［美國］G.塔伯斯 等

大圖洪加(Big Tujunga)壩位于洛杉磯北部圣蓋博(San Gabriel)山，最初是一座薄拱壩建于1931年，主要目標(biāo)是防洪，近年來該水庫還為洛杉磯供水。該壩壩高74 m，壩頂長度(包括壩體右側(cè)的土堤)為253 m，曲圓弧形薄拱壩形成水庫的蓄水容量可達(dá)700萬m3。

幾十年來，人們一直擔(dān)心該壩不能應(yīng)對大地震或洪水事件，在此期間，還允許水庫滿庫容運(yùn)行，洛杉磯公共建設(shè)局(LACDPW)著手通過工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)方面的改善措施對大圖洪加壩進(jìn)行修復(fù)。

使加固大壩達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，否則，假如洛杉磯市遭遇一次大地震或洪水事件，破壞可能會(huì)導(dǎo)致以下嚴(yán)重后果:①人員傷亡;②家園、樓房、公共設(shè)施及道路可能被毀，預(yù)計(jì)會(huì)造成的經(jīng)濟(jì)損失約1.75億美元;③受公用服務(wù)和商業(yè)中斷影響的人數(shù)會(huì)超過10萬;④生活用水供應(yīng)中斷，會(huì)影響到近1 000萬居民。

在國際工程公司美華公司(MWH)的幫助下，開始對大圖洪加壩進(jìn)行修復(fù)和溢洪道改造工作，以便該壩滿足應(yīng)對最大可信地震(MCE)和可能最大洪水(PMF)的最新標(biāo)準(zhǔn)。

1 修補(bǔ)完善

大圖洪加壩抗震防洪的歷史已超過30 a，在此期間，進(jìn)行了一系列的改進(jìn)、研究，實(shí)施了許多補(bǔ)救措施，特別是將重點(diǎn)放在對壩肩和地基的改進(jìn)方面。

大壩建設(shè)一直延續(xù)到1968年，期間進(jìn)行了8次補(bǔ)救工程，每次工程的實(shí)施都試圖沿上游壩腳建造一道連續(xù)灌漿帷幕，并確定壩底下裂縫的輪廓范圍和封閉裂縫。然而，這些努力并未減少滲漏流量，因而，壩肩依然存在失穩(wěn)的可能性。

對大壩遭受抗震的擔(dān)憂在1975年的一項(xiàng)研究中得到進(jìn)一步證實(shí)，結(jié)果表明，在一次MCE事件中，大圖洪加壩無法抵抗地震的荷載。因此，在全州范圍遭遇嚴(yán)重干旱時(shí)，大壩水位被加州水資源管理局限制在25%庫容的相應(yīng)水位。綜合考慮抗震問題，最新水文氣象報(bào)告(HMR)研究證實(shí)，大圖洪加壩的溢洪道不符合PMF的標(biāo)準(zhǔn)。

LACDPW拖延了采取工程補(bǔ)救措施的時(shí)間，近30 a選用限制水庫水位和最大水庫面積的方法以確保大壩安全，LACDPW僅對其他14座大壩采取過難度較小的抗震措施和溢洪道補(bǔ)救措施。這樣做主要是由于對工程進(jìn)行完全修復(fù)需要花費(fèi)近1億美元的高額費(fèi)用，如此巨額費(fèi)用迫使LACDPW慎重考慮工程的成本效益比，包括對以下兩種情況進(jìn)行評估:①將大壩完全恢復(fù)到能滿庫容蓄水;②將大壩轉(zhuǎn)變?yōu)閿r沙壩而不恢復(fù)大壩庫容，但可供必要的防洪之用?；诖髩螌α饔蚍篮榈年P(guān)鍵作用，大壩拆除并不可選。

2004～2005年的冬季正是大圖洪加壩最終修復(fù)設(shè)計(jì)的中期，洛杉磯卻經(jīng)歷了近幾十年來最濕潤的季節(jié)，高達(dá)170 m3/s的流量將該壩下游左岸噴漿支護(hù)的河谷側(cè)壁沖毀并墜入河中，這一事件促進(jìn)了對相鄰止推座定性的深入研究。盡管沒有有力證據(jù)表明這會(huì)導(dǎo)致左壩肩和止推座破壞，但仍有河谷邊坡坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

這一事件進(jìn)一步堅(jiān)定了LACDPW完全修復(fù)大壩的決心。

2 完全修復(fù)

修復(fù)的第一步是1996年委托MWH對大壩進(jìn)行研究，重新分析大壩面臨的地震和水力學(xué)方面的問題。研究證實(shí)，大圖洪加壩現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)已不能應(yīng)對MCE和PMF，這就迫使MWH提出一系列修復(fù)方案，通過改變大壩結(jié)構(gòu)等措施來達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。

初步建議要求修建下游混凝土扶壁，將該壩轉(zhuǎn)化為重力壩，然而這一設(shè)計(jì)理念卻存在許多挑戰(zhàn)，包括不良基礎(chǔ)條件、沖積物質(zhì)的數(shù)量、需要挖除的風(fēng)化基巖的數(shù)量以及將壩變成重力壩所需要混凝土的方量和費(fèi)用等方面的不確定性。

MWH工程人員所進(jìn)行的綜合地下巖土調(diào)查項(xiàng)目有助于更好地理解未知問題。在此基礎(chǔ)上，尤其是針對地基巖石如何支撐建造大壩下游扶壁的附加混凝土重量等問題，工程人員進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，最終決定把大圖洪加壩作為厚拱壩來保護(hù)。

工程人員減少了地基上不必要的混凝土，并將其重新分配在相應(yīng)高程，以增加拱壩的強(qiáng)度，并保持推力沿水平方向向壩肩轉(zhuǎn)移。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)大概能節(jié)約30 582 m3的混凝土，相當(dāng)于節(jié)省 2 500萬美元。

除了在原壩上建成具有挑流坎的反弧形堰頂溢洪道以外，這種設(shè)計(jì)最終通過貼緊大壩下游面增加混凝土的方法使其成為厚拱壩。

為實(shí)施這種設(shè)計(jì)方案，在從壩基到壩頂?shù)膲误w下游面上，大約澆筑了53 518 m3的常規(guī)大體積混凝土，將壩體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫窆叭Φ暮窆皦巍Ｐ聺仓幕炷潦勾髩螇雾斣龊?3.7 m，壩頂總厚度達(dá)6 m，壩體下游面的坡度為 0.25∶1(水平∶垂直)，拱壩下部增厚約20 m。

為確保壩體的整體性能，并增強(qiáng)新舊混凝土的粘合力，將混凝土與水平安裝并灌漿固結(jié)的插筋網(wǎng)結(jié)合成整體，這種插筋埋設(shè)在原壩下游面板中和新混凝土的上游部分。加厚的拱壩強(qiáng)度增大，可承受MCE的荷載。

為使大壩符合PMF的標(biāo)準(zhǔn)，需要在原混凝土重力支墩的下游面修建一個(gè)階梯形中央溢洪道。這一設(shè)計(jì)理念有助于漫頂洪水從支墩面分級下泄時(shí)消能。

然而，在對大壩修復(fù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，MWH的工程人員推薦了反弧形堰頂溢洪道，當(dāng)該溢洪道與現(xiàn)有右壩肩溢洪道聯(lián)合工作時(shí)，能夠滿足PMF的泄流要求。這種非傳統(tǒng)的彎曲形溢洪道，基本原理是將水流高高挑起，泄入壩體下游河谷的水墊塘中。

整個(gè)恢復(fù)項(xiàng)目包括巖土工程、結(jié)構(gòu)、水力學(xué)以及機(jī)電方面的改進(jìn)，還包括安裝最先進(jìn)的壩體檢測儀表、控制設(shè)備、新控制房、交通廊道以及新閥門，并建造了一個(gè)閥門房。

3 滿足抗震和水力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

研究人員采用三維有限元法分析后證實(shí)，大圖洪加壩的最終設(shè)計(jì)既能滿足PMF，又能滿足MCE的荷載要求。分析表明，厚拱壩的理念在靜態(tài)荷載條件下較為安全，包括極端PMF情形，符合美國陸軍工程師兵團(tuán)所規(guī)定的大壩安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

在MCE條件下，通過三維有限元法表明，重建的大圖洪加壩新設(shè)計(jì)方案中，所有部位混凝土的動(dòng)力抗壓強(qiáng)度都在評估范圍內(nèi)。盡管一些拉伸應(yīng)力的峰值超過了預(yù)估的動(dòng)力拉伸強(qiáng)度，但這些應(yīng)力偏差是孤立的，只作用于大壩表面。

同時(shí)MWH還進(jìn)行了敏感性分析，以評估壩基模型中在不同條件下的影響，包括描述地質(zhì)和材料性能方面發(fā)生突然變化的垂直邊界。這種敏感性分析證明了大壩內(nèi)應(yīng)力峰值的位置變化，包括有垂直和無垂直兩種邊界條件，但總體應(yīng)力值和超過允許應(yīng)力情況的數(shù)值保持不變。

通過分析和對壩體整個(gè)厚度范圍內(nèi)的各應(yīng)力變化過程線的比較研究，結(jié)果表明，假如發(fā)生了MCE，也不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)或存在潰壩風(fēng)險(xiǎn)。雖然在壩體上游或下游面可能會(huì)發(fā)生局部裂縫，但認(rèn)為對壩體進(jìn)行全面修復(fù)，且在滿庫容條件下運(yùn)行是符合安全標(biāo)準(zhǔn)的。

4 確保未來大壩安全

在大壩安全修復(fù)過程中安裝的新型自動(dòng)化儀表設(shè)備將用于確保大壩安全的長期監(jiān)控中。這包括評估大壩在設(shè)計(jì)參數(shù)下的運(yùn)行情況，確認(rèn)壩基排水系統(tǒng)的有效性，監(jiān)測水庫蓄水和快速放空期間大壩的性能，了解大壩在地震中的反應(yīng)等。自2011年7月大壩恢復(fù)工程竣工和水庫蓄水以來，未發(fā)生重大問題。

除了滿足大壩修復(fù)工作的主要目標(biāo)(確保大壩安全)以外，在工程項(xiàng)目中還加強(qiáng)了水資源和環(huán)境保護(hù)措施，使水庫完全恢復(fù)到滿庫容，每年可多調(diào)出約550萬m3水量，避免洛杉磯市從其他地方引水，可節(jié)約225萬美元左右。

目前大壩能夠進(jìn)行小流量的泄水，這在以往裝有大型閥門的原壩結(jié)構(gòu)中是不能實(shí)現(xiàn)的。新安裝的24寸射流閥門允許大壩下泄最小流量，可作為下游的河流和池塘水量的有補(bǔ)充，以改善沿河許多物種，特別是加州瀕危物種——圣安娜吸盤魚(Santa－Ana Sucker fish)重要棲息地的生態(tài)環(huán)境。

大圖洪加壩的修復(fù)加固工程被加州大壩安全管理者協(xié)會(huì)(ASDSO)授予“2011年全國恢復(fù)工程”年度大獎(jiǎng)，該工程是修復(fù)加固工程中創(chuàng)新、安全的示范工程。