沃尔夫克里克坝基础修复创新方案

［美国］F.桑提兰

沃尔夫克里克坝(又称狼溪坝)位于美国肯塔基州中南部坎伯兰河上。大坝主要功能为发电、防洪、供水及提高坎伯兰河系及周边水质效益。大坝库区亦是休闲胜地，吸引游客人数(489 万)超过黄石国家公园(287 万)。

大坝为碾压土石坝和混凝土重力坝混合结构，坝长1 748 m，基础以上最大高度79 m。大坝于1938 年开始设计，1952 年建成。

大坝下游面建有一座发电厂房，装有6 台发电机组。127 号国家公路从大坝顶部通过。当大坝形成的坎伯兰水库最大库水位232 m 时，其库容为75亿m3，是密西西比地区东部最大的水库，也是美国第九大水库。

1 面临的挑战

大坝及水库均位于严重的岩溶基岩上，且发现石灰岩床下有较大岩溶空洞。

1968 年，发现尾水渠有浑水流出，土坝下游坝趾附近出现两个陷坑，这表明水库出现严重渗漏问题。经地质调查后查明坝址所在地属岩溶地质，其特点是石灰岩坝基中有一个范围广泛的相互连通的岩溶渠道网络，是造成渗漏的主要原因。另外，岩溶注浆填充材料发生管涌、大坝覆盖层及土堤塌陷也是造成大坝渗漏的原因。

为解决渗漏问题，美国陆军工程师兵团(USACE)起草了一份“主要修复报告”，对几个提高大坝长期稳定性的方案进行了评估。根据该报告中的分析，推荐运用现代技术新筑一道混凝土地下连续防渗隔墙，以提高防渗效果。新墙将从紧靠最右端混凝土坝段的上游面开始，并一直延伸到右坝肩，比原防渗墙长503 m，且新墙深度均超过老墙最深段，大部分要比老墙深23 m。

2007 年1 月底，USACE 将该坝定为“高破坏风险”项目，并启动了一项总资金为5.84亿美元的修复计划，以使大坝恢复正常运行。修复工程施工期间，水库水位高程始终保持在207 m，比最大库容时的水位低27 m，且该水位一直保持到施工结束为止。该修复工程低水位施工给当地经济造成了巨大影响。

2 解决方案

2008 年，特雷维科－法国地基合资公司(TSJV)签订了总价值为3.41亿美元的主合同。该合资公司由下列两家公司组成:一家是总部设在美国马萨诸塞州波士顿的美国特雷维科公司，该公司为全球最大的地基承建商之一特雷维集团旗下子公司;另一家是法国地基建筑公司(Soletanche Bachy)，该公司为全球最大主承建商之一的达芬奇集团旗下子公司。

合同内容为建筑总面积达91 045 m2的混凝土地下连续墙。目前正在施工的大部分地下连续墙最小厚度为0.6 m，最大深度达84 m。施工采用创新技术，适合于变化的地质条件，诸如岩石强度变化范围可从89.6～248.2 MPa，岩土混合条件下非岩厚度可达12.2 m。

连续墙施工需要运用5 种地基技术:钻孔与灌浆、在土坝和石方中用双轮反循环钻孔开挖、定向钻进、螺旋钻进及反循环钻进。这5 种施工工作同时进行，并严格遵守对墙体垂直度、各单元之间距离、强度以及尺寸等的要求。为保证地下连续墙质量达到设计要求，使需要的修复工作量最低，对质量管理水平提出了较高要求。即地下连续墙的主要性能指标应满足以下规范要求:最小墙体厚度应达到0.61 m，最小各单塔接距离应为0.15 m，混凝土强度应达到13.79 MPa，渗透率则应达到1.3 × 10－5cm/s。

除此之外，墙体最大深度需达到84 m，且垂直度偏差必须控制在0.15%以内。

就施工顺序而言，在地下连续墙动工前，需对基岩进行帷幕灌浆。灌浆深度为岩面下1.5 m至墙基下15 m，渗流封闭标准达到3.9 ×10－5～13 ×10－5cm/s，且灌浆施工与地下连续墙施工最少应保持161 m 的距离。另外，根据地质情况，设置危险施工区，若地下连续墙单元位于坝体4 个“关键区域”内，则各单元同时开挖的间隔应大于或等于27 m，非关键区域同时开挖施工间隔至少应为12 m。无论墙体施工区域如何划分，进行墙体施都应特别小心，以防止大坝损毁。

已浇筑混凝土单元槽段的无侧限抗压强度至少应达到6.9 MPa后，才能进行附近新单元槽段的开挖。当混凝土浇筑单元的抗侧强度达到13.8 MPa后，相邻新挖单元才能进行开挖施工。

最后进行取心检测，以检验墙体质量，包括单元中心取心及接头取心;用于确定墙体渗透率的压水试验;采用电视成像技术确定薄弱区及混凝土强度。地下连续墙至少有25%的单元或接头需进行取心检测，以保证墙体满足性能要求。

3 施工顺序

为严格执行承包协议书中的施工规范，TSJV 采用创新技术，分准备阶段和施工阶段进行施工。

施工前，TSJV 所采用的地下连续墙施工技术成功通过了两项技术试验，为该公司及该地区带来更多收益。同时，该试验可为受控环境中的任何项目建立学习曲线，并增强了将这些技术应用于此项项目的信心。

3.1 准备阶段

为最大限度地减轻对大坝的损害，地下连续墙施工准备阶段又可分为3 个步骤:①基础灌浆，根据合同要求，采用钻孔和高流动性灌浆料灌浆的办法处理1.5 m以下的岩石基础，而土坝坝底与岩石之间的界面则采用局部化的低流动性灌浆料灌浆;②利用双轮反循环钻机修筑一道厚1.8 m的混凝土保护墙(PCEW)，墙体高度为施工平台顶部到岩石顶面的距离;③给定区域保护墙完成后，采用直径为20 cm 定向钻开始先导孔施工，从施工平台穿过PECW 直达岩层深86 m 处。钻先导孔旨在对岩面以下的岩土条件进行补充勘探，以便在地下连续墙施工前对存在问题的区域进行补充处理。同时，引导咬合桩施工只出现有限且可控制的偏差，这些咬合桩是形成连续防渗墙的施工组件。

准备阶段完工后即开始地下连续防渗隔墙施工阶段。

3.2 地下连续防渗隔墙施工阶段

定向钻进的先导孔施工是地下连续防渗隔墙准备与施工的基本部分。

在先导孔施工过程中，当钻进深度达到86 m时，60%的单元槽段从原定最大偏差指标21 cm 明显提高5～7 cm，取得较大进展，解决了定向钻施工中的钻孔偏斜的问题，无需进行修补。在TSJV 完成70%单元槽段(几乎达900 个)的施工中，仅使用了2 个补救桩，且均出现在施工之初。

某一区段内定向钻进的先导孔完成后，即利用反循环钻机(RCD)对直径为127 cm 的钻孔咬合桩进行预钻，随后利用护筒(stinger)进行扩孔。该技术的优势是先导孔可以引导钻机。一旦先导孔完成，就能确定咬合桩的方位，从而使得地下连续防渗隔墙需要浇注的槽段单元满足施工要求。因此，如果先导孔完工后，孔形不能满足要求，也可重新钻一个先导孔，而不会浪费过多的时间及资金。施工中仅有少数情况下，会在最后20～30m 出现超过合同规定的误差。且在此情况下，TSJV 可通过反循环钻进技术将咬合桩施工较好地控制在允许的误差范围内。

桩孔开挖完成后，开始浇筑混凝土，建造咬合桩需按主次顺序。

地下连续墙某些墙段使用了另一种施工方法。该方法为“地下连续防渗隔墙组合工法”(Combined Barrier Wall Method)，系反循环钻孔桩与双轮铣成槽墙板的联合施工方法。

该方法的优势在于用两个127 cm 的反循环钻孔灌注桩和一块2.8 m的墙板可覆盖5 个咬合桩的成墙范围，既可节约材料，又减少了接缝。在岩石强度超过206.8 MPa，墙槽深度超过61 m 的地层，该工法较为成功，但需权衡考虑时间及成本。

另外，造孔废弃物和水处理也是该项目内的一项计划。TSJV 建立了相应的处理系统，每周可处理和排除废水110 万L，固体废弃物2 293 m3。

4 质量控制体系

为克服项目工期紧、合同要求高、施工工序严格等困难，TSJV 制定了一系列质量管理综合计划，可对地下连续防渗隔墙施工中每个阶段进行详细的质量控制。TSJV 每天完成的质量控制任务超过350个。

大量质量控制任务的有效执行、建立文档、资料汇编和更新，以及增强质量控制部门的重要性，使其在整个质量管理结构中占有极其重要的地位。如果从项目开始就获得较高质量，就无不需进行任何修补，那么质量控制的投入也就获得了相应回报。

TSJV 的质量控制小组和该地区的质量保证小组之间的互动已成为沃尔夫克里克坝地下连续防渗隔墙现场施工质量控制及保证体系的一个显著特点。

另一个显著特征是运用3D 数据管理系统对日常的海量信息进行处理，简化了工程验收前的最终质量评价工作。

TSJV 采取了精细的现场质量控制系统，使地下连续防渗隔墙施工能连续大幅超过合同规定的性能要求。

5 结 语

沃尔夫克里克坝基础修复工程目前已完成78%的施工量，该项目是坝基修复中工程范围最广、施工最复杂的项目之一。另外，针对施工技术、质量控制和保证程序以及已完成的工程检查和最后验收等工作，目前TSJV 正与纳什维尔地区紧密合作，制定新的行业标准。