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设计与施工

美国比弗大坝的更新改造

[美国] D.雅顿等

论述了美国比弗大坝升级改造的原因，并通过降低水库运行水位、开展风险评估及加固处理等措施进行了险情应急处理。介绍了溢洪道加高加固、泄水建筑物管道更新和闸门重构、左坝肩下游滤排水系统设置等升级改造方案，简述了具体的施工步骤。大坝的升级改造解除了险情，并在整个项目实施期间，重点关注了环境影响。

大坝；溢洪道；加高加固；泄水建筑物；改造；美国

1 大坝更新改造方案

比弗(Beaver)大坝位于美国科罗拉多州南福克镇正南方，长期存在坝体渗漏问题。建成100多年以来，该大坝经历了数次修复。2010年春季，在左坝肩下游原来出现过渗漏的地方发现一个塌陷坑。随即，该座高危大坝的所有者和经营者——科罗拉多州公园及野生动物管理局(CPW)立即采取了相应措施处理险情。

经初步评估，科罗拉多州工程师办公室(SEO)将水库蓄水位限制在溢洪道顶部高程6.1 m以下。随后艾奕康(AECOM)公司的技术团队分别就下述几种情形对大坝进行了风险分析，以评估溃坝风险：

(1)若现有设施正常运行，其风险将会超过快速降低风险准则的规定；

(2)若现有设施在限制水位运行，其风险可满足长期降低风险运行的要求；

(3)若采取降低风险的运行方案，其风险通常符合逐步降低风险运行准则的要求。

完成评估后，AECOM公司设计了大坝更新改造的方案，并负责大坝改造施工的管理。这些方案具体如下。

(1)溢洪道顶部及陡槽改建。对现有的主溢洪道进行修复以防溢洪道下游岩石遭受侵蚀。经改建后，溢洪道顶部将会增高 0.91 m，正常蓄水位最大高程相应地提高至 2 684.37 m，从而可增加 39.47万m3的蓄水量。

(2)泄水建筑物管道更新和闸门重构。泄水建筑物的更新主要是更换现有的泄水管道，并在其上下游安装阀门和闸门。其中包括新建一座进水口建构筑物、一座下游出水口控制建筑物和相应的调度室，废弃现有的中心闸门室。

(3)左坝肩下游反滤排水系统。为防止渗漏和管涌(内部侵蚀)破坏，在左坝肩设置了反滤排水系统。

鉴于现场施工季节较短，施工分两个阶段进行。

2 第一阶段施工

首先必须改建溢洪道陡槽，以便解决溢洪道陡槽下游端的基岩侵蚀问题，并通过提高溢洪道顶部高程来增加水库库容。然而,第一阶段施工尚未开始就遇到了问题。正当制订施工准备计划时，在西福克发生的一次雷击所引发的火灾使工作被迫中断。距坝址仅12.87 km的南福克镇居民被疏散，通往西边的两条出镇高速公路(包括通往上坝公路的高速公路)被关闭了一个多月。通往施工现场的交通道路非常有限，唯一可行的对外交通道路是兼作水库辅助溢洪道的美国林务局道路。尽管将该道路当作双向两车道使用，但不足以承载施工所需的超重设备和物料供应的运输。面对困难，施工承包商设计出了调度施工材料、设备和人员的创新方法，甚至在可能的时候可以同时在溢洪道的两端进行施工作业。

为防止溢洪道基岩遭受侵蚀，需对右坝肩溢洪道表面近似垂直的张裂缝进行灌浆处理，并采用锚杆进行锚固。在采用常规方法对溢洪道地基进行压力灌浆时，遇到了很大阻力。尽管在灌浆过程中很容易保持钻孔中的压力，但在拿开封隔器和灌浆管后的几分钟之内，水泥砂浆的水平面明显下降。这是因为在灌浆过程中，空气被裹挟在水泥砂浆下，阻碍水泥砂浆流向孔隙空间。一旦钻孔中压力下降，裹挟在水泥砂浆下的空气将会向上逃逸，导致水泥砂浆能进一步渗入裂缝中。

针对以上情况，AECOM公司、科罗拉多州公园及野生动物管理局和灌浆分包商海沃德-贝克(Hayward-Baker)公司联合开发了一个改进的灌浆工序，最终使原方案目标得以实现。具体做法是，利用一根延伸到所在分段灌浆底部区域的导管，依靠重力作用注入水泥砂浆，以便允许空气在完成本阶段灌浆之前从灌注缝中释放出来。在灌浆过程中，还采用了更低水灰比的水泥砂浆。

3 第二阶段施工

第二阶段施工包括在左坝肩修建一套反滤排水系统以解决管涌问题，在现有泄水管中插入一根新的钢衬管，为大坝泄水建筑物新建进出水构筑物。这些工作为承包商和设计团队带来了一系列挑战。

3.1 进场道路

由于从下游无任何道路可到达坝肩底部，设计团队面临的难题是：施工承包商怎样才能在如此陡峭的山坡上开挖出可到达坝肩底部的道路，从而将开挖料及工程施工所需的物料运送至指定地点。

在第二阶段施工启动会上，承包商ASI公司也表达了类似担忧。该公司提出了一种最终被证明行之有效的创新性方法，即通过沿墙顶部开挖出来的一级台阶开始向下开挖土钉墙(设计用于限制上坡的开挖范围和对林务局财产的侵占)。同时，在下一级边坡较低位置开挖另一级台阶，这样至少可以部分实现对坝肩坡脚的清理。在两个作业平台处均修建了连接到坝肩顶部的斜坡道，且当上一级作业平台向下开挖时，斜坡道同时向下延伸。所有的开挖和装载均采用反铲施工。

3.2 岩质边坡的稳定性

在左坝肩中下部开挖过程中，遇到了现有岩质边坡和岩石的稳定性问题，牵涉到施工人员、设备和必须安全完成工作的问题，因而引起了广泛关注。在施工过程中，如果岩石受到扰动，将会面临垮塌至施工作业区内的风险，这在前期泄水管排水口修复施工时就已发生过。由于前期发生过几起岩石垮塌事件，因此在施工开挖前，业主要求承包商应慎重对待潜在的岩石垮塌风险。

3.3 排水隧洞

在左坝肩开挖时发现了一根排水管，证实了档案记录中所描述的排水隧洞，该排水洞延伸至左坝肩下游，用于收集渗流并排出坝体之外。而新安装排水管道的混凝土外壳可能会永久阻塞原排水隧洞口。经仔细评估后认为，进一步查明原排水隧洞的成本与风险要大于潜在利益。因此，制订了实施计划以清除沉积在出露排水隧洞中的泥砂和有机质，并安装一根等长的PVC割缝管，割缝管周围设置与割缝大小相适应的排水砾石，然后用滤砂回填隧洞。

3.4 施工导流

项目施工期间，需降低比弗公园水库的水位。ASI公司设计的导流方案包括一座围堰和一台设计流量为0.906 m3/s的水泵及输水管道系统。该导流方案有效解决了施工导流问题，并使水库水位保持在安全水平。

3.5 现有泄水管道

比弗公园水库的现有泄水管道由一个进水口和一条内置钢管组成。内置钢管直径从 1.83 m(进口)渐变至 1.22 m(垂直闸门轴后)。几年后，内置钢管被延长到下游排水洞洞口之外，即原排水管将水排入比弗溪(Beaver Creek)中。由于在进水口处未设置防护闸门或挡水墙，人员无法接近内置钢管上游端。第二阶段施工时，需在新建的进出水口之间安装一根直径 1.07 m的管道，被替换的那部分泄水管道已有50多年的时间未曾检修过。ASI公司制订了管道更换工作计划，在管道更换过程中，根据实际情况及时对计划进行修改。同时，设计人员在绘制管道制造加工图之前，对管道下游断面进行了测量，以便确认安装尺寸。

4 生态环境保护

比弗大坝坐落于里奥格兰德国家森林区内，该区由美国林务局负责管理。比弗水库及周边地区徒步旅行、垂钓、打猎、野营、山地自行车等户外活动设施一应俱全，对户外运动爱好者来说非常具有吸引力。除了水库内的渔业资源外，周边还有大量的麋鹿、大角羊、狐狸和美洲狮等野生动物资源。常见的鸟类有雕、鹰、猫头鹰和蜂鸟等，且春季和初夏均有各类野花盛开。

在比弗大坝改造规划与施工中，因充分考虑了水库对周边的娱乐设施和环境影响，使得本次改造施工未对周边环境造成不利影响，保持了水库周边环境的原貌。2016年9月，美国国家大坝安全管理官员协会(ASDSO)将比弗大坝改造工程命名为“国家年度改造工程”。该工程还获得了3项以上其他颇有份量的提名。该项重要的坝体改造工程因其各种创新性设计而得到了认可。

孙婵译

(编辑：唐湘茜)

2017-05-20

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孙婵，女，长江水利委员会长江科学院，工程师。)