creek dam (Source:USACE)

3 為中山大壩補(bǔ)強(qiáng)加固提供的經(jīng)驗(yàn)

狼溪大壩補(bǔ)強(qiáng)加固工程之后，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)準(zhǔn)備將土石壩補(bǔ)強(qiáng)加固的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到中山大壩上。中山大壩位于田納西蘭卡斯特附近，也屬于昆布蘭流域。

圖5 中山大壩補(bǔ)強(qiáng)加固工程（圖片來(lái)源：美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)）Fig.5 Seepage remediation work at Center Hill dam(Source: USACE)

中山大壩補(bǔ)強(qiáng)加固工程的一個(gè)關(guān)鍵性工具（也是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)未來(lái)工程的關(guān)鍵性工具）是為狼溪大壩補(bǔ)強(qiáng)加固工程開(kāi)發(fā)的IT系統(tǒng)。其計(jì)算技術(shù)被稱為是具有創(chuàng)新性的基于地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，可用于對(duì)施工過(guò)程和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的性態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和實(shí)現(xiàn)可視化。

狼溪信息管理系統(tǒng)（Wolf Creek Information Management System,WCIMS）歸檔管理著7 100萬(wàn)份檔案，包括：所有歷史和最近的巖土信息、截滲墻的設(shè)計(jì)和施工文件、巖土儀器數(shù)據(jù)和項(xiàng)目管理信息。

在項(xiàng)目進(jìn)行期間，系統(tǒng)大容量并非其僅有的優(yōu)勢(shì)。IT系統(tǒng)可以顯著減少需要用于消化和呈現(xiàn)施工信息和數(shù)據(jù)的時(shí)間，僅需幾天。并且，在最后一根樁鉆孔完畢后的一星期內(nèi)，就完成了任務(wù)。因此，截滲墻的驗(yàn)收提前了幾個(gè)月，這都?xì)w功于IT的力量。

10月底，納什維爾分區(qū)的建筑設(shè)計(jì)和施工分部因狼溪信息管理系統(tǒng)獲得了美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)2013年的年度創(chuàng)新大獎(jiǎng)。在狼溪大壩整個(gè)補(bǔ)強(qiáng)加固方案獲得深基礎(chǔ)研究所頒發(fā)的2013年杰出項(xiàng)目獎(jiǎng)項(xiàng)后不久，IT系統(tǒng)也得到了肯定。 ■

[1]Upgrading Wolf Creek dam[N/OL].International Water Power&Dam Construction,[2014-03-18].http://www.wa?terpowermagazine.com/features/featureold wolf-new-teeth-4198576/.

New excavation and data management systems played vital roles in building a new cut-off wall at Wolf Creek dam,in Kentucky.

Wolf Creek dam;upgrading;cut-off wall;data management system

TV698.2

B

1671-1092（2014）04-0063-04

2014-04-22

崔弘毅（1983-），女，重慶人，助理工程師，主要從事大壩安全方面的研究。

Title:Upgrading Wolf Creek dam//by CUI Hong-yi and ZHOU Ke-fa//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration