圣維森特壩加高工程設(shè)計施工

[] G.S.

1 概 述

目前，美國圣維森特(San Vicente)壩加高項目即將完工。

美國加州的圣地亞哥縣約80%的飲用水依靠引進，是由加州北部的舊金山灣三角洲和東部的科羅拉多河供水。在發(fā)生自然災(zāi)害，比如極端干旱或地震時，圣地亞哥及其周邊社區(qū)的基本供水可能會被切斷。

為了解決這一問題，并增加區(qū)域關(guān)鍵應(yīng)急蓄水，圣地亞哥縣水務(wù)局著手加高已有70 a壩齡的圣維森特壩，從67 m加高到102.7 m，將增加1.87億m3的蓄水容量。大壩加高后水庫將提供正常供水，另有應(yīng)急蓄水功能。在雨季，將多余的水儲存起來，供干旱年份使用。

圣維森特壩加高是水務(wù)局15億美元應(yīng)急蓄水工程(ESP)的最大項目，該工程主要包括水庫、管道和泵站。當(dāng)圣地亞哥地區(qū)從外地引入的供水中斷時，該工程即可為該地區(qū)供水。ESP已經(jīng)進行了超過10 a，一旦完建，將增加圣地亞哥的水庫容量并擴大現(xiàn)有的輸水和配水能力，并可提供長達6個月的應(yīng)急供水。

2013年底大壩加高部分工程建設(shè)完成。在2015年和2017年之間，當(dāng)相關(guān)的工地項目的各期工程都完成，并在可獲得外部輸入水的基礎(chǔ)上，圣維森特水庫將重新提供娛樂使用。當(dāng)水庫蓄滿水時，可提供30萬戶家庭1 a的用水量。

2 碾壓混凝土方案

圣維森特壩是混凝土重力壩，位于加利福尼亞的圣地亞哥以西，始建于1941年至1943年，以滿足該地區(qū)不斷增長的人口的需求。在過去的70 a中，圣地亞哥縣的人口已經(jīng)從約50萬增加到了310萬。自該壩修建運行至今，已超過70 a，圣地亞哥地區(qū)的持續(xù)發(fā)展，意味著原來建的壩確實需要改擴建了。

作為應(yīng)急蓄水工程整體的一部分，2006年，水務(wù)局選定科羅拉多州美華集團為圣維森特壩加高項目最終的設(shè)計和工程施工提供咨詢。工作范圍包括采石場的設(shè)計、施工支護設(shè)計、工程造價和成本估算。工程施工分為幾個不同的分包項目來實施，包括采石場和碾壓混凝土(RCC)混合料試驗(分包1)、基礎(chǔ)開挖(分包2)、碾壓混凝土壩施工(分包3)。當(dāng)項目主要組成部分的設(shè)計完成后，在多個分包的情況下，有些施工工作就可以開始。水務(wù)局聘請博萊克·威奇和帕森斯聯(lián)營體，為大壩加高施工管理提供服務(wù)。

全球環(huán)境研究所(GEI)顧問公司領(lǐng)導(dǎo)的早期策劃團隊，選擇采用碾壓混凝土的方案來將現(xiàn)有的壩加高35.7 m。

對圣維森特壩壩加高施工，碾壓混凝土的方法有著明顯優(yōu)勢。最終的設(shè)計團隊優(yōu)化了現(xiàn)場骨料的利用以降低成本，并開發(fā)緊密結(jié)合原壩體結(jié)構(gòu)物理性能的混凝土混合料。廣泛測試了現(xiàn)有大壩的材料，以及分包1的新的大壩碾壓混凝土材料，結(jié)果都證實了正常和極端的地震條件下預(yù)期的結(jié)構(gòu)性能。

由于可就近開采巖石，碾壓混凝土是最具吸引力的選擇。通過使用這種方法，碾壓混凝土90%的主要成分，是利用從不遠處環(huán)繞供水及娛樂用的舊碼頭的山坡上開采的巖石在現(xiàn)場制作的。這種利用現(xiàn)場資源，有助于避免超過10萬車次送料卡車通過當(dāng)?shù)氐暮I社區(qū)。

碾壓混凝土具有與普通混凝土相同的基本成分，但由于其不同的配合比，形成了一種更干的、零坍落度的混合料。普通混凝土更昂貴和耗時，因為混凝土是勞動密集型活動，澆筑混凝土消耗的工時比率高，如混凝土面部成形、接縫的制備、用振搗器振實混凝土。另一方面，碾壓混凝土提供了一個較低的工時和混凝土體積之比，由于可用機械設(shè)備來傳送和壓實混合物，從而可以減少立模和接縫的清理工作。

加州大壩安全委員會對此比較滿意，因為這種方法在5 a以前已成功應(yīng)用于在圣地亞哥縣內(nèi)新建設(shè)的奧利文海恩(Olivenhain)壩。該壩是水務(wù)局增加圣地亞哥地區(qū)蓄水容量計劃中首批項目中的一個項目，2005年完成。美國美華集團(MWH Global)也是將其設(shè)計為碾壓混凝土壩。奧利文海恩壩和水庫項目被國際大壩委員會(ICOLD) 公認為是1980年到2010年的30 a間，現(xiàn)代碾壓混凝土大壩的一個里程碑項目。它還達到了平均月澆筑速率為121 896 m3和最大月澆筑速率為224 675 m3、成為世界碾壓混凝土澆筑最快的前4名。RCC總體積為107萬m3。

奧利文海恩壩設(shè)計和施工許多經(jīng)驗教訓(xùn)已被應(yīng)用在圣維森特壩，以保證業(yè)主的整體利益，包括選擇采用碾壓混凝土的方法加高大壩、建設(shè)分包方法，以及采用現(xiàn)場采石場和拌和廠的方法，用以生產(chǎn)骨料和碾壓混凝土。

在經(jīng)過規(guī)劃和最終設(shè)計階段以后，加高圣維森特壩的施工工作于2009年夏季開始。第一階段的施工(分包2)始于基礎(chǔ)開挖，其中還包括拆除原壩下游側(cè)的混凝土，直接在新老大壩之間建立一個高強度的混凝土粘結(jié)面。采用高壓水噴射拆除，以確保對現(xiàn)有大壩上保留的混凝土不造成結(jié)構(gòu)損傷。原壩會露出一個堅實、不規(guī)則的骨料表面，這樣新的碾壓混凝土就可以與之強力粘結(jié)?；A(chǔ)開挖施工采用控制爆破來清除表層材料，以達到的合格堅硬巖石為限。此外，壩的安全部門還要求在本分包中，在現(xiàn)有的壩中開鑿一條直徑為3 m的隧道，為建立低位泄水孔系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備，用于緊急情況時放空水庫，這項工作并未包含在壩的原來施工任務(wù)中。

現(xiàn)有的娛樂碼頭區(qū)被改造成一個大型采石作業(yè)區(qū)，與碾壓混凝土拌和廠結(jié)合成一個整體。碾壓混凝土材料被運送到不遠的壩上，澆筑在現(xiàn)有壩的下游側(cè)，直到現(xiàn)有壩的壩頂，然后繼續(xù)向上澆筑，將大壩加高35.7 m。零坍落度的碾壓混凝土材料通過輸送機運送，然后用卡車和推土機鋪筑。RCC材料按一定厚度的水平層成階梯狀澆筑在大壩的下游坡上。2011年9月，開始澆筑壩加高基礎(chǔ)的第一層混凝土，2012年5月，迅速澆筑到原有壩的壩高，2012年9月達到最終壩高。

最終，碾壓混凝土設(shè)計方案中，指定使用從壩的上游取料坑中獲得的原始混凝土材料，以便與原壩建設(shè)用的骨料材料特性相匹配。一旦壩加高工程完工，該壩的新、老兩部分混凝土壩體將共同在正常和極端條件下，作為一個單一的整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用。每日的實驗室材料試驗證實，每批混凝土都達到了強度和性能規(guī)范方面的要求。特別是從熱學(xué)特性的角度來看，這是一個相當(dāng)大的優(yōu)勢，不僅因為碾壓混凝土的骨料功能與壩材料的熱學(xué)特性是最佳匹配，而且?guī)r石也很容易通過爆破方法而從礫巖地層中開掘出來。

2012年9月，大壩的加高施工已達到其最終高度102.7 m，這標(biāo)志著它是美國用RCC加高,且加高工程量最大的混凝土壩，同時，也是世界上使用碾壓混凝土加高，且加高部分最高的混凝土壩。

盡管圣維森特壩使用的是成本較低的碾壓混凝土，但必須就控制碾壓混凝土材料成本的條件對每個壩段的澆筑現(xiàn)場進行評估。這些條件如下：

(1) 粗、細骨料的可用性；

(2) 混凝土壩基巖合適的強度；

(3) 可能會導(dǎo)致過度不均勻沉降的局部斷裂或不同的基礎(chǔ)條件。

3 環(huán)境方面

正如對待許多水利基礎(chǔ)設(shè)施項目一樣，工程師需要考慮加高大壩的環(huán)境問題及隱含的各個方面。

作為圣維森特項目一部分而評價的環(huán)境問題，包括清潔空氣、水和一些瀕危物種。工程師按照批準(zhǔn)的許可證和地方法規(guī)要求，提供嚴格的項目規(guī)范來控制水和空氣污染。加州沿海的蚋鶯(gnatcatcher)是在加州南部發(fā)現(xiàn)的，且目前被美國漁業(yè)與野生動物局列為瀕危物種的一種食蟲鳴禽，已在圣維森特壩址附近安家。水務(wù)局和承包商通過與所有地面施工和維修作業(yè)方進行協(xié)調(diào)，對這些敏感的物種提供保護。

為了最大限度地減少采石場作業(yè)對項目現(xiàn)場環(huán)境的影響，壩的上游未來水庫位置的取土坑和采石場塘區(qū)已被開發(fā)。采石場作業(yè)產(chǎn)生的廢料被用來開發(fā)填充新的大規(guī)模停車場和壩的上游船用坡道，以避免因廢物處置和為獲取需要的填筑料進行新的開挖導(dǎo)致的額外成本。這種策略使施工工地挖填方達到平衡，并使運料卡車通過當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的車次減到最少。

4 后期階段

修建一個新的休閑碼頭和更換圣地亞哥市的管道等其他工作，將一直持續(xù)到2015年。盡管在工程施工過程中，水庫仍然一直保持對商業(yè)客戶開放，但自2008年以來，該水庫已停止供娛樂使用。碼頭建成后，必須補充約0.6億m3的水到水庫中，以便向公眾開放。

圣維森特壩加高工程將使該水庫處原來碼頭設(shè)施的規(guī)模增大1倍以上，這是當(dāng)?shù)厮线\動愛好者的熱門目的地。由于現(xiàn)有碼頭將被擴容后的水庫水位淹沒，因此，還將興建一條有6個行船道的船用坡道、新的碼頭，增設(shè)停車位，以及新建服務(wù)大樓、野餐桌和遮陽建筑物等。

碾壓混凝土施工方法是加高圣維森特壩的一個既高效、又經(jīng)濟的方法，使圣維森特壩在滿足該地區(qū)的應(yīng)急蓄水需要方面發(fā)揮了重要作用。