美國福爾瑟姆壩的新輔助溢洪道設(shè)計研究

[美國] J.赫斯 等

美國福爾瑟姆壩的新輔助溢洪道設(shè)計研究

[美國] J.赫斯 等

為提高薩克拉門托地區(qū)的防洪標準，在遭遇洪水時能做到盡早盡快地泄洪，正在對美國加利福尼亞州福爾瑟姆壩建造一座大型輔助溢洪道。闡述了該工程的方案設(shè)計，包括精心制作的水力物理模型，以及結(jié)構(gòu)、材料和巖土等方面的設(shè)計與施工狀況。

溢洪道設(shè)計；福爾瑟姆壩;美國

1 工程概況

福爾瑟姆壩坐落于亞美利加河上，位于加利福尼亞州薩克拉門托東北32 km處，具有防洪、發(fā)電、供水和旅游等綜合效益。該項目由美國陸軍工程師團(USACE)建造，1956年建成后移交給墾務局運行管理。主壩為混凝土重力壩，兩側(cè)附壩為土壩，壩高104 m。正常溢洪道設(shè)有高低2個矩形斷面泄水槽，5個弧形閘門。非常溢洪道位于正常溢洪道左側(cè)，設(shè)有3個弧形閘門。

目前因為溢洪道閘門位置較高，使該壩的泄洪能力受到了限制，只有當水庫蓄水大大超過防洪水位時才能滿量泄洪?，F(xiàn)有壩在洪水期的最大泄洪能力為3 256 m3/s，而現(xiàn)有的8個泄洪口泄洪能力僅為793 m3/s。只有當庫水位達到相對較高的溢洪道高程時，溢洪道閘門才能以3 256 m3/s下泄全部洪水。

為了在洪水來臨時盡早泄洪，正在該壩左壩肩處修建一座輔助溢洪道,該工程是墾務局和USACE聯(lián)合建設(shè)的聯(lián)邦項目(JFP)。由USACE負責，由USACE、墾務局、建筑工程公司和項目合作伙伴組成的團隊共同完成項目設(shè)計。推薦的溢洪道包括從福爾瑟姆水庫到節(jié)制閘長為335 m的進水渠道段、節(jié)制閘(6個淹沒式弧形閘門)、長為848 m的陡槽段，通過消力池將洪水下泄到壩下游的亞美利加河。

分4個階段施工，第1、2階段由墾務局完成溢洪道陡槽段、消力池的開挖及節(jié)制閘的部分開挖；USACE將完成第3階段節(jié)制閘和第4階段進水渠道段的開挖，以及進水渠道段、陡槽段和消力池的混凝土襯砌。輔助溢洪道施工場地狹小，這是該項目所面臨的主要挑戰(zhàn)。

1.1 大壩建成后的洪水事件

1986年2月，加利福尼亞州北部普降暴雨，導致亞美利加河流域發(fā)生了歷史上最大的洪水;1997年1月，該流域再次發(fā)生極端降雨。這2次的暴雨引起了人們對現(xiàn)有防洪系統(tǒng)適應性的關(guān)注，并對薩克拉門托是否需要增加防洪設(shè)施展開了一系列調(diào)查。福爾瑟姆壩的防洪標準是基于1900～1950年的實測水文資料確定的,1950年以來已經(jīng)發(fā)生過5次強降水，其產(chǎn)生的洪水比1900～1950年任一起洪水都要大。因為為了提高該壩安全標準減少洪水損失(FDR)，薩克拉門托地區(qū)開展了廣泛的堤防整治和建設(shè)工作。墾務局大壩安全研究結(jié)果表明，福爾瑟姆壩存在相當程度的漫頂風險，一段或多段土壩結(jié)構(gòu)的整體性將受到威脅。

根據(jù)最新的水文資料推算，現(xiàn)有溢洪道只能通過可能最大洪水(PMF)70%～75%的水量。

1.2 新的洪水控制需求

對該壩下游現(xiàn)有堤防系統(tǒng)的預測結(jié)果表明，任一年份堤防決口，亞美利加河水淹沒薩克拉門托城的概率將為1/81。工程的非聯(lián)邦贊助者已經(jīng)確立了最低防洪標準，能抵御200 a一遇洪水。

設(shè)計的輔助溢洪道與主壩上的溢洪道一起可以下泄最大洪水。最大洪水流經(jīng)下游堤防時由于堤頂高程不夠會產(chǎn)生漫頂，最大洪水時輔助溢洪道下泄流量為8 850 m3/s。附屬溢洪道設(shè)計流量為3 825 m3/s，主壩泄水孔流量為710 m3/s，下游渠道流量為4 530 m3/s。加固后，該壩下游河道的過流能力將從3 256 m3/s提高到4 530 m3/s。

2 輔助溢洪道設(shè)計

修建輔助溢洪道，以期達到下列目的。

(1) 降低洪水對亞美利加河沿岸的威脅，將地方防洪標準提高到200 a一遇；

(2) 使最大洪水能安全通過福爾瑟姆壩。

這項工程既能滿足減少FDR的目的，又能達到墾務局提出的確保大壩安全的目標。工程師團和墾務局均參與了JFP的設(shè)計和建造，基于建設(shè)成本均擔的原則，雙方簽訂了分工協(xié)議，各家均根據(jù)工程階段制訂自已的相應工作包，設(shè)計采用USACE的標準，墾務局標準作為補充。

2.1 水力模型與設(shè)計

水力設(shè)計是溢洪道設(shè)計的一個關(guān)鍵單元。水力物理模型同時在幾個水力實驗室建立并試驗，以驗證并修改進水渠道、控制結(jié)構(gòu)、溢洪道泄槽、消力池以及與大壩溢洪道下泄水流合流等的初始水力設(shè)計。根據(jù)模型水流特性觀測結(jié)果，對控制結(jié)構(gòu)和消力池作了較大修改設(shè)計。

目前的溢洪道設(shè)計方案優(yōu)化了泄流能力，控制結(jié)構(gòu)出口處的負壓滿足要求，使渦流形成最小化。階梯式溢洪道泄槽的設(shè)計能有效達到消能目的，并完全將水躍控制在消力池范圍內(nèi)。

運用以下物理和數(shù)字模型來測試各種設(shè)計方案和修改設(shè)計方案。

(1) 猶他州立大學(USU)猶他水力實驗室(UWRL)建立的進水渠道和控制結(jié)構(gòu)的1∶30弗勞德物理模型。

(2) 明尼蘇達大學圣安東尼瀑布水力實驗室(SAFL)建立的溢洪道陡槽、臺階式溢洪道和消力池的1∶26弗勞德物理模型。

(3) 科羅拉多州丹佛墾務局建立的大壩和輔助溢洪道泄水合流1∶48的弗勞德物理模型。

(4) 墾務局開發(fā)的臺階式溢洪道二維數(shù)值模型，用于單獨計算階梯式溢洪道能夠達到的消能效果。

(5) 階梯陡槽FLOW-3D數(shù)值模型模擬氣穴問題產(chǎn)生的可能性，并評估消力墩氣穴現(xiàn)象。

(6) 階梯陡槽和消力墩設(shè)計的部分低壓室(LAPC)物理試驗，研究氣穴效應，據(jù)此對設(shè)計方案進行修改。

控制結(jié)構(gòu)和進水渠早期設(shè)計方案的物理模型試驗結(jié)果表明，會產(chǎn)生強渦流并導致閘門振動，損壞弧形閘門耳軸，降低泄水能力，洪水可能漫過擋墻進入下游陡槽。因而必須顯著改變控制結(jié)構(gòu)和進水渠的結(jié)構(gòu)，盡量減少模型檢測到的漩渦。根據(jù)模型試驗來確定進水渠墻高、坡度、幾何形狀和截石坑尺寸、消力池規(guī)模與消力墩形狀。

消力池邊墻高度最終由1∶48物理模型確定。在最初研究中，通過計算確定的消力池邊墻高度為20 m，低于20 m則不能保證消力池的設(shè)計流量。當亞美利加河出現(xiàn)洪水，輔助溢洪道和泄洪口流量達到約5 665 m3/s時，洪水就會漫過邊墻。當洪水明顯高于設(shè)計標準時，消力池邊墻漫頂，但輔助溢洪道和大壩都不會有失事的危險。

根據(jù)USACE的定義，高速水流是指流速超過12 m/s的水流。溢洪道水流速度取決于泄洪水平。進水渠段的水流速度顯然小于12 m/s，當接近控制段時，水流加速并在控制段達到20 m/s。水流先進入上部泄槽，再進入更陡的臺階狀泄槽，流速將達到20～30 m/s,之后水流進入設(shè)置有消力墩的消力池，流速可達33 m/s。對于罕見的超大泄量，水流將漫過消力池邊墻，池周圍泥沙和巖塊會被沖入池中。

高速水流中水壓變化導致的氣泡破裂會產(chǎn)生氣穴沖蝕，沖蝕混凝土結(jié)構(gòu)；水流攜帶的泥砂、礫石和其他雜質(zhì)會對混凝土表面造成磨損。溢洪道中混凝土表面一旦磨損，氣穴沖蝕作用將更強。因此，防止或盡量減少沙石或有害雜質(zhì)對混凝土的破壞非常重要，最好的方法是防止上述物質(zhì)進入輔助溢洪道混凝土段。為減少石塊被水流帶入溢洪道進水段底板，可以在混凝土襯砌的進水渠前設(shè)置截石坑。此外，施工中應清除開挖出來的進水渠非襯砌段的松動石塊。

墾務局的數(shù)字模擬表明，水流經(jīng)過溢洪道臺階附近時，在垂直深度上水流速度差異非常顯著，水面的速度是臺階附近的數(shù)倍(臺階附近約10 m/s)。盡管數(shù)字模擬表明臺階處的氣穴沖蝕作用很小，但還是在墾務局的LAPC進行了潛在氣穴沖蝕模擬。結(jié)果表明，在泄洪量達到消力池設(shè)計值3 820 m3/s時，不會產(chǎn)生明顯的氣穴沖蝕，但當泄洪量達4 530 m3/s時，沿較低的臺階可能會產(chǎn)生氣穴沖蝕。根據(jù)數(shù)字模型計算得到的臺階處流態(tài)特征，水流從進水渠帶到泄槽的碎石對臺階的磨損明顯比預想的小?；谀Ｐ痛_定的動水壓力，臺階狀泄槽和消力池底板均采用厚為30.5 cm抗磨蝕混凝土襯砌，避免來自進水渠的泥沙和卷入消力池下游石塊對混凝土的磨蝕。對所有承受高速水流的底板表面均做處理，減小糙率。

2.2 巖土工程設(shè)計

溢洪道基礎(chǔ)設(shè)計前，進行了詳細的鉆探、物探、室內(nèi)試驗、巖體風化帶劃分、地下水模擬和地質(zhì)測繪。場區(qū)大部分下伏風化程度不一的侵入石英閃長巖，對開挖臨時邊坡和永久邊坡穩(wěn)定性進行了塊體分析和極限平衡分析。

大部分溢洪道泄槽是在施工的第1、2階段開挖完成的。開挖揭露的和地質(zhì)測繪發(fā)現(xiàn)的裂隙和剪切帶，在結(jié)構(gòu)混凝土和錨桿設(shè)計時均加以了充分考慮。為控制建筑物地基中的一條主要剪切帶，需要超挖并形成“地基梁”。

溢洪道建筑物置于未風化～強風化巖石上，不同的條件采用不同的基礎(chǔ)設(shè)計。進水渠需要開挖填土、沖積物、崩積物，以及強風化、中風化和微風化巖石，既需要干法又需要濕法施工。開挖方法包括土石開挖、干法開挖以及水下開挖和爆破。進水渠有一天然巖梗，可以作為溢洪道施工的圍堰，為保證溢洪道開挖和施工，需在巖梗區(qū)設(shè)置長357 m的防滲墻。溢洪道建成后，再對巖梗和防滲墻按先干法再水下的順序依次拆除。

2.3 材料設(shè)計

輔助溢洪道項目需要219 400 m3加強混凝土和結(jié)構(gòu)混凝土。USACE和HDR在墾務局材料工程研究室對混凝土材料進行了大量室內(nèi)試驗，包括混凝土材料和混合材料的強度及相關(guān)性質(zhì)、熱物理性質(zhì)和抗磨損性質(zhì)?？拐鹦阅苡烧］d荷強度試驗確定，并根據(jù)USACE的快速加載強度標準進行了修正。

第3階段控制結(jié)構(gòu)約需79 500 m3混凝土，混凝土90 d齡期抗壓強度為20.7～34.5 MPa，最大骨料(MSA)粒徑為7.6 cm?；炷凉橇喜勺詠喢览雍記_積礫料，混凝土中摻和大量礦渣粉和Ⅱ型水泥。

第4階段進水渠、泄槽和消力池需要約140 000 m3混凝土，混凝土90 d齡期抗壓強度為20.7～34.5 MPa，MSA粒徑3.8 cm。臺階狀泄槽和消力池的高強耐磨混凝土添加二氧化硅粉或超細粉煤灰，90 d齡期強度可達55 MPa。

對大體積混凝土進行了熱物理分析，據(jù)此提出混凝土參數(shù)和接縫寬度，避免熱脹和收縮裂隙的產(chǎn)生，并提出冬季溫度劇變混凝土的保護措施,允許混凝土中因加強配筋而產(chǎn)生毛細裂隙。在控制結(jié)構(gòu)中，采用在混凝土中部1.5 m處預埋鋼管進行人工降溫，以控制大體積混凝土產(chǎn)生高溫和裂縫。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

引水渠邊墻和底板由URS設(shè)計，控制結(jié)構(gòu)、泄槽和消力池由USACE設(shè)計。對控制結(jié)構(gòu)，包括基礎(chǔ)和水庫，進行了全3D有限元建模，并采用LS-DYNA分析工具來分析，得到完整的水力結(jié)構(gòu)和土工結(jié)構(gòu)相互作用成果。控制結(jié)構(gòu)的抗震性能采用USACE標準，考慮到運行基本地震(OBE)、最大可信地震(MCE)、PMF和各種荷載組合，對控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和應力進行了分析,包括：總靜荷載、水靜荷載、上游水壓力和尾水壓力、靜水浮力、土荷載、溫度荷載、地震力(水動力和慣性)以及基礎(chǔ)的反作用力。

將控制結(jié)構(gòu)作為獨立單元進行整體穩(wěn)定性分析，LS-DYNA分析成果用來評價混凝土靜態(tài)和動態(tài)應力，從而確定不同區(qū)域所需的強度。泄槽和消力池則采用USACE標準中的常規(guī)結(jié)構(gòu)來設(shè)計荷載條件和載荷系數(shù)，包括基本荷載、特殊荷載和極端荷載條件，以及水荷載、地震荷載、水位降低增加的荷載、土壓力、浮力和車輛荷載，水力模型邊墻上的壓力傳感器和水力模型的流線用來確定邊墻的水力荷載。運用SAP2000來建立U形槽模型，包括臺階狀泄槽的三維模型。溢洪道底板連續(xù)配筋并按棋盤格式布置，利于散熱和減輕基礎(chǔ)約束。泄槽和消力池邊墻采用懸臂式，墻內(nèi)側(cè)鉛直，外側(cè)傾斜。

3 項目特性

(1) 進水渠。進水渠以5°從水庫向外延伸，長約335 m，進水口寬約100 m，至控制結(jié)構(gòu)處寬15.7 m。非襯砌巖石開挖段長約213 m，襯砌段長93 m，兩段之間設(shè)置深7.6 m、寬23.5 m的截石坑，進水渠末端與控制結(jié)構(gòu)相接?？拷刂平Y(jié)構(gòu)的進水渠最深，約33.5 m。在覆蓋層、破碎及強風化巖石段的進水渠邊坡坡度為2H∶1V，并用塊石護坡，防止沖蝕；中風化及微風化巖石段的為1H∶1V。

混凝土襯砌段進水渠斷面為U形，為了利用上游巖梗做圍堰，將采用分期施工。進水渠底板厚1.5 m，采用被動錨桿錨入巖石。邊墻高約30.5 m，呈弧形往控制結(jié)構(gòu)上游延伸，右側(cè)61 m，左側(cè)36.5 m。邊墻下半部分采用大體積混凝土，厚度從底部的3 m往上逐漸增加，至大體積混凝土頂部，也就是邊墻中部更厚，并用錨桿錨入巖石。上半部分則為扶壁式鋼筋混凝土墻。

(2) 控制結(jié)構(gòu)。JFP的主要建筑物為閘門控制結(jié)構(gòu)，由建于基巖上的5個獨立閘室組成：2個寬為27.5 m的過流閘室，安裝6個檢修閘門和6個水下弧形閘門(STG)；兩翼為3個非過流閘室，作為各種設(shè)備的檢修廊道以及電氣室的通道。

灌漿排水廊道位于控制結(jié)構(gòu)踵部，便于今后的帷幕灌漿和垂直排水?；炷量刂平Y(jié)構(gòu)的最終尺寸受水力模型研究的影響很大，6個泄水口中都要安裝上游檢修閘門和弧形閘門。檢修閘門用于安全和檢修，寬7.6 m，高11.8 m，可以沿垂直導槽從建筑物頂部連續(xù)下降到水道仰拱。STG寬7 m，高10.4 m，由厚為1.2～1.8 m的隔墩分隔。這12個閘門均安裝獨立的升降系統(tǒng)，檢修閘門采用鋼絲繩升降系統(tǒng)操作，弧形門則采用雙缸液壓控制，同步移動時誤差為0.25 cm。

(3) 泄槽。泄槽為U形斷面，寬51.5 m，上接控制建筑物，下至消力池，總長844 m，分為上、下兩段。

上段泄槽長約639 m，為常規(guī)鋼筋混凝土U形斷面，縱坡降約2%。懸臂墻的高度在上游端點處為10.6 m，往下游逐漸變低，到下游端點處為8.8 m。泄槽和消力池邊墻設(shè)有膨脹縫和收縮縫，膨脹縫間距29 m，收縮縫間距7.3 m。鋼筋混凝土底板最小厚度為0.7 m，下設(shè)平均厚度約0.6 m的混凝土找平墊層。底板采用被動錨桿錨固，入巖深度4.5～6 m，梅花形布置；泄槽上段間距為6 m，臺階狀泄槽段間距為4.5 m。排水設(shè)計采用垂向排水與橫向、縱向排水相結(jié)合的排水網(wǎng)。

泄槽下段長約205 m，為陡傾鋼筋混凝土U形斷面結(jié)構(gòu)，臺階狀泄槽逐級消能，可以極大地減小消力池尺寸，這在其他設(shè)計方案中不可能做到。臺階狀泄槽的懸臂墻大多數(shù)高約9 m，與消力池連接處達到19 m；大致采用拋物線型，共68個臺階，臺階高0.2～1 m。

底板采用被動錨桿錨入巖石，受臺階影響底板厚度存在變化，上端厚約1 m，下端厚約2 m，臺階表面用抗磨損混凝土處理。截滲與抗浮采用排水和豎板措施來解決。

(4) 消力池。消力池為U形斷面，寬51.5 m，長78.3 m。布置有高4.8 m的超空消力墩，墩間設(shè)高1.2 m的斜坡，墩后設(shè)置端梁。消力池懸臂墻高20 m ，鋼筋混凝土底板厚4 m，分3層澆筑，無入巖錨桿。

用4個縱向排水管組成的2套系統(tǒng)匯集壩基的滲水。底板、部分消力墩及裸露的端梁用耐磨損混凝土進行表面處理，消力墩上游面還有鋼保護層。在排向下游河道之前，水流先通過一段巖質(zhì)泄水渠，與主壩下泄洪水合流。

4 工程計劃與分期

工程的設(shè)計和施工分為如下幾個階段：

(1) 第1、2階段?？刂平Y(jié)構(gòu)及其下游段土石方開挖超過150萬m3，由墾務局完成。

(2) 第3階段?？刂平Y(jié)構(gòu)施工，預計2015年3月完成。

(3) 第4階段。由USACE施工進水渠、泄槽和消力池，預計2017年10月完成。

(4) 第5階段。其他雜項、結(jié)構(gòu)測試和修復工作，將在2017年中完成并移交給墾務局。

初次使用輔助溢洪道時，將對其安全和性能進行監(jiān)測，并將監(jiān)測到的實際水力特性與模型進行對比。

JFP減少洪水損失部分的費用，包括規(guī)劃、施工、設(shè)計、施工管理以及工程直接費約為7.65億美元。為減少洪水損失而對福爾瑟姆壩加高1 m的項目也在考慮中。

(胡云鶴 徐 俊 馬貴生 編譯)

2014-07-29

1006-0081(2015)02-0022-04

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