美国奥姆斯特德大坝施工新技术

［美国］ B.本尼特

美国奥姆斯特德大坝施工新技术

［美国］ B.本尼特

正在施工中的美国奥姆斯特德(Olmsted)大坝工程位于俄亥俄河上，是目前由美国陆军工程师团(USACE)负责的最大一个土木工程项目。目前正在进行混凝土大坝施工，由于施工中采用了创新的“湿地施工”方法，因而不需要在繁忙的内河水道上修建围堰和导流工程。

大坝;坝施工;新技术;奥姆斯特德水电站;美国

由于工程所在河道每年承担近9 500万t货物的航运任务，货运量是美国内河航运系统中最大的，因此该工程引起了公众的关注，延误该水道上的航运就会导致商品价格上涨。工程建成后，船舶过闸时间将从现在的至少5 h(视等待过闸时间而定)缩减至1 h以内。

采用湿地施工方法仅是这项工程设计中必须满足的多项挑战之一，这是USACE替换陈旧船闸和水坝计划的一部分，其中某些船闸和水坝建于20世纪20年代。专门为该工程设想的创新项目包括:

(1)研发了起重量达5 300 t的世界上最大的门式起重机。

(2)设置特殊的灌浆垫层防止河床基础施工期被冲刷。

(3)采用实时动态GPS定位设备，利用水下挖掘机，开挖深度最大可至25.9 m深处。

(4)设计了一个传感器系统，安装在混凝土壳体底部，当混凝土坝块安放在预先设置好的基础上并在其下面浇筑水下混凝土后，传感器系统可以识别是否有空隙需用混凝土填补。

(5)设计了一个打桩模板，该模板装置使桩顺利打入河床下18.28 m深处，且误差不超过4.45 cm。

1 巨型门式起重机

在最开始的设计中，USACE的设计师们提出了雪橇板方案，即坝的主要预制部件必须利用该橇板浇筑和转运，但后来发现该设计不尽合理，于是进行了改进设计研究。研究表明，改进后的撬板将会使投资显著增加。后来URS公司提出并实施一种新方法，以替代利用撬板浇筑和转运，即使用5 100 t级的门式起重机，而且也不会增加投资。

使用的门式起重机是世界上同类型中最大的。施工中，先将固定在吊装框架上的混凝土壳体提升，然后用起重机将其运至离预制场地400 m外的河岸边，再用堪称世界之最的5 000 t级的双体驳船将其运至河中的永久安放地点。

2 灌浆铺垫

尽管河道流量很大，工程师们仍提出了一个新设想，即平整并保护河床以利稍后的预制混凝土壳体安放。除了铺垫本身，基于声纳和GPS技术，还提出了将灌浆铺垫转运至河底的似乎可能的方法。

混凝土铺垫是指长 83.8 m、厚0.13 m、宽8.23 m的混凝土垫，先将其缠卷在岸上的卷盘上，施工时展开铺设至河底以保护河床基础。整卷混凝土铺盖重约 124.575 t，直径达 4.57 m。为了覆盖整个坝底河床，共需要94卷铺垫。正因为采用了这些新技术，地基处理工程才能在混凝土壳体安放前数年完成，保证了高水位期对基础的保护。

3 技术创新

利用GPS，安装在驳船上的挖掘机(全世界仅有两台)在河床上开挖深度可达25.9 m，同时，还可以使操作人员将挖掘精度控制在5.1 cm以内。

由于受河水浊度及水深的影响，混凝土壳体安放时难以看清水下情形，然而安装精度却要求水平向误差不得超过 2.5 cm，竖直向不得超过1.27 cm。因为只有如此精确，才能确保壳体准确坐落在桩基上，并与多个主控桩和已安放的壳体配合到位。

为达到上述安装精度，URS公司联合运用了一系列先进技术，包括RTK－GPS、双轴倾斜仪、秒级全站测量机器人、3D模拟等。此外，在关键位置还安装了系泊绞盘、拉紧缆索的绞盘、液压油缸，以帮助将混凝土壳体转运到安装位置和抵抗水流作用。

为使混凝土壳体与其下的120个直径为61 cm的桩基固结成整体，需在壳体与基础间直接浇筑水下混凝土，但由于浇筑部位难以接近，因而使该项工作变得很复杂。为确保混凝土与基础之间没有空隙，设计人员在混凝土壳体底部布置了500个传感器。通过传感器向其所在区域喷气并依据仪器记录的阻力，可以判断传感器端部是处于混凝土中还是处于水中，从而确定是否需要继续灌注水下混凝土。

为能在流动的河水中将桩打入河床深达18.29 m 处，并满足误差不超过 4.45 cm，研发了打桩模板。该种创新模板可以提高施工准确性和效率，同时，利用GPS和测斜仪器，通过直接和遥感定位的手段，对桩位精度进行了测量验证。

4 施工工序

奥姆斯特德大坝施工中很重要的一个内容，是制作36个预制混凝土壳体，其中最大的一个重量超过3 500 t。壳体尺寸为 30.48 m(长) × 30.48 m(宽)×9.14 m(高)，用门式起重机将其起吊到支架上，支架布置在一个倾斜的轨道系统上，通过该系统，壳体及支架被下放到河水中。随后，用双体驳船将壳体从支架上吊起，并运送、沉放到基础上。

一旦混凝土壳体沉放就位，将对其下的环形区用混凝泵灌注水下混凝土，以确保壳体底面与基础桩基、钢筋连接成整体结构。作业包括采用湿地施工方法建造弧形闸门段和施工航道段的壳体建筑物、弧形闸门以及船闸闸门上的充水和泄水门。

利用RTK－GPS、传感器、专为该工程定制的疏浚软件以及一个无线网络，使开挖施工实现了自动化。由最多5个开挖驳船完成的所有开挖，均通过无线网络由控制中心进行监控，以保证所有挖填施工符合该工程的技术规范。同时，该无线网络受控于USACE驻工地代表处，通过它，可以将驳船准确布置在拥挤的施工场地内。

5 工程通信系统

施工期间，在适当的时间传递正确的信息，对工程顺利完成至关重要。为便于通信，施工场地布置了无线局域网络(WLAN)。工程人员在伊利诺伊岸侧修建了一座塔，以该塔为信号中继站，通过高频无线电，水中的所有工作部位、每台施工设备都能收发信号。

WLAN可以为业主、工程办公室、安全办公室、仓库、木工房、河边混凝土制作厂、混凝土壳体预制场提供电子邮件收发、基本计算、访问数据库、查询技术规范和CAD文件。

同时，WLAN还可以为安装在以下施工设备上的GPS信号接收器输送实时测量数据:

(1)开挖和打桩驳船。在河床地基处理的各个阶段，每艘船在坝基范围内的位置、方向都可以显示在驳船操作室内，甚至每台施工设备的仪器上显示的补充信息，能使操作者清楚地知道正在开挖和打桩的具体位置。

(2)双体驳船。通过操作数据的定期交换，使混凝土壳体能准确地在河中安放就位，同时相对于混凝土壳体基础(脚印)的位置、方向，船上操作室内同样可以显示船体方位和状况。

(3)两般拖船主要用来拖移定位所有的驳船，因此拖船操作人员必需知道精确的GPS实时测量位置，以便准确将驳船拖动和定位。

6 满足经济增长需要

奥姆斯特德大坝工程是USACE用于取代一些年久失修船闸和水闸计划的一部分，这些病险坝中，有些甚至是在20世纪20年代修建的。新修的奥姆斯特德坝预先考虑到了该地区以及俄亥俄河水上贸易不断发展的需求，因此，相应地，水运基础设施需要实施定期维护、更新。该工程建成后，航道水深全年可达2.74 m，从海拔216.41 m的俄亥俄州匹兹堡市到海拔82.30 m的伊利诺伊州开罗市，都能实现通航，通航总落差达134.1 m。

即将被取代的旧船闸和水坝建于1929年，其设计已明显不能适宜现代化的需求，而且受到了严重侵蚀，船舶过闸滞留时间很长，已不能满足当前的水上交通要求。新建的船闸过船效率将会较高，牵引船队过闸滞留时间较短，而航运延误最终将导致通过该水道运输的商品价格上涨。

有人预计，该工程每年将节省8亿美元的费用，并将在21世纪有力地促进该重要地区的经济增长。

郑 毅 译自英刊《水力发电与坝工建设》2011年第10期

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