美国狼溪坝改造工程

2014-04-07 03:33P.

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狼溪坝(又称沃尔夫克里坝)位于美国肯塔基州，在其新防渗墙建设中，所采用的新的开挖方式和数据管理系统起到了关键作用。

该坝为“高破坏风险”项目，新建的防渗墙比原有防渗墙规模更大、更深。在建设过程中，严格的垂直开挖施工标准、新的基础施工场地以及先进的数据管理系统，共同确保了防渗墙的精确施工和提前完工。

为减小渗漏坝段的压力，库水位一直保持在低水位运行。2012年上半年，防渗墙施工提前完成后，库水位持续上升，对大坝各水位阶段的状况均进行过试验。

随着坎伯兰湖恢复正常，当地经济复苏，大坝的设计者和拥有者——纳什维尔区美国陆军工程师团(USACE)将经验引入到另一座出现渗流的中心山(Center Hill)大坝的修建改造工程中。

1 大坝渗流问题

USACE在坎伯兰流域共有10座大坝，位于拉塞尔县的狼溪坝是其中最大的一座。大坝拦蓄了长为162 km的坎伯兰湖湖水，是美国第九大水库，也是密西西比河东部最大的水库。

大坝高为 78.6 m，为混凝土重力坝和土坝的混合结构，坝顶总长约1 201 m，土坝段约占整个坝长的2/3。土坝材料主要由低塑性的密实冲积粘土构成，但大坝修建在石灰岩上，土坝段的石灰岩基岩渗漏已经引起大坝的安全问题。

由于可见的岩溶地貌，渗流问题在基础建设期间就已引起关注。

狼溪坝1938年开始设计，1952年建成。USACE表示，由于具有明显的岩溶特性，渗流问题在工程基础施工时期就已引起关注。在20世纪60年代晚期，发现尾水渠有浑水流出，坝趾附近出现两处陷坑，这样就增加了对渗流问题的关注。调查发现，石灰岩中存在着溶蚀通道，土坝段也出现了局部管涌和坍塌。

1968～1970年间进行了紧急灌浆处理，暂时阻止了管涌。USACE认为这样使大坝得到了拯救，但同时承认需要做更多的工作。20世纪70年代晚期，USACE为其建造了首座连续墙。

对连续墙状况的监测显示，渗流和侵蚀现象减缓，但并未完全停止。UASCE表示由于溶蚀现象并未停止，固此“渗流通过墙底和墙周找到了新的通道，也许是墙本身存在缺陷”。

2004～2005年间,对大坝状况作了进一步研究，同时USACE也在开展风险信息安全项目，以对其所有的大坝安全进行了监控。结果表明，连续墙在基岩中的深度不够，横向上也没有覆盖到所有主要的岩溶地貌。

破坏风险达到了USACE的最高紧急程度，也就是说，大坝安全行为级别1(DSAC1)，极有可能发生管涌破坏。

第2座更深更宽的防渗墙建设计划在第1座防渗墙的上游立即开始实施。防渗墙建设完工前，采取了暂时降低库水位以减少风险的措施。水位保持在坝顶高程(220.4 m)13.1 m以下，仍足够维持最小发电的需求。

USACE纳什维尔区属于大湖区及俄亥俄河流分部。该区兵团设计了新的防渗墙，位于原有的防渗墙和大坝心墙截水槽之间。

新的防渗墙在两侧的尺寸都超过了原有的防渗墙。新墙从左侧接入混凝土坝，右侧沿着整个土坝段，一直延伸至右坝肩，其深度呈梯形递减。

新墙设计总长约为1 158 m ，深度为 83.8 m，深入基岩为29 m ，超过老墙最深段近 22.9 m。

在所采用的3种施工方式(重叠面板/咬合桩/面板-桩组合)中，所测量的新墙最小设计厚度为610 mm。

在重叠段和咬合段，为达到设计厚度，施工面临着巨大的挑战。与第1座防渗墙施工相比，新的基础施工采用了更先进的施工系统以及数据监测分析系统。所采用的施工技术和IT技术保证了快速严格的开挖得到控制，限制了桩的偏移，以建立更加稳固的隔离防渗墙。

工程的主要承包商为特雷维科-法国地基公司(TSJV)。工程于2006～2007年进行施工，于2013年下半年完成。

初期施工包括建设一座施工开挖平台，以便为施工工地提供场所，并支撑住用于勘探控制的导墙。施工准备工作还包括在防渗墙两边实施灌浆帷幕工程。

USACE认为，灌浆可在防渗墙建设前减少风险，帷幕深度比防渗墙深度还要深 15.24 m，可提供现场调查数据；若墙壁走向出现空隙，可减少施工风险；还可为防渗墙提供一层额外的屏障。

数据显示，地质条件沿深度越来越好，证明防渗墙设计深度是可行的。同时，施工期间并未出现浆液流失情况。

防渗墙主体工程施工开始于2007～2008年，穿过粘土坝段并嵌入基岩顶部以下610 mm 。面板宽为1.83 m，长为 2.8 m，相互重叠至少为127 mm 。从开挖底部开始，通过导管进行混凝土浇筑。

承包商建议将防渗板墙作为初期施工步骤，以减少土堤开挖的时间。此外还设计并建造了一座特殊的反向旋转钻机，该钻机由预先建造的导墙上方的吊机挂起。采用3个双轴倾斜计采集的实时数据，来对施工进行辅助控制，以确保根据其垂直方向及理论位置进行开挖。

随后采用Wassera水锤进行直径为203 mm 的先导孔施工，使用液压驱动全断面钻头，穿过面板墙深入到基岩中。先导孔旨在引导咬合桩施工，同时也可作为灌浆施工的勘测孔。先导孔开挖采用斜面钻头或弯壳体进行转向调整。

先导孔施工完成后，采用特雷维科公司特制的5架反循环钻机(RCD)对直径为1.27 m的咬合桩进行钻孔。该反循环钻机钻柱有3重固定钻环，钻头带有护筒。由于靠近水库及地下水，固此没有使用化学助剂，而是利用压缩空气形成的水气混合体作为钻孔冲洗液来清除废弃物。

当钻机不具备转向能力时，其底部钻孔组合及测斜仪能跟踪先导孔施工，并严格保持钻孔的垂直度。尽管整个防渗墙以及施工平台增加了229,370 m3的混凝土量，但由于不断提高效率及改进工作流程，最后一根桩得以于2013年3月安装完毕，比原定时间提前了约9个月。

狼溪坝的改造施工完成后，USACE把经验应用到中心山大坝的土坝修复中。该坝同样也位于坎伯兰流域，距田纳西兰卡斯特不远。

为修复狼溪坝而开发的IT系统，成为中心山大坝修复工程和USACE未来其他工程的一项重要工具。该创新性的IT系统基于GIS建立，可对施工和表现数据进行可视化管理，数据存储在关系数据库中。

狼溪坝信息管理系统(WCIMS)收集并管理了7 100万份文件，包括所有过去和近期的地质信息、防渗设计和施工文件、土工仪器设备数据以及项目管理信息。

该IT系统的优势并不仅仅体现在施工过程中，而且它还能将施工信息和数据的处理以及呈现时间显著缩短至2 d，此外还可以在打进最后一根桩后的一周内完成。因此，防渗墙能够提前数月完成，完全归功于IT系统。