圣维森特坝加高工程设计施工

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1 概 述

目前，美国圣维森特(San Vicente)坝加高项目即将完工。

美国加州的圣地亚哥县约80%的饮用水依靠引进，是由加州北部的旧金山湾三角洲和东部的科罗拉多河供水。在发生自然灾害，比如极端干旱或地震时，圣地亚哥及其周边社区的基本供水可能会被切断。

为了解决这一问题，并增加区域关键应急蓄水，圣地亚哥县水务局着手加高已有70 a坝龄的圣维森特坝，从67 m加高到102.7 m，将增加1.87亿m3的蓄水容量。大坝加高后水库将提供正常供水，另有应急蓄水功能。在雨季，将多余的水储存起来，供干旱年份使用。

圣维森特坝加高是水务局15亿美元应急蓄水工程(ESP)的最大项目，该工程主要包括水库、管道和泵站。当圣地亚哥地区从外地引入的供水中断时，该工程即可为该地区供水。ESP已经进行了超过10 a，一旦完建，将增加圣地亚哥的水库容量并扩大现有的输水和配水能力，并可提供长达6个月的应急供水。

2013年底大坝加高部分工程建设完成。在2015年和2017年之间，当相关的工地项目的各期工程都完成，并在可获得外部输入水的基础上，圣维森特水库将重新提供娱乐使用。当水库蓄满水时，可提供30万户家庭1 a的用水量。

2 碾压混凝土方案

圣维森特坝是混凝土重力坝，位于加利福尼亚的圣地亚哥以西，始建于1941年至1943年，以满足该地区不断增长的人口的需求。在过去的70 a中，圣地亚哥县的人口已经从约50万增加到了310万。自该坝修建运行至今，已超过70 a，圣地亚哥地区的持续发展，意味着原来建的坝确实需要改扩建了。

作为应急蓄水工程整体的一部分，2006年，水务局选定科罗拉多州美华集团为圣维森特坝加高项目最终的设计和工程施工提供咨询。工作范围包括采石场的设计、施工支护设计、工程造价和成本估算。工程施工分为几个不同的分包项目来实施，包括采石场和碾压混凝土(RCC)混合料试验(分包1)、基础开挖(分包2)、碾压混凝土坝施工(分包3)。当项目主要组成部分的设计完成后，在多个分包的情况下，有些施工工作就可以开始。水务局聘请博莱克·威奇和帕森斯联营体，为大坝加高施工管理提供服务。

全球环境研究所(GEI)顾问公司领导的早期策划团队，选择采用碾压混凝土的方案来将现有的坝加高35.7 m。

对圣维森特坝坝加高施工，碾压混凝土的方法有着明显优势。最终的设计团队优化了现场骨料的利用以降低成本，并开发紧密结合原坝体结构物理性能的混凝土混合料。广泛测试了现有大坝的材料，以及分包1的新的大坝碾压混凝土材料，结果都证实了正常和极端的地震条件下预期的结构性能。

由于可就近开采岩石，碾压混凝土是最具吸引力的选择。通过使用这种方法，碾压混凝土90%的主要成分，是利用从不远处环绕供水及娱乐用的旧码头的山坡上开采的岩石在现场制作的。这种利用现场资源，有助于避免超过10万车次送料卡车通过当地的湖滨社区。

碾压混凝土具有与普通混凝土相同的基本成分，但由于其不同的配合比，形成了一种更干的、零坍落度的混合料。普通混凝土更昂贵和耗时，因为混凝土是劳动密集型活动，浇筑混凝土消耗的工时比率高，如混凝土面部成形、接缝的制备、用振捣器振实混凝土。另一方面，碾压混凝土提供了一个较低的工时和混凝土体积之比，由于可用机械设备来传送和压实混合物，从而可以减少立模和接缝的清理工作。

加州大坝安全委员会对此比较满意，因为这种方法在5 a以前已成功应用于在圣地亚哥县内新建设的奥利文海恩(Olivenhain)坝。该坝是水务局增加圣地亚哥地区蓄水容量计划中首批项目中的一个项目，2005年完成。美国美华集团(MWH Global)也是将其设计为碾压混凝土坝。奥利文海恩坝和水库项目被国际大坝委员会(ICOLD) 公认为是1980年到2010年的30 a间，现代碾压混凝土大坝的一个里程碑项目。它还达到了平均月浇筑速率为121 896 m3和最大月浇筑速率为224 675 m3、成为世界碾压混凝土浇筑最快的前4名。RCC总体积为107万m3。

奥利文海恩坝设计和施工许多经验教训已被应用在圣维森特坝，以保证业主的整体利益，包括选择采用碾压混凝土的方法加高大坝、建设分包方法，以及采用现场采石场和拌和厂的方法，用以生产骨料和碾压混凝土。

在经过规划和最终设计阶段以后，加高圣维森特坝的施工工作于2009年夏季开始。第一阶段的施工(分包2)始于基础开挖，其中还包括拆除原坝下游侧的混凝土，直接在新老大坝之间建立一个高强度的混凝土粘结面。采用高压水喷射拆除，以确保对现有大坝上保留的混凝土不造成结构损伤。原坝会露出一个坚实、不规则的骨料表面，这样新的碾压混凝土就可以与之强力粘结。基础开挖施工采用控制爆破来清除表层材料，以达到的合格坚硬岩石为限。此外，坝的安全部门还要求在本分包中，在现有的坝中开凿一条直径为3 m的隧道，为建立低位泄水孔系统作结构准备，用于紧急情况时放空水库，这项工作并未包含在坝的原来施工任务中。

现有的娱乐码头区被改造成一个大型采石作业区，与碾压混凝土拌和厂结合成一个整体。碾压混凝土材料被运送到不远的坝上，浇筑在现有坝的下游侧，直到现有坝的坝顶，然后继续向上浇筑，将大坝加高35.7 m。零坍落度的碾压混凝土材料通过输送机运送，然后用卡车和推土机铺筑。RCC材料按一定厚度的水平层成阶梯状浇筑在大坝的下游坡上。2011年9月，开始浇筑坝加高基础的第一层混凝土，2012年5月，迅速浇筑到原有坝的坝高，2012年9月达到最终坝高。

最终，碾压混凝土设计方案中，指定使用从坝的上游取料坑中获得的原始混凝土材料，以便与原坝建设用的骨料材料特性相匹配。一旦坝加高工程完工，该坝的新、老两部分混凝土坝体将共同在正常和极端条件下，作为一个单一的整体结构发挥作用。每日的实验室材料试验证实，每批混凝土都达到了强度和性能规范方面的要求。特别是从热学特性的角度来看，这是一个相当大的优势，不仅因为碾压混凝土的骨料功能与坝材料的热学特性是最佳匹配，而且岩石也很容易通过爆破方法而从砾岩地层中开掘出来。

2012年9月，大坝的加高施工已达到其最终高度102.7 m，这标志着它是美国用RCC加高,且加高工程量最大的混凝土坝，同时，也是世界上使用碾压混凝土加高，且加高部分最高的混凝土坝。

尽管圣维森特坝使用的是成本较低的碾压混凝土，但必须就控制碾压混凝土材料成本的条件对每个坝段的浇筑现场进行评估。这些条件如下：

(1) 粗、细骨料的可用性；

(2) 混凝土坝基岩合适的强度；

(3) 可能会导致过度不均匀沉降的局部断裂或不同的基础条件。

3 环境方面

正如对待许多水利基础设施项目一样，工程师需要考虑加高大坝的环境问题及隐含的各个方面。

作为圣维森特项目一部分而评价的环境问题，包括清洁空气、水和一些濒危物种。工程师按照批准的许可证和地方法规要求，提供严格的项目规范来控制水和空气污染。加州沿海的蚋莺(gnatcatcher)是在加州南部发现的，且目前被美国渔业与野生动物局列为濒危物种的一种食虫鸣禽，已在圣维森特坝址附近安家。水务局和承包商通过与所有地面施工和维修作业方进行协调，对这些敏感的物种提供保护。

为了最大限度地减少采石场作业对项目现场环境的影响，坝的上游未来水库位置的取土坑和采石场塘区已被开发。采石场作业产生的废料被用来开发填充新的大规模停车场和坝的上游船用坡道，以避免因废物处置和为获取需要的填筑料进行新的开挖导致的额外成本。这种策略使施工工地挖填方达到平衡，并使运料卡车通过当地社区的车次减到最少。

4 后期阶段

修建一个新的休闲码头和更换圣地亚哥市的管道等其他工作，将一直持续到2015年。尽管在工程施工过程中，水库仍然一直保持对商业客户开放，但自2008年以来，该水库已停止供娱乐使用。码头建成后，必须补充约0.6亿m3的水到水库中，以便向公众开放。

圣维森特坝加高工程将使该水库处原来码头设施的规模增大1倍以上，这是当地水上运动爱好者的热门目的地。由于现有码头将被扩容后的水库水位淹没，因此，还将兴建一条有6个行船道的船用坡道、新的码头，增设停车位，以及新建服务大楼、野餐桌和遮阳建筑物等。

碾压混凝土施工方法是加高圣维森特坝的一个既高效、又经济的方法，使圣维森特坝在满足该地区的应急蓄水需要方面发挥了重要作用。