美国加利福尼亚卡拉维拉斯大坝重建工程

[美国] M.弗瑞斯特 等

美国加利福尼亚卡拉维拉斯大坝重建工程

[美国] M.弗瑞斯特 等

为了恢复美国加利福尼亚卡拉维拉斯大坝水库的蓄水能力并满足抗震设计要求,将在原坝下游重建一座新坝。目前该工程正在实施中,计划于2018年年底完工。讨论了坝址地质、地震条件，以及为满足高抗震标准所开展的大坝设计。

大坝;坝设计;抗震设计

卡拉维拉斯大坝重建工程位于加利福尼亚州米尔皮塔斯东北部，紧邻原卡拉维拉斯大坝的下游。该大坝水库是旧金山公共事业局水系统的重要组成部分，自1925年建成以来，拦蓄了阿拉米达(Alameda)郡境内大约120×106m3的径流量，其蓄水量占当地公共事业用水的40%。

2001年12月，考虑到大坝在地震情况下的稳定性和安全，经加利福尼亚大坝安全局授权，旧金山公共事业局将水库的正常最高蓄水位230 m 降低到了215 m。这样，蓄水量只是最大库容的39%,结果造成了库容减少和水质降低。

为了恢复库容，计划在原坝下游重建大坝和附属建筑物，重建大坝应能抵御设计地震，最大可信地震矩震级为7.25，发震断层为卡拉维拉斯断层，距坝址457 m。最大可信地震的地面加速度峰值为1.1 g。设计标准为：发生地震时大坝不得开裂、坝顶沉降不能危害水上坝体 、关键部位(如反滤和排水)不能过度变形,同时应保证引水建筑物和溢洪道不受损且能正常运行。

1 原坝现状

大坝高64 m，坝顶长366 m,始建于1913年，采用水力充填法施工，直到1918年大坝填筑到海拔233 m。1918年3月24日，上游坝坡发生大型坍塌，滑体撞倒进水塔，并滑动到上游距坝轴线183 m处。

1923年大坝建设复工，并于1925年完工，坝顶高程237 m。滑坡体很少被挖走，在上游坝壳遗留了深厚的滑体物质;复工后填筑的坝壳堆石料较软，且工法由原来的水力充填改为碾压粘土。

20世纪70年代初对大坝进行了稳定性再评估，1974年对上、下游坝壳采用当地石料进行了加固。不过根据对大坝施工方法以及临近卡拉维拉斯断层所做的推断结果表明,当卡拉维拉斯断层发生大地震时，地面产生的强烈运动会影响大坝的安全。

2 地质调查

2.1 区域地质和卡拉维拉斯断层

卡拉维拉斯大坝水库位于东旧金山湾地质构造活动带内,该构造带内分布有几条活断层，包括卡拉维拉斯断层、海沃特断层、格林维尔断层和康科德断层。水库淹没的卡拉维拉斯峡谷的部分成因是卡拉维拉斯断层的构造活动。

卡拉维拉斯断层位于坝址以西457 m处，它是造成坝址地面强烈震动的最主要震源。沿长达128 km的卡拉维拉斯断层活动的地貌特征明显。过去200 a中的地震记录显示，该断层发生过很多中、小地震。坝址附近还分布着次级断层，包括石料场和溢洪道非活动性断层和峡谷活动断层。

2.2 坝址地质条件

对重建坝址的地质调查结果表明，由于坝址临近卡拉维拉斯断层，坝基岩体反复遭受过震动、剪切和其他构造应力的影响，地质条件非常复杂。左坝肩包括溢洪道开挖穿越的了望山大部分，特姆朗砂岩风化深厚，裂隙发育。30 m深度范围内的特姆朗砂岩渗透性强，钻孔压水试验吕荣值超过500(1吕荣约等于10-5m3/s)。30 m深度以下为微新岩体，裂隙中等发育，呈块状，渗透性较低，通常不超过20吕荣。

2012年和2013年开挖坝基时，在左坝肩发现了2个大型古滑坡体,导致左岸坡的设计变更。

右岸坝段和河床坝段基岩属于弗兰西斯复合构造，上覆崩积、滑坡堆积和冲积层等。这种复合建造岩体普遍受到构造剪应力的作用，为深灰到黑色的粘土质极软—软页岩，富含构造包裹物，如杂砂岩、蛇纹岩、硅质片岩、绿岩(变玄武岩)和蓝片岩(蓝闪石片岩和角闪片岩)。岩块从砾石般大小到直径超过30.5 m，绿岩和蓝片岩是最坚硬的岩石，在右坝肩下游构造包裹物直径可达几十英尺；杂砂岩属中硬岩—硬岩，通常以小砾石和漂石的形式出现在页岩体中；硅质片岩属软岩—硬岩，而蛇纹岩是典型极软岩。

左岸坝段特姆朗砂岩和河床坝段弗兰西斯复合构造呈不整合接触，不整合面倾向西北方向，倾角约20°～25°。

3 重建设计

根据坝基地质条件和地震条件，重建设计需要重点考虑坝型选择、左坝肩渗控、地面加速度1.1 g条件下大坝横断面、左坝肩高12.2 m重力式挡墙及原坝残留部分的大变形对进水口的潜在影响。

3.1 坝型选择

在概念设计期间，对原坝的补救方案(部分开挖和清除、扶壁支撑、石柱加固等)和重建坝型进行了深入讨论筛选。首先排除了石柱补救方案，因为与原坝内条件多变相关的影响不清楚，而且是否能通过技术实现也不确定。由于坝基岩石条件多变，下游重建采用碾压混凝土坝的方案也被放弃。其他坝型包括土坝、土石坝、混凝土面板堆石坝和沥青心墙堆石坝，也按照地震可靠性和运行情况等多项标准做了详细评估。基于筑坝材料的可靠性、高地震烈度区建坝先例和费用等，旧金山公共事业局决定在原坝下游新建土石坝。

3.2 左岸截渗方式

为了处理左坝肩强渗透性和强风化砂岩(风化深度达30 m)，考虑了4种开挖和渗控措施，包括多排帷幕灌浆、咬合桩地连墙、抽槽回填筑坝材料以及抽槽回填混凝土。

作为坝型论证的一部分，按照多项标准对渗控措施进行了研究，包括地震工况。抽槽回填筑坝材料在长期渗流工况条件下是最可靠的渗控措施，可极大限度地降低心槽中坝体材料受裂缝影响的程度，一旦产生裂缝，反滤排水体能够控制渗漏并防止管涌的发生。相比之下，多排帷幕灌浆、咬合桩防渗墙和抽槽回填混凝土均设置在中强风化、裂隙发育的砂岩中，地震期间能有效防止裂缝的影响。另外，抽槽回填筑坝材料对成本和工期的不确定性和潜在的负面影响相对较小，造价几乎是最低的，因此，左坝肩特姆朗砂岩的渗控设计最终采用该方案。

3.3 大坝断面设计

作为详细设计的一部分,新建坝的结构基于可用的建筑材料、稳定性和地震变形分析结果来确定。如图1所示，新建坝坝高67 m，坝顶高程235 m。坝顶宽24.5 m。坝顶宽度考虑了将来心墙加高的需要，将来正常供水水位271 m，相应库容要达到476×106m3。

大坝粘土心墙(1区)由上游坝壳堆石(5区)和下游坝壳填土(4区)支承，心墙和下游坝壳之间为厚4.6 m的滤管(2区)和厚3 m的排水体，心墙与上游坝壳之间为厚2.4 m的上游滤体(2A区)和厚2.4 m的粗滤体(5A区)。下游坝壳下敷设水平排水系统，两岸坝段为滤体(2区)/排水(3区)/滤体(2区)，河床坝段为滤体(2区)/排水(3区)/堆石(5区)/滤体(2A区)。为防止水浪侵蚀，对上游坝坡采取堆石(6区)防护。

滤管和排水宽度应满足计算地震作用下的下游坝坡水平位移，且应考虑今后大坝加高培厚。另外，靠近坝肩的上游滤体(2A区)上部12 m从2.4 m加宽到4.4 m，在地震时既可以阻止坝肩心墙在坝基附近裂缝向上发展，又可以防止心墙与坝基脱位。

4 稳定分析和地震变形分析

对重建坝稳定性和地震变形分析,是假定原坝及其与重建坝之间不存在任何填充物，筑坝材料的工程特性依据现场勘察取样进行室内试验确定，坝基岩石的工程特性依据实地观察结合室内试验结果确定。特姆朗砂岩是一种海相沉积的钙质胶结长石砂岩，其中夹有页岩薄层和砾岩夹层，其特性采用标准岩体工程方法确定。确定弗兰西斯复合建造的特性需考虑“块基特性”,“块基岩体”是强度较高的硬质岩块掺杂在软弱岩体基质中的一种混合岩体。确定卡拉维拉斯坝基弗兰西斯复合建造特性的方法，是采用斯科特(Scott)混凝土重力坝弗兰西斯复合建造抗剪强度确定方法。

稳定性分析包括对筑坝完成时间、长期稳定渗流、最大可能洪水、水位骤降以及地震后静态稳定性等的极限平衡分析。同时，也对大坝断面进行了分析。

地震变形分析采用了两种方法：①Newmark-type方法，采用QUAD4M给每个滑动体施加平均水平加速度；②非线性有限元法，采用FLAC计算程序。地震变形分析结果显示，在设计地震情况下，上游坝坡面附近的水平位移达到了1 m，下游的达到了0.6 m，均在设计允许范围内。设计地震引起的坝顶沉降估计小于1.2 m，小于大坝超高4.9 m。当考虑原坝和两坝间淤积物时，上游坝坡的变形量可降低50%。

5 地震对其他建筑物的影响

5.1 左坝肩重力挡墙

为避开右坝肩滑坡，将重建坝的溢洪道设在左坝肩，溢洪道开挖深度122 m。为减少溢洪道开挖土石方，设计了重力挡墙，既作为溢洪道右侧墙又作为高10.6～12.2 m的左坝肩,见图2。

溢洪道重力挡墙极限平衡稳定性分析结果显示，各种工况，包括地震荷载下的滑动及倾覆，重力墙均是稳定的。但设计地震条件下的拟静力分析表明，合力作用点位于重力挡墙基座内,但在基座核心点外。该结果说明重力挡墙有向溢洪道倾斜的可能，在心墙与挡墙接触部位造成墙基座与地基分离。尽管大坝心墙下游面受到反滤体很好的保护，反滤体与心墙的相互作用减小了心墙开裂的影响，但重力挡墙基座与地基分离产生的裂隙会形成一个通道，坝体土颗粒会沿该通道流失，而不会被下游反滤体拦截。

为了控制挡墙基座与地基分离，减小对大坝心墙完整性的潜在影响，优斯公司采用以下3种方法研究了重力挡墙在设计地震荷载下的动力特性。

(1) 利用土-结构动力相互作用分析法评价重力挡墙的潜在变形及其基座与岩石地基的分离。

(2) 在评价重力挡墙基座分离的基础上，设计约束系统，控制基座分离度。

(3) 将土-结构相互作用与约束系统结合，评估所设计的约束系统是否可达到预期效果。

选择最大断面进行了土-结构相互作用分析，动力分析采用计算机程序FLAC 5.0版。在不考虑约束系统情况下，土-结构相互作用分析结果显示，墙踵与岩基的最大分离宽度为0.06～0.12 m，其值取决于水平输入地震力的极性。

根据上述初步动力分析，重力墙踵张开度限制在2.54 cm以内所需的力矩值为4 757 kN-m,该力矩用来确定张拉单元的直径和强度。锚杆设计考虑了钢筋屈服强度、灌浆与岩石粘结失效(28 d砂浆强度27.6 MPa)、钢筋与灌浆粘结失效和岩体失稳等。约束系统由5排锚杆组成，锚杆中心间距1.5 m，长6 m，使用环氧涂层75螺纹钢，采取水泥灌浆方法将锚杆固定到直径为15.2 cm的孔中。第1、2排(最靠近溢洪道)采用14号钢筋(直径4.4 cm)，第3、4、5排采用18号钢筋(直径5.7 cm)。

设置约束系统旨在控制重力墙与地基之间可能出现的分离现象，防止土颗粒流失，土-结构相互作用分析结果证明设计满足要求，重力墙踵瞬时分离度小于1.7 cm，永久分离度0.7 cm。这些分离度在可接受范围内，当最大可信地震发生时，重力墙能保持大坝的完整性。考虑到重力墙基座和地基之间存在残余分离，设置了止水系统，防止土颗粒沿墙与地基分离裂缝流失，止水系统沿重力挡墙地基砂岩中开挖的脚槽布置。

5.2 原坝地震变形及其对取水口的影响

卡拉维拉斯新坝设计要求利用3个已有的取水口作为水库排水设施。可以想见，在强地震作用下，原坝残留坝体会发生液化，导致上游部分坝体大变形。由于原坝体中含有可液化物质，上游坝脚处滑坡堆积物靠近取水口和排水部位，而且原坝和水库靠近卡拉维拉斯断层，当断层发生大地震时，强烈的地面运动可导致取水口和排水部位堵塞。

为评价地震对取水口和排水设施的影响，曾考虑开展定量分析，但由于以下原因而未实施。

(1) 由于三维几何形状非常复杂，需要对原坝体和滑坡体物质分区，分别提出物理力学性质，存在很多的不确定性。

(2) 分析的精度很低，价值有限，为此采取定性分析方法评价，考虑了很多因素，如取水口和排水的高程以及其之间与原坝和滑坡体之间的距离、1918年滑坡体向上游的最初滑动距离、原坝上游的河谷地貌以及原坝是否会发生大变形的早期研究结果等。

根据定性分析，可以得出如下结论：

(1) 位于高程221.6 m的取水口3不可能被堵塞。

(2) 高程213 m的取水口2被堵塞的可能性很小。

(3) 高程202.25 m的取水口1被堵塞的可能性较低。

(4) 高程183.5 m的排水有可能被堵塞。

基于这些结论，最终设计方案包括在高程212 m穿越原坝的引水渠设置上游倒拱，在取水口2、3和引水渠之间设置小型堆石戗道，堆石戗道的高程218～222.5 m，其作用是阻挡变形体，避免堵塞取水口。

本文主要讨论了卡拉维拉斯大坝重建工程的设计方案，认为需要考虑最大可信地震发生时大坝可能遭遇的地面加速度峰值。目前该坝正在建设中，计划2018年年底完工。

(孟令钦 马贵生 白 耘 编译)

2014-11-23

1006-0081(2015)02-0018-04

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