美國奧姆斯特德大壩施工新技術(shù)

［美國］ B.本尼特

美國奧姆斯特德大壩施工新技術(shù)

［美國］ B.本尼特

正在施工中的美國奧姆斯特德(Olmsted)大壩工程位于俄亥俄河上，是目前由美國陸軍工程師團(tuán)(USACE)負(fù)責(zé)的最大一個(gè)土木工程項(xiàng)目。目前正在進(jìn)行混凝土大壩施工，由于施工中采用了創(chuàng)新的“濕地施工”方法，因而不需要在繁忙的內(nèi)河水道上修建圍堰和導(dǎo)流工程。

大壩;壩施工;新技術(shù);奧姆斯特德水電站;美國

由于工程所在河道每年承擔(dān)近9 500萬t貨物的航運(yùn)任務(wù)，貨運(yùn)量是美國內(nèi)河航運(yùn)系統(tǒng)中最大的，因此該工程引起了公眾的關(guān)注，延誤該水道上的航運(yùn)就會(huì)導(dǎo)致商品價(jià)格上漲。工程建成后，船舶過閘時(shí)間將從現(xiàn)在的至少5 h(視等待過閘時(shí)間而定)縮減至1 h以內(nèi)。

采用濕地施工方法僅是這項(xiàng)工程設(shè)計(jì)中必須滿足的多項(xiàng)挑戰(zhàn)之一，這是USACE替換陳舊船閘和水壩計(jì)劃的一部分，其中某些船閘和水壩建于20世紀(jì)20年代。專門為該工程設(shè)想的創(chuàng)新項(xiàng)目包括:

(1)研發(fā)了起重量達(dá)5 300 t的世界上最大的門式起重機(jī)。

(2)設(shè)置特殊的灌漿墊層防止河床基礎(chǔ)施工期被沖刷。

(3)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS定位設(shè)備，利用水下挖掘機(jī)，開挖深度最大可至25.9 m深處。

(4)設(shè)計(jì)了一個(gè)傳感器系統(tǒng)，安裝在混凝土殼體底部，當(dāng)混凝土壩塊安放在預(yù)先設(shè)置好的基礎(chǔ)上并在其下面澆筑水下混凝土后，傳感器系統(tǒng)可以識(shí)別是否有空隙需用混凝土填補(bǔ)。

(5)設(shè)計(jì)了一個(gè)打樁模板，該模板裝置使樁順利打入河床下18.28 m深處，且誤差不超過4.45 cm。

1 巨型門式起重機(jī)

在最開始的設(shè)計(jì)中，USACE的設(shè)計(jì)師們提出了雪橇板方案，即壩的主要預(yù)制部件必須利用該橇板澆筑和轉(zhuǎn)運(yùn)，但后來發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)不盡合理，于是進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)研究。研究表明，改進(jìn)后的撬板將會(huì)使投資顯著增加。后來URS公司提出并實(shí)施一種新方法，以替代利用撬板澆筑和轉(zhuǎn)運(yùn)，即使用5 100 t級(jí)的門式起重機(jī)，而且也不會(huì)增加投資。

使用的門式起重機(jī)是世界上同類型中最大的。施工中，先將固定在吊裝框架上的混凝土殼體提升，然后用起重機(jī)將其運(yùn)至離預(yù)制場(chǎng)地400 m外的河岸邊，再用堪稱世界之最的5 000 t級(jí)的雙體駁船將其運(yùn)至河中的永久安放地點(diǎn)。

2 灌漿鋪墊

盡管河道流量很大，工程師們?nèi)蕴岢隽艘粋€(gè)新設(shè)想，即平整并保護(hù)河床以利稍后的預(yù)制混凝土殼體安放。除了鋪墊本身，基于聲納和GPS技術(shù)，還提出了將灌漿鋪墊轉(zhuǎn)運(yùn)至河底的似乎可能的方法。

混凝土鋪墊是指長 83.8 m、厚0.13 m、寬8.23 m的混凝土墊，先將其纏卷在岸上的卷盤上，施工時(shí)展開鋪設(shè)至河底以保護(hù)河床基礎(chǔ)。整卷混凝土鋪蓋重約 124.575 t，直徑達(dá) 4.57 m。為了覆蓋整個(gè)壩底河床，共需要94卷鋪墊。正因?yàn)椴捎昧诉@些新技術(shù)，地基處理工程才能在混凝土殼體安放前數(shù)年完成，保證了高水位期對(duì)基礎(chǔ)的保護(hù)。

3 技術(shù)創(chuàng)新

利用GPS，安裝在駁船上的挖掘機(jī)(全世界僅有兩臺(tái))在河床上開挖深度可達(dá)25.9 m，同時(shí)，還可以使操作人員將挖掘精度控制在5.1 cm以內(nèi)。

由于受河水濁度及水深的影響，混凝土殼體安放時(shí)難以看清水下情形，然而安裝精度卻要求水平向誤差不得超過 2.5 cm，豎直向不得超過1.27 cm。因?yàn)橹挥腥绱司_，才能確保殼體準(zhǔn)確坐落在樁基上，并與多個(gè)主控樁和已安放的殼體配合到位。

為達(dá)到上述安裝精度，URS公司聯(lián)合運(yùn)用了一系列先進(jìn)技術(shù)，包括RTK－GPS、雙軸傾斜儀、秒級(jí)全站測(cè)量機(jī)器人、3D模擬等。此外，在關(guān)鍵位置還安裝了系泊絞盤、拉緊纜索的絞盤、液壓油缸，以幫助將混凝土殼體轉(zhuǎn)運(yùn)到安裝位置和抵抗水流作用。

為使混凝土殼體與其下的120個(gè)直徑為61 cm的樁基固結(jié)成整體，需在殼體與基礎(chǔ)間直接澆筑水下混凝土，但由于澆筑部位難以接近，因而使該項(xiàng)工作變得很復(fù)雜。為確?；炷僚c基礎(chǔ)之間沒有空隙，設(shè)計(jì)人員在混凝土殼體底部布置了500個(gè)傳感器。通過傳感器向其所在區(qū)域噴氣并依據(jù)儀器記錄的阻力，可以判斷傳感器端部是處于混凝土中還是處于水中，從而確定是否需要繼續(xù)灌注水下混凝土。

為能在流動(dòng)的河水中將樁打入河床深達(dá)18.29 m 處，并滿足誤差不超過 4.45 cm，研發(fā)了打樁模板。該種創(chuàng)新模板可以提高施工準(zhǔn)確性和效率，同時(shí)，利用GPS和測(cè)斜儀器，通過直接和遙感定位的手段，對(duì)樁位精度進(jìn)行了測(cè)量驗(yàn)證。

4 施工工序

奧姆斯特德大壩施工中很重要的一個(gè)內(nèi)容，是制作36個(gè)預(yù)制混凝土殼體，其中最大的一個(gè)重量超過3 500 t。殼體尺寸為 30.48 m(長) × 30.48 m(寬)×9.14 m(高)，用門式起重機(jī)將其起吊到支架上，支架布置在一個(gè)傾斜的軌道系統(tǒng)上，通過該系統(tǒng)，殼體及支架被下放到河水中。隨后，用雙體駁船將殼體從支架上吊起，并運(yùn)送、沉放到基礎(chǔ)上。

一旦混凝土殼體沉放就位，將對(duì)其下的環(huán)形區(qū)用混凝泵灌注水下混凝土，以確保殼體底面與基礎(chǔ)樁基、鋼筋連接成整體結(jié)構(gòu)。作業(yè)包括采用濕地施工方法建造弧形閘門段和施工航道段的殼體建筑物、弧形閘門以及船閘閘門上的充水和泄水門。

利用RTK－GPS、傳感器、專為該工程定制的疏浚軟件以及一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，使開挖施工實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。由最多5個(gè)開挖駁船完成的所有開挖，均通過無線網(wǎng)絡(luò)由控制中心進(jìn)行監(jiān)控，以保證所有挖填施工符合該工程的技術(shù)規(guī)范。同時(shí)，該無線網(wǎng)絡(luò)受控于USACE駐工地代表處，通過它，可以將駁船準(zhǔn)確布置在擁擠的施工場(chǎng)地內(nèi)。

5 工程通信系統(tǒng)

施工期間，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間傳遞正確的信息，對(duì)工程順利完成至關(guān)重要。為便于通信，施工場(chǎng)地布置了無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)。工程人員在伊利諾伊岸側(cè)修建了一座塔，以該塔為信號(hào)中繼站，通過高頻無線電，水中的所有工作部位、每臺(tái)施工設(shè)備都能收發(fā)信號(hào)。

WLAN可以為業(yè)主、工程辦公室、安全辦公室、倉庫、木工房、河邊混凝土制作廠、混凝土殼體預(yù)制場(chǎng)提供電子郵件收發(fā)、基本計(jì)算、訪問數(shù)據(jù)庫、查詢技術(shù)規(guī)范和CAD文件。

同時(shí)，WLAN還可以為安裝在以下施工設(shè)備上的GPS信號(hào)接收器輸送實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù):

(1)開挖和打樁駁船。在河床地基處理的各個(gè)階段，每艘船在壩基范圍內(nèi)的位置、方向都可以顯示在駁船操作室內(nèi)，甚至每臺(tái)施工設(shè)備的儀器上顯示的補(bǔ)充信息，能使操作者清楚地知道正在開挖和打樁的具體位置。

(2)雙體駁船。通過操作數(shù)據(jù)的定期交換，使混凝土殼體能準(zhǔn)確地在河中安放就位，同時(shí)相對(duì)于混凝土殼體基礎(chǔ)(腳印)的位置、方向，船上操作室內(nèi)同樣可以顯示船體方位和狀況。

(3)兩般拖船主要用來拖移定位所有的駁船，因此拖船操作人員必需知道精確的GPS實(shí)時(shí)測(cè)量位置，以便準(zhǔn)確將駁船拖動(dòng)和定位。

6 滿足經(jīng)濟(jì)增長需要

奧姆斯特德大壩工程是USACE用于取代一些年久失修船閘和水閘計(jì)劃的一部分，這些病險(xiǎn)壩中，有些甚至是在20世紀(jì)20年代修建的。新修的奧姆斯特德壩預(yù)先考慮到了該地區(qū)以及俄亥俄河水上貿(mào)易不斷發(fā)展的需求，因此，相應(yīng)地，水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施需要實(shí)施定期維護(hù)、更新。該工程建成后，航道水深全年可達(dá)2.74 m，從海拔216.41 m的俄亥俄州匹茲堡市到海拔82.30 m的伊利諾伊州開羅市，都能實(shí)現(xiàn)通航，通航總落差達(dá)134.1 m。

即將被取代的舊船閘和水壩建于1929年，其設(shè)計(jì)已明顯不能適宜現(xiàn)代化的需求，而且受到了嚴(yán)重侵蝕，船舶過閘滯留時(shí)間很長，已不能滿足當(dāng)前的水上交通要求。新建的船閘過船效率將會(huì)較高，牽引船隊(duì)過閘滯留時(shí)間較短，而航運(yùn)延誤最終將導(dǎo)致通過該水道運(yùn)輸?shù)纳唐穬r(jià)格上漲。

有人預(yù)計(jì)，該工程每年將節(jié)省8億美元的費(fèi)用，并將在21世紀(jì)有力地促進(jìn)該重要地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長。

鄭 毅 譯自英刊《水力發(fā)電與壩工建設(shè)》2011年第10期

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2012-05-23