波多黎各波圖格斯碾壓混凝土壩施工挑戰(zhàn)

[美國(guó)]　R.I.艾德考安 等

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設(shè)計(jì)與施工

波多黎各波圖格斯碾壓混凝土壩施工挑戰(zhàn)

[美國(guó)]R.I.艾德考安 等

摘要：在介紹波圖格斯壩概況的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了大壩施工期間遇到的挑戰(zhàn)，包括壩基地質(zhì)條件復(fù)雜、雨季河道洪水頻發(fā)、當(dāng)?shù)厥炀毠と巳狈?、可利用的材料和設(shè)備有限，以及高溫季節(jié)澆筑混凝土等。通過(guò)參建各方的共同努力，最終總結(jié)出了一系列應(yīng)對(duì)并克服挑戰(zhàn)的施工經(jīng)驗(yàn)，保證了施工項(xiàng)目的順利實(shí)施，可為類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土；大壩施工；高溫季節(jié)；澆筑混凝土；施工經(jīng)驗(yàn)；波圖格斯壩；波多黎各

1工程概況

波圖格斯大壩位于波多黎各中部地區(qū)、龐塞市西北約 5.5 km處，靠近南加勒比海岸，距離波圖格斯河入?？诩s13 km。該工程由美國(guó)陸軍工程師團(tuán)(USACE)設(shè)計(jì)，由USACE和該國(guó)自然與環(huán)境資源部(DNER)共同所有。在強(qiáng)降雨季節(jié)，該工程可抵御洪水、熱帶風(fēng)暴和颶風(fēng)。工程附屬建筑物包括壩身溢洪道、進(jìn)水口結(jié)構(gòu)，以及位于1.8萬(wàn)m3碾壓混凝土(RCC)支墩頂部的控制室。工程施工包括巖石基礎(chǔ)開(kāi)挖、基礎(chǔ)處理、混凝土骨料開(kāi)采以及連接壩頂與閥門室的道路修建等。

1.1建設(shè)歷史

龐塞是該國(guó)人口第二多的城市，其北部山區(qū)受河流水位陡漲陡落影響，常導(dǎo)致下游城市地區(qū)發(fā)生洪水，威脅人民及財(cái)產(chǎn)安全。

USACE初期設(shè)計(jì)的波圖格斯壩為三圓心雙曲薄拱壩。21世紀(jì)初，因初期方案單項(xiàng)施工投標(biāo)報(bào)價(jià)大大超出政府投資預(yù)算，需要設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)的替代方案，故USACE最終選擇了當(dāng)前的拱形RCC重力壩方案。

1970年，波圖格斯河和布卡那(Bucana)河防洪工程獲得批準(zhǔn)。該工程包括2座大壩，其中波圖格斯壩為最后1座，另1座為色力羅(Cerrillos)大壩，1992年完工。整個(gè)防洪工程包括2座綜合利用水庫(kù)，以及壩址下游至河流入?？谥g的河道改造工程。DNER是該工程最大的股東。

1.2技術(shù)指標(biāo)

波圖格斯壩為單圓心拱形RCC重力壩，最大壩高67 m，壩頂長(zhǎng)375 m。壩體RCC總量超過(guò)27萬(wàn)m3，溢洪道、進(jìn)水口和壩頂常態(tài)混凝土方量超過(guò)7 600 m3，基礎(chǔ)處理回填大體積混凝土約1.5萬(wàn)m3，閥室的基礎(chǔ)支墩澆筑RCC超過(guò) 1.8萬(wàn)m3。大壩上游面垂直，下游面呈臺(tái)階狀,綜合坡比為1∶0.35(V∶H)。通過(guò)設(shè)置間距 21.3 m的接觸縫，將壩體分成18個(gè)壩段。寬 2.1 m、高 3.7 m的RCC壩內(nèi)部廊道位于設(shè)計(jì)建基面以上，高程約6 m，在廊道內(nèi)進(jìn)行帷幕灌漿孔(向上游傾斜)和基礎(chǔ)排水孔(垂直向)施工。在壩頂中部布置寬 42.7 m的開(kāi)敞式溢洪道，采用挑流消能，常態(tài)混凝土施工。

泄洪工程包括2條直徑 1.5 m的泄水管，從壩基與RCC結(jié)構(gòu)之間的大壩常態(tài)混凝土內(nèi)穿過(guò)。泄水管從大壩上游進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的閘門延伸至大壩下游閥室的球閥處。

波圖格斯大壩RCC中使用了火山灰水泥，其特點(diǎn)是強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，1 a后設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為31 MPa，但通常超過(guò)41 MPa。相對(duì)于新澆筑混凝土表面而言，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢有利于RCC連續(xù)澆筑在“熱”的層間縫上，層間澆筑間隙期最長(zhǎng)延長(zhǎng)至24 h。對(duì)于部分混凝土面即“暖”縫面(達(dá)72 h)和“冷”縫面(超過(guò)72 h)，要求在下層混凝土澆筑之前進(jìn)行特殊的縫面處理。

2施工設(shè)施

為確保大壩正常施工，需設(shè)置許多配套設(shè)施。主要設(shè)施情況如下。

(1) 砂石加工系統(tǒng)。生產(chǎn)3種粗骨料(公稱最大粒徑：50，20 mm和10 mm)和細(xì)骨料(砂)，不同粒徑的骨料可配給不同要求的混凝土。

(2) 細(xì)骨料篩分系統(tǒng)?？珊Y除部分無(wú)用的細(xì)砂。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)雙混凝土拌和系統(tǒng)。每次可制備4 m3RCC、常態(tài)混凝土或砂漿，輔以2個(gè)1 000 t水泥筒倉(cāng)，1個(gè)1 000 t粉煤灰筒倉(cāng)，3個(gè)2 000 t粗骨料筒倉(cāng)，以及2個(gè)1 000 t細(xì)骨料筒倉(cāng)(分別用于存儲(chǔ)洗過(guò)或未洗的砂)。

(4) 制冷系統(tǒng)。制冰設(shè)備生產(chǎn)能力為200 t/d，水冷卻裝置用于“濕式皮帶”廊道和混合水冷卻，通過(guò)2條長(zhǎng)120 m的“濕式皮帶”可使粗骨料溫度降至10℃以下，從而滿足RCC澆筑平均最高溫度不超過(guò)15.5℃的要求。

(5) 1套移動(dòng)式混凝土拌和系統(tǒng)。用于生產(chǎn)常態(tài)混凝土和砂漿。

(6) 1套長(zhǎng)298 m的混凝土輸送系統(tǒng)。將混凝土從拌和站輸送至大壩中部。

(7) 其他輔助設(shè)施。機(jī)械、電氣、焊接和木工廠等。

在大壩施工期間，無(wú)外接電網(wǎng)系統(tǒng)，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施均采用發(fā)電機(jī)供電。

3施工挑戰(zhàn)

3.1地形地質(zhì)條件復(fù)雜

受剪切帶影響，工程區(qū)內(nèi)砂巖、粉砂巖和變質(zhì)火山巖破碎且風(fēng)化嚴(yán)重。由于地質(zhì)條件較差，難以獲得規(guī)則的基礎(chǔ)面。骨料場(chǎng)位于壩址北部約2 km處。

大型開(kāi)挖設(shè)備只能開(kāi)挖至理論建基面高程，剩余大量的建基面清理工作只能通過(guò)人工或小型開(kāi)挖設(shè)備完成，處理過(guò)程耗時(shí)耗力，且常受大雨和突發(fā)洪水影響。

受壩址區(qū)地形條件限制，附屬設(shè)施布置困難，骨料需存儲(chǔ)在多個(gè)位置，通往大壩不同高程的臨時(shí)施工道路施工困難。

3.2施工要求嚴(yán)格及設(shè)備供應(yīng)受限

大壩施工技術(shù)要求非常嚴(yán)格，盡管許多要求對(duì)于USACE和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)而言很常見(jiàn)，但還是給工程施工帶來(lái)了特殊挑戰(zhàn)。如前文所述，該工程是波多黎各首座RCC壩，因此許多需求從未在該國(guó)實(shí)現(xiàn)過(guò)，特別是服務(wù)供應(yīng)、材料和設(shè)備方面的要求。由于許多當(dāng)?shù)毓緹o(wú)法提供工程所需的服務(wù)、材料和設(shè)備，因此不得不選擇由有資質(zhì)的當(dāng)?shù)毓?yīng)商或海外公司提供。

RCC生產(chǎn)屬于工業(yè)生產(chǎn)方法，生產(chǎn)設(shè)備的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)于確?；炷临|(zhì)量非常關(guān)鍵。小問(wèn)題或小故障都可能導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，甚至付出高昂的停產(chǎn)代價(jià)，隨后可能導(dǎo)致數(shù)百人閑置。

該國(guó)缺乏施工所需的必要設(shè)施，大部分設(shè)備和專業(yè)零部件必須從海外進(jìn)口。為了將設(shè)備交付、維護(hù)和修理對(duì)工程的影響降至最小，后勤保障部門需面臨巨大挑戰(zhàn)。盡管德拉格多斯(Dragados)集團(tuán)美國(guó)公司在現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)了大量備用件，以減少對(duì)工期的潛在影響，但在特殊情況下，某些零部件和材料還需從美國(guó)空運(yùn)過(guò)來(lái)。此外，該公司雇傭了比正常情況更多的機(jī)械和電力人員，每周7 d、每天24 h工作。雖然以上措施增加了項(xiàng)目成本，但對(duì)保障工程進(jìn)度而言是必需的。

根據(jù)合同要求，RCC澆筑需滿足下列規(guī)定：①必須在平均溫度15.5℃以下澆筑；②只允許在1 a中較冷的月份跳倉(cāng)澆筑；③必須在24 h(最大層間間隙期)內(nèi)用新澆筑層覆蓋，否則，需要對(duì)結(jié)合面進(jìn)行特殊處理，相鄰澆筑層(暖縫處理)之間應(yīng)鋪1層砂漿；④必須在45 min之內(nèi)完成生產(chǎn)、運(yùn)輸和澆筑；⑤層間清理應(yīng)由人工完成。

3.3兩岸連接壩頂?shù)慕煌ㄊ芟?/p>

通往壩頂附近的唯一永久通道位于大壩下游側(cè)，但僅能到右壩肩附近，需修建1座橋才能和壩頂連接，理論上只能在右壩肩上部施工完成后才能修建。在大壩澆筑期間，為將輔助設(shè)備運(yùn)至右岸上部，并將RCC澆筑設(shè)備從右岸移至左岸，歷經(jīng)磨難才在右岸上游側(cè)修建了1條臨時(shí)道路。

由于左岸無(wú)永久進(jìn)場(chǎng)道路，為將設(shè)備運(yùn)至左岸施工部位，并在施工完成后將設(shè)備撤走，必須修建另1條臨時(shí)道路。但由于河谷左岸地形陡峻，施工困難，因此這條臨時(shí)道路不得不建在下游側(cè)，并在完成使命之后拆除。

3.4天氣條件惡劣

波多黎各地區(qū)易受熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)影響。大壩位于城市北部山區(qū)的狹窄河谷，地形陡峻，加之波圖格斯河流域內(nèi)年平均降雨量超過(guò)2 000 mm，熱帶降雨頻繁，降雨量大且突然，洪水來(lái)臨前幾乎來(lái)不及保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，更不能將設(shè)備或人員轉(zhuǎn)移到安全地帶。

由于地形較陡，在臨時(shí)導(dǎo)流工程的設(shè)計(jì)中需考慮漫頂問(wèn)題。漫頂期間，施工不得不停止，直到被淹沒(méi)的施工道路和低洼施工區(qū)域得到恢復(fù)。施工初期，洪水為經(jīng)常性威脅，需要密切關(guān)注氣象預(yù)報(bào)。在雨季RCC施工時(shí)，通常沒(méi)有足夠時(shí)間來(lái)保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)，從而導(dǎo)致混凝土施工中斷，降雨過(guò)后又因?qū)娱g間隙期超過(guò)允許時(shí)間，增加了大量的額外層間處理工作量。

強(qiáng)降雨期間，因?qū)Я鲊呗?，施工區(qū)域受到影響，連接料場(chǎng)、RCC拌和站和右岸區(qū)域的交通受限。

頻繁降雨導(dǎo)致細(xì)骨料的濕度連續(xù)變化且不均一。RCC對(duì)骨料濕度變化非常敏感，濕度的微小變化對(duì)于RCC的稠度均會(huì)造成影響。為優(yōu)化RCC生產(chǎn)，往往要求部分砂在處理2～3遍后存儲(chǔ)至棚屋內(nèi)，以保持濕度一致。

合同要求RCC應(yīng)在日平均溫度15.5℃以下澆筑，即使在冬季月份，龐塞的平均氣溫也超過(guò)24℃。為滿足施工要求，所有用于RCC生產(chǎn)的粗骨料均應(yīng)預(yù)冷至10℃以下，同時(shí)在混凝土用水中加入冰塊，以降低RCC的溫度。

由于降雨頻繁，細(xì)骨料的濕度相對(duì)較高，且在經(jīng)過(guò)冷卻廊道之后，粗骨料也是潮濕的，冷卻RCC過(guò)程中應(yīng)限制各批次添加冰的用量。因此，保持細(xì)骨料的干燥狀態(tài)對(duì)于獲得較低的澆筑溫度非常重要。

3.5熟練工人缺乏

RCC壩施工是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，必須保持不間斷施工，這就需要大量熟練工人。在施工高峰期，波圖格斯壩的施工人員超過(guò)800人。

龐塞及其附近地區(qū)無(wú)現(xiàn)成的熟練施工人員，因此在當(dāng)?shù)卣衅赣蠷CC施工經(jīng)驗(yàn)的人員是不可能的，且因費(fèi)用有限，從島外招聘有經(jīng)驗(yàn)的人員也不現(xiàn)實(shí)。因此，大部分施工人員必須在當(dāng)?shù)亟邮芘嘤?xùn)。

RCC施工對(duì)時(shí)間要求非常嚴(yán)格，為確保工程順利實(shí)施，要求各工作組的各項(xiàng)工作必須協(xié)調(diào)一致，從RCC生產(chǎn)和澆筑間隙時(shí)間，到層間連續(xù)澆筑允許的最大間隙期，超過(guò)最大層間間隙期需對(duì)層面進(jìn)行特殊處理。此外，還有一些特殊工作需要不同的工作組來(lái)完成，主要包括：①混凝土缺陷處理；②鉆孔和灌漿；③RCC生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑和碾壓；④RCC層面清理、準(zhǔn)備及濕度控制；⑤模板提升和準(zhǔn)備；⑥外表面富膠凝RCC碾壓；⑦接觸縫切割；⑧監(jiān)測(cè)儀器安裝及監(jiān)測(cè)；⑨設(shè)備檢查、測(cè)試及維護(hù)。在這些工作環(huán)節(jié)中，任何一項(xiàng)工作執(zhí)行不力或延遲都可能導(dǎo)致停工。

要確保大量的勞動(dòng)力適應(yīng)連續(xù)的輪班工作確實(shí)不易，通常對(duì)輪班工作要求很高。由于RCC澆筑主要集中在冬季的6個(gè)月內(nèi)，所以夏季月份不得不辭退大部分勞動(dòng)力，在下一個(gè)澆筑高峰期來(lái)臨時(shí)，雖然試圖重新雇傭同一批人員，但有相當(dāng)比例的工人不愿返回，造成大量熟練勞動(dòng)力流失，而新聘人員又需要重新培訓(xùn)。

3.6工程安全風(fēng)險(xiǎn)大

對(duì)于USACE和德拉格多斯集團(tuán)美國(guó)公司而言，安全問(wèn)題至關(guān)重要。項(xiàng)目中運(yùn)用了大量的安全作業(yè)程序，各項(xiàng)施工中，一直有專門的安全員。

RCC施工要求設(shè)備和人員高效且保持協(xié)調(diào)一致，以免引起嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。大壩施工采用的傳送系統(tǒng)隨著壩體高度增加而升高，工人作業(yè)面高程也不斷增加，安全風(fēng)險(xiǎn)增大。USACE和德拉格多斯集團(tuán)美國(guó)公司對(duì)該項(xiàng)目的安全要求和預(yù)期明顯高于同區(qū)域的其他施工項(xiàng)目，因此安全工作更具挑戰(zhàn)性。盡管在項(xiàng)目施工期間發(fā)生過(guò)小事故，但并未造成致命或其他嚴(yán)重的安全事故發(fā)生。

3.7質(zhì)量控制要求高

整個(gè)大壩的安全與施工質(zhì)量密切相關(guān)。波圖格斯壩采用最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)建造。德拉格多斯集團(tuán)美國(guó)公司負(fù)責(zé)質(zhì)量控制(QC)，USACE負(fù)責(zé)品質(zhì)保證(QA)。在施工高峰期，有超過(guò)30名QC人員和20名QA人員在現(xiàn)場(chǎng)工作。

在施工過(guò)程中，收集了大量信息并進(jìn)行了分析，以下是質(zhì)量檢查的部分內(nèi)容。

(1) 提交程序。所有工作均全部通過(guò)提交程序進(jìn)行存檔。為該項(xiàng)目準(zhǔn)備的提交文件超過(guò)4 500個(gè)。

(2) 施工偏差。嚴(yán)格控制施工偏差，例如溢洪道的溢流堰、泄槽和挑流鼻坎尺寸偏差須在 3.2 mm以內(nèi)。

(3) 測(cè)試頻次。在大壩施工期間，Vebe稠度、RCC澆筑溫度、RCC密度、抗壓強(qiáng)度、骨料級(jí)配等指標(biāo)只是大量測(cè)試與收集的質(zhì)量數(shù)據(jù)中的一小部分。其中許多測(cè)試的頻次很高，例如該項(xiàng)目有超過(guò)2 000車次的常態(tài)混凝土測(cè)試了坍落度、含氣量、溫度和容重等指標(biāo)。

按照德拉格多斯集團(tuán)美國(guó)公司在RCC壩方面的經(jīng)驗(yàn)，大壩施工采用USACE的3步QC和QA程序。首先，在施工前召開(kāi)正式的計(jì)劃會(huì)，明確施工要求和工作計(jì)劃；其次，施工和質(zhì)量小組對(duì)實(shí)施計(jì)劃(包括安全、質(zhì)量和環(huán)境要求)全部進(jìn)行復(fù)核和規(guī)劃，并獲得QA小組批準(zhǔn)；最后，在任一單項(xiàng)工程開(kāi)始前，監(jiān)理與施工人員一起再次復(fù)核所有安全、質(zhì)量和施工要求，并在實(shí)施過(guò)程中持續(xù)監(jiān)督和修正，以確保滿足要求。

在RCC澆筑開(kāi)始前，該公司通過(guò)RCC試驗(yàn)區(qū)培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)施工人員，最終選擇最合適的澆筑設(shè)備和方法。在RCC澆筑高峰期臨近時(shí)，公司會(huì)通過(guò)播放前1期培訓(xùn)視頻課程，為新員工培訓(xùn)提供幫助。

4結(jié)語(yǔ)

波圖格斯壩是美國(guó)建設(shè)的首座拱形RCC重力壩，也是波多黎各的第1座RCC壩。該項(xiàng)目是波圖格斯河和布卡那河防洪工程的最后1期工程，可確保龐塞市免遭洪水威脅。2008年，德拉格多斯集團(tuán)美國(guó)公司獲得該項(xiàng)目的施工合同，工程于2013年12月完工， 2014年2月舉行了工程竣工儀式。由于項(xiàng)目所在地區(qū)存在材料運(yùn)輸不便、特殊設(shè)備零部件不易獲得、熟練工人缺乏等難題，項(xiàng)目實(shí)施期間需應(yīng)對(duì)并克服各種挑戰(zhàn)。最終通過(guò)參建各方的共同努力，該項(xiàng)目得以順利完工。

波圖格斯大壩項(xiàng)目將作為USACE下一代大壩工程師的培訓(xùn)基地。通過(guò)該項(xiàng)目， USACE不僅培訓(xùn)了許多自己的工程師，還將RCC知識(shí)傳授給了當(dāng)?shù)氐墓こ處焾F(tuán)體。

曹艷輝孫言譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-02-05

文章編號(hào)：1006-0081(2016)06-0017-04

中圖法分類號(hào)：TV642.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

(譯者簡(jiǎn)介：曹艷輝，男，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師。)