崔弘毅，周克發(fā)編 譯

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

美國狼溪大壩的補(bǔ)強(qiáng)加固

崔弘毅1，周克發(fā)2編 譯

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

狼溪大壩（又譯為沃爾夫克里克大壩）位于美國肯塔基州，在對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固的過程中，新建了一截滲墻，其中新開挖工程和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

狼溪大壩；補(bǔ)強(qiáng)加固；截滲墻；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

0 前言

狼溪大壩（Wolf Creek dam，又譯為沃爾夫克里克大壩）位于美國肯塔基州，為一“高風(fēng)險(xiǎn)”大壩。在對大壩進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固過程中，需新建一大型更深的截滲墻。工程中，嚴(yán)格的垂直開挖控制、新的基礎(chǔ)施工和先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為該截滲墻的精確施工和提早完工發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

之前為減小大壩滲漏壩段上的水壓，庫水位一直很低。新的截滲墻已于2013年年初完工，比計(jì)劃提前完工。新截滲墻完工后，庫水位逐漸升高，并在每個(gè)階段都對大壩性態(tài)進(jìn)行了測試。

由于昆布蘭湖（Cumberland Lake）恢復(fù)正常且當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)取得了復(fù)蘇和增長，大壩的設(shè)計(jì)單位和業(yè)主——美國陸軍工程師兵團(tuán)（United States Army Corps of Engineers，USACE）納什維爾分區(qū)——正將這一經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于中山大壩（Center Hill dam），這是其所有的另一座存在滲漏問題的大壩。

1 狼溪大壩的滲漏問題

在昆布蘭河流域，美國陸軍工程師兵團(tuán)擁有10座大壩，狼溪大壩位于拉塞爾郡，是其中最大型的建筑物之一。大壩蓄水形成昆布蘭湖，長162 km，是美國國內(nèi)第9大水庫，也是密西西比河以東最大的水庫。

狼溪大壩壩高78.6 m，是混凝土重力結(jié)構(gòu)與土石壩相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，其中土石壩段為主要壩段，長約1 201 m，其延展超過約總長度的2/3。未分區(qū)的土石壩由碾壓密實(shí)、低塑性的沖積粘土構(gòu)成。但是，大壩建于石灰?guī)r上，由于滲漏通過了大壩土石壩部分下面的石灰?guī)r基巖，狼溪大壩存在安全問題。

圖1 狼溪大壩的混凝土壩段（圖片來源：美國陸軍工程兵團(tuán)）Fig.1 Concrete section of Wolf Creek dam(Source:USACE)

狼溪大壩設(shè)計(jì)和修建于1938-1952年。美國陸軍工程師兵團(tuán)擔(dān)心的滲漏問題在壩基建設(shè)時(shí)得

到了證實(shí)，因?yàn)榭吹搅嗣黠@可見的巖溶特征。20世紀(jì)60年代末，在尾水渠中發(fā)現(xiàn)了濁流，在土石壩壩趾附近發(fā)現(xiàn)了2處滲坑，因此更加關(guān)注滲漏問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：滲漏通道在石灰?guī)r中，大壩存在局部管涌和土石填料的局部塌陷。

1968-1970年進(jìn)行的緊急灌漿止住了當(dāng)時(shí)發(fā)生的管涌，美國陸軍工程兵團(tuán)認(rèn)為“大體上可認(rèn)為是挽救了大壩”，但明確需要采取更多措施。20世紀(jì)70年代末，修建了一防滲墻，向下穿過土石壩鎖入到基巖中，這是美國陸軍工程師兵團(tuán)第一次采用該方式處理滲漏。

對該混凝土隔墻進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，防滲墻并沒能徹底解決、僅是減緩了滲漏和侵蝕問題。美國陸軍工程師兵團(tuán)表示：滲漏水“在防滲墻下面和周圍找到了新的通道”，并補(bǔ)充道：“隨著持續(xù)的溶解侵蝕，也許滲漏水是通過了墻體本身存在的缺陷。”

2004-2005年間，美國陸軍工程師兵團(tuán)正在制定風(fēng)險(xiǎn)識別安全計(jì)劃，對象是其所有的全部大壩。同時(shí)，對狼溪大壩進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，結(jié)論為：該防滲墻“并沒有足夠深入”基巖，“橫向沒有延伸得足夠遠(yuǎn)以截?cái)嗨兄饕膸r溶特征構(gòu)造”。

在美國陸軍工程師兵團(tuán)的大壩等級分類上，狼溪大壩的失事風(fēng)險(xiǎn)為最高級——大壩安全行動分類1（Dam Safety Action Class I,DSAC 1），緊急緊迫。一獨(dú)立外部同等機(jī)構(gòu)對狼溪大壩的復(fù)核結(jié)論為：大壩存在管涌失事的緊急風(fēng)險(xiǎn)。

于是，制定了計(jì)劃要修建第二道截滲墻——更深、更寬且就位于第一道截滲墻上游。為減小風(fēng)險(xiǎn)，庫水位暫時(shí)降低直到第二道截滲墻完工。庫水位保持在低于壩頂高程（220.4 m）之下13.1 m，但足以滿足水力發(fā)電的最小“發(fā)電蓄水”要求。

納什維爾分區(qū)是屬于美國陸軍工程師兵團(tuán)北美五大湖和俄亥俄河分局的一部分，其設(shè)計(jì)的新截滲墻將建于原防滲墻和狼溪土石壩心墻截水槽之間。

新截滲墻的延展將在每側(cè)都超過原有的防滲墻，左側(cè)，將連結(jié)深入到混凝土壩中、不到溢洪道處；右側(cè)，則將一直沿土石壩延伸，一直深入到壩肩中，其深度隨之逐漸減小。

總的來說，該新的截滲墻，其設(shè)計(jì)約長1 158 m、深83.8 m，深入基巖29 m，比原有防滲墻深22.9 m，而原有防滲墻的底部是變化的。

通過測量采用的三種構(gòu)造物：搭接板、咬合樁、板-樁組合，新截滲墻設(shè)計(jì)的最小厚度為610 mm。

施工控制最大的挑戰(zhàn)是在搭接或嚙合部位須一直滿足設(shè)計(jì)厚度。相比于修建第一道防滲墻時(shí)，新的深壩基工程可使用更多更先進(jìn)的施工系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析。施工和IT技術(shù)對保證迅速而嚴(yán)格的開挖控制、限制每個(gè)樁的偏離以及建造一更具整體性的阻隔建筑物來說都是至關(guān)重要的。

工程的主要承包商是Treviicos-Soletanche合資建設(shè)公司，工程始于2006年7月，計(jì)劃于2013年底完工。

2 6年的建設(shè)：逐步進(jìn)行

最初的施工工程包括建筑一個(gè)地下工作平臺，以后要通過這個(gè)平臺來開挖這道深截滲墻。該平臺將為電站留出空間且能容納一道導(dǎo)墻，用于測量控制。準(zhǔn)備工作還包括設(shè)置灌漿帷幕，截滲墻將建于其中。

美國陸軍工程師兵團(tuán)表示，基于多種原因，灌漿非常重要，灌漿有助于：在截滲墻完工之前降低風(fēng)險(xiǎn)；帷幕比截滲墻更往下深15.24 m，提供現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)；萬一沿截滲墻準(zhǔn)線有孔洞，可降低施工風(fēng)險(xiǎn)；提供另一阻隔層，或?yàn)榻貪B墻方案提供補(bǔ)充。

據(jù)美國陸軍工程師兵團(tuán)報(bào)告：“數(shù)據(jù)顯示，隨深度增加，地質(zhì)條件得到改善，肯定了截滲墻的設(shè)計(jì)深度，并且，在截滲墻建造過程中沒有在巖石中發(fā)生大的漿液流失”。

截滲墻的主體施工于2007年8月開始，開挖穿過粘土土石料并直接進(jìn)入基巖，在基巖頂部610 mm處設(shè)置一系列搭接板。這些鋼板1.83 m寬，2.8 m長，搭接至少127 mm。用混凝土導(dǎo)管澆筑混凝土，從開挖底部往上并置換泥漿護(hù)壁。

Treviicos-Soletanche合資建設(shè)公司提出將板樁墻作為最初的施工步驟，以便土石壩打開并暴露在漿液中的時(shí)間減到最少。對嚴(yán)密控制的開挖工作，承包商設(shè)計(jì)并建造了一特制的水力推動的反向旋轉(zhuǎn)刀盤位于機(jī)架中，鎖定在起重機(jī)上并由起重機(jī)懸吊于之前修好的用于測量控制的導(dǎo)墻上。開挖控制得到了來自三向測斜儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的協(xié)助，以嚴(yán)格保持垂直，并且理論上確保每塊鋼板的位置。

下一步，承包商為鉆890 mm的孔，鉆了一系列直徑為203 mm的先導(dǎo)孔，穿過了板墻深入到基巖

中。鉆孔采用Wassera水錘，它利用液壓來驅(qū)動全斷面牙輪鉆頭。這些鉆孔將用于引導(dǎo)主要的咬合樁作業(yè)，但同樣也要作為能進(jìn)行灌漿作業(yè)的勘探孔。先導(dǎo)孔開挖期間的轉(zhuǎn)向調(diào)整采用斜面鉆頭或彎曲殼體來實(shí)現(xiàn)。

為完成該截滲墻，在890 mm的孔中擴(kuò)孔，鉆設(shè)1 197個(gè)直徑為1.27 m的咬合樁以形成完整的截滲結(jié)構(gòu)。樁的鉆孔用了5個(gè)Aker Wirth反循環(huán)鉆孔鉆機(jī)，這是與Treviicos合作特別開發(fā)的，同時(shí)包括帶三向穩(wěn)定軸套的弦和帶托架的鉆頭。由于水庫和地下水附近區(qū)域禁止使用化學(xué)添加劑，因此，鉆機(jī)利用壓縮空氣來形成空氣和水的混合物作為鉆孔流體來支持剝離物的移除。

圖2 狼溪大壩新截滲墻的咬合樁Fig.2 Secant piling for new cut-off wall at Wolf Creek dam

圖3 狼溪大壩使用的Aker Wirth樁頂鉆孔鉆機(jī)（圖片來源：Aker Wirth）Fig.3 Aker Wirth pile top drill rig at Wolf Creek(Source:Aker Wirth)

由于鉆機(jī)本身沒有控制能力，其底孔裝配有長度、重量和機(jī)載測斜儀，以保持鉆孔的嚴(yán)格垂直，因?yàn)樗鼈兛梢宰粉欉@些先導(dǎo)孔。最后一根樁于2013年3月安設(shè)，比計(jì)劃提早了9個(gè)月，這歸功于持續(xù)的高效和對工作過程的改進(jìn)，雖然整個(gè)墻體加工作平臺需要超過229 370 m3的混凝土。

圖4 狼溪大壩新截滲墻最后一根樁的澆筑（圖片來源：美國陸軍工程師兵團(tuán)）Fig.4 Last pile poured for new cut-off wall at Wolf Creek dam (Source:USACE)

3 為中山大壩補(bǔ)強(qiáng)加固提供的經(jīng)驗(yàn)

狼溪大壩補(bǔ)強(qiáng)加固工程之后，美國陸軍工程師兵團(tuán)準(zhǔn)備將土石壩補(bǔ)強(qiáng)加固的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到中山大壩上。中山大壩位于田納西蘭卡斯特附近，也屬于昆布蘭流域。

圖5 中山大壩補(bǔ)強(qiáng)加固工程（圖片來源：美國陸軍工程師兵團(tuán)）Fig.5 Seepage remediation work at Center Hill dam(Source: USACE)

中山大壩補(bǔ)強(qiáng)加固工程的一個(gè)關(guān)鍵性工具（也是美國陸軍工程兵團(tuán)未來工程的關(guān)鍵性工具）是為狼溪大壩補(bǔ)強(qiáng)加固工程開發(fā)的IT系統(tǒng)。其計(jì)算技術(shù)被稱為是具有創(chuàng)新性的基于地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，可用于對施工過程和關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存儲的性態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和實(shí)現(xiàn)可視化。

狼溪信息管理系統(tǒng)（Wolf Creek Information Management System,WCIMS）歸檔管理著7 100萬份檔案，包括：所有歷史和最近的巖土信息、截滲墻的設(shè)計(jì)和施工文件、巖土儀器數(shù)據(jù)和項(xiàng)目管理信息。

在項(xiàng)目進(jìn)行期間，系統(tǒng)大容量并非其僅有的優(yōu)勢。IT系統(tǒng)可以顯著減少需要用于消化和呈現(xiàn)施工信息和數(shù)據(jù)的時(shí)間，僅需幾天。并且，在最后一根樁鉆孔完畢后的一星期內(nèi)，就完成了任務(wù)。因此，截滲墻的驗(yàn)收提前了幾個(gè)月，這都?xì)w功于IT的力量。

10月底，納什維爾分區(qū)的建筑設(shè)計(jì)和施工分部因狼溪信息管理系統(tǒng)獲得了美國陸軍工程師兵團(tuán)2013年的年度創(chuàng)新大獎。在狼溪大壩整個(gè)補(bǔ)強(qiáng)加固方案獲得深基礎(chǔ)研究所頒發(fā)的2013年杰出項(xiàng)目獎項(xiàng)后不久，IT系統(tǒng)也得到了肯定。 ■

[1]Upgrading Wolf Creek dam[N/OL].International Water Power&Dam Construction,[2014-03-18].http://www.wa?terpowermagazine.com/features/featureold wolf-new-teeth-4198576/.

New excavation and data management systems played vital roles in building a new cut-off wall at Wolf Creek dam,in Kentucky.

Wolf Creek dam;upgrading;cut-off wall;data management system

TV698.2

B

1671-1092（2014）04-0063-04

2014-04-22

崔弘毅（1983-），女，重慶人，助理工程師，主要從事大壩安全方面的研究。

Title:Upgrading Wolf Creek dam//by CUI Hong-yi and ZHOU Ke-fa//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration