美國(guó)大圖洪加壩的抗震防洪加固

［美國(guó)］G.塔伯斯 等

大圖洪加(Big Tujunga)壩位于洛杉磯北部圣蓋博(San Gabriel)山，最初是一座薄拱壩建于1931年，主要目標(biāo)是防洪，近年來(lái)該水庫(kù)還為洛杉磯供水。該壩壩高74 m，壩頂長(zhǎng)度(包括壩體右側(cè)的土堤)為253 m，曲圓弧形薄拱壩形成水庫(kù)的蓄水容量可達(dá)700萬(wàn)m3。

幾十年來(lái)，人們一直擔(dān)心該壩不能應(yīng)對(duì)大地震或洪水事件，在此期間，還允許水庫(kù)滿庫(kù)容運(yùn)行，洛杉磯公共建設(shè)局(LACDPW)著手通過(guò)工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)方面的改善措施對(duì)大圖洪加壩進(jìn)行修復(fù)。

使加固大壩達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，否則，假如洛杉磯市遭遇一次大地震或洪水事件，破壞可能會(huì)導(dǎo)致以下嚴(yán)重后果:①人員傷亡;②家園、樓房、公共設(shè)施及道路可能被毀，預(yù)計(jì)會(huì)造成的經(jīng)濟(jì)損失約1.75億美元;③受公用服務(wù)和商業(yè)中斷影響的人數(shù)會(huì)超過(guò)10萬(wàn);④生活用水供應(yīng)中斷，會(huì)影響到近1 000萬(wàn)居民。

在國(guó)際工程公司美華公司(MWH)的幫助下，開(kāi)始對(duì)大圖洪加壩進(jìn)行修復(fù)和溢洪道改造工作，以便該壩滿足應(yīng)對(duì)最大可信地震(MCE)和可能最大洪水(PMF)的最新標(biāo)準(zhǔn)。

1 修補(bǔ)完善

大圖洪加壩抗震防洪的歷史已超過(guò)30 a，在此期間，進(jìn)行了一系列的改進(jìn)、研究，實(shí)施了許多補(bǔ)救措施，特別是將重點(diǎn)放在對(duì)壩肩和地基的改進(jìn)方面。

大壩建設(shè)一直延續(xù)到1968年，期間進(jìn)行了8次補(bǔ)救工程，每次工程的實(shí)施都試圖沿上游壩腳建造一道連續(xù)灌漿帷幕，并確定壩底下裂縫的輪廓范圍和封閉裂縫。然而，這些努力并未減少滲漏流量，因而，壩肩依然存在失穩(wěn)的可能性。

對(duì)大壩遭受抗震的擔(dān)憂在1975年的一項(xiàng)研究中得到進(jìn)一步證實(shí)，結(jié)果表明，在一次MCE事件中，大圖洪加壩無(wú)法抵抗地震的荷載。因此，在全州范圍遭遇嚴(yán)重干旱時(shí)，大壩水位被加州水資源管理局限制在25%庫(kù)容的相應(yīng)水位。綜合考慮抗震問(wèn)題，最新水文氣象報(bào)告(HMR)研究證實(shí)，大圖洪加壩的溢洪道不符合PMF的標(biāo)準(zhǔn)。

LACDPW拖延了采取工程補(bǔ)救措施的時(shí)間，近30 a選用限制水庫(kù)水位和最大水庫(kù)面積的方法以確保大壩安全，LACDPW僅對(duì)其他14座大壩采取過(guò)難度較小的抗震措施和溢洪道補(bǔ)救措施。這樣做主要是由于對(duì)工程進(jìn)行完全修復(fù)需要花費(fèi)近1億美元的高額費(fèi)用，如此巨額費(fèi)用迫使LACDPW慎重考慮工程的成本效益比，包括對(duì)以下兩種情況進(jìn)行評(píng)估:①將大壩完全恢復(fù)到能滿庫(kù)容蓄水;②將大壩轉(zhuǎn)變?yōu)閿r沙壩而不恢復(fù)大壩庫(kù)容，但可供必要的防洪之用?；诖髩螌?duì)流域防洪的關(guān)鍵作用，大壩拆除并不可選。

2004～2005年的冬季正是大圖洪加壩最終修復(fù)設(shè)計(jì)的中期，洛杉磯卻經(jīng)歷了近幾十年來(lái)最濕潤(rùn)的季節(jié)，高達(dá)170 m3/s的流量將該壩下游左岸噴漿支護(hù)的河谷側(cè)壁沖毀并墜入河中，這一事件促進(jìn)了對(duì)相鄰止推座定性的深入研究。盡管沒(méi)有有力證據(jù)表明這會(huì)導(dǎo)致左壩肩和止推座破壞，但仍有河谷邊坡坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

這一事件進(jìn)一步堅(jiān)定了LACDPW完全修復(fù)大壩的決心。

2 完全修復(fù)

修復(fù)的第一步是1996年委托MWH對(duì)大壩進(jìn)行研究，重新分析大壩面臨的地震和水力學(xué)方面的問(wèn)題。研究證實(shí)，大圖洪加壩現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)已不能應(yīng)對(duì)MCE和PMF，這就迫使MWH提出一系列修復(fù)方案，通過(guò)改變大壩結(jié)構(gòu)等措施來(lái)達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。

初步建議要求修建下游混凝土扶壁，將該壩轉(zhuǎn)化為重力壩，然而這一設(shè)計(jì)理念卻存在許多挑戰(zhàn)，包括不良基礎(chǔ)條件、沖積物質(zhì)的數(shù)量、需要挖除的風(fēng)化基巖的數(shù)量以及將壩變成重力壩所需要混凝土的方量和費(fèi)用等方面的不確定性。

MWH工程人員所進(jìn)行的綜合地下巖土調(diào)查項(xiàng)目有助于更好地理解未知問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，尤其是針對(duì)地基巖石如何支撐建造大壩下游扶壁的附加混凝土重量等問(wèn)題，工程人員進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，最終決定把大圖洪加壩作為厚拱壩來(lái)保護(hù)。

工程人員減少了地基上不必要的混凝土，并將其重新分配在相應(yīng)高程，以增加拱壩的強(qiáng)度，并保持推力沿水平方向向壩肩轉(zhuǎn)移。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)大概能節(jié)約30 582 m3的混凝土，相當(dāng)于節(jié)省 2 500萬(wàn)美元。

除了在原壩上建成具有挑流坎的反弧形堰頂溢洪道以外，這種設(shè)計(jì)最終通過(guò)貼緊大壩下游面增加混凝土的方法使其成為厚拱壩。

為實(shí)施這種設(shè)計(jì)方案，在從壩基到壩頂?shù)膲误w下游面上，大約澆筑了53 518 m3的常規(guī)大體積混凝土，將壩體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫窆叭Φ暮窆皦巍Ｐ聺仓幕炷潦勾髩螇雾斣龊?3.7 m，壩頂總厚度達(dá)6 m，壩體下游面的坡度為 0.25∶1(水平∶垂直)，拱壩下部增厚約20 m。

為確保壩體的整體性能，并增強(qiáng)新舊混凝土的粘合力，將混凝土與水平安裝并灌漿固結(jié)的插筋網(wǎng)結(jié)合成整體，這種插筋埋設(shè)在原壩下游面板中和新混凝土的上游部分。加厚的拱壩強(qiáng)度增大，可承受MCE的荷載。

為使大壩符合PMF的標(biāo)準(zhǔn)，需要在原混凝土重力支墩的下游面修建一個(gè)階梯形中央溢洪道。這一設(shè)計(jì)理念有助于漫頂洪水從支墩面分級(jí)下泄時(shí)消能。

然而，在對(duì)大壩修復(fù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，MWH的工程人員推薦了反弧形堰頂溢洪道，當(dāng)該溢洪道與現(xiàn)有右壩肩溢洪道聯(lián)合工作時(shí)，能夠滿足PMF的泄流要求。這種非傳統(tǒng)的彎曲形溢洪道，基本原理是將水流高高挑起，泄入壩體下游河谷的水墊塘中。

整個(gè)恢復(fù)項(xiàng)目包括巖土工程、結(jié)構(gòu)、水力學(xué)以及機(jī)電方面的改進(jìn)，還包括安裝最先進(jìn)的壩體檢測(cè)儀表、控制設(shè)備、新控制房、交通廊道以及新閥門(mén)，并建造了一個(gè)閥門(mén)房。

3 滿足抗震和水力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

研究人員采用三維有限元法分析后證實(shí)，大圖洪加壩的最終設(shè)計(jì)既能滿足PMF，又能滿足MCE的荷載要求。分析表明，厚拱壩的理念在靜態(tài)荷載條件下較為安全，包括極端PMF情形，符合美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)所規(guī)定的大壩安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

在MCE條件下，通過(guò)三維有限元法表明，重建的大圖洪加壩新設(shè)計(jì)方案中，所有部位混凝土的動(dòng)力抗壓強(qiáng)度都在評(píng)估范圍內(nèi)。盡管一些拉伸應(yīng)力的峰值超過(guò)了預(yù)估的動(dòng)力拉伸強(qiáng)度，但這些應(yīng)力偏差是孤立的，只作用于大壩表面。

同時(shí)MWH還進(jìn)行了敏感性分析，以評(píng)估壩基模型中在不同條件下的影響，包括描述地質(zhì)和材料性能方面發(fā)生突然變化的垂直邊界。這種敏感性分析證明了大壩內(nèi)應(yīng)力峰值的位置變化，包括有垂直和無(wú)垂直兩種邊界條件，但總體應(yīng)力值和超過(guò)允許應(yīng)力情況的數(shù)值保持不變。

通過(guò)分析和對(duì)壩體整個(gè)厚度范圍內(nèi)的各應(yīng)力變化過(guò)程線的比較研究，結(jié)果表明，假如發(fā)生了MCE，也不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)或存在潰壩風(fēng)險(xiǎn)。雖然在壩體上游或下游面可能會(huì)發(fā)生局部裂縫，但認(rèn)為對(duì)壩體進(jìn)行全面修復(fù)，且在滿庫(kù)容條件下運(yùn)行是符合安全標(biāo)準(zhǔn)的。

4 確保未來(lái)大壩安全

在大壩安全修復(fù)過(guò)程中安裝的新型自動(dòng)化儀表設(shè)備將用于確保大壩安全的長(zhǎng)期監(jiān)控中。這包括評(píng)估大壩在設(shè)計(jì)參數(shù)下的運(yùn)行情況，確認(rèn)壩基排水系統(tǒng)的有效性，監(jiān)測(cè)水庫(kù)蓄水和快速放空期間大壩的性能，了解大壩在地震中的反應(yīng)等。自2011年7月大壩恢復(fù)工程竣工和水庫(kù)蓄水以來(lái)，未發(fā)生重大問(wèn)題。

除了滿足大壩修復(fù)工作的主要目標(biāo)(確保大壩安全)以外，在工程項(xiàng)目中還加強(qiáng)了水資源和環(huán)境保護(hù)措施，使水庫(kù)完全恢復(fù)到滿庫(kù)容，每年可多調(diào)出約550萬(wàn)m3水量，避免洛杉磯市從其他地方引水，可節(jié)約225萬(wàn)美元左右。

目前大壩能夠進(jìn)行小流量的泄水，這在以往裝有大型閥門(mén)的原壩結(jié)構(gòu)中是不能實(shí)現(xiàn)的。新安裝的24寸射流閥門(mén)允許大壩下泄最小流量，可作為下游的河流和池塘水量的有補(bǔ)充，以改善沿河許多物種，特別是加州瀕危物種——圣安娜吸盤(pán)魚(yú)(Santa－Ana Sucker fish)重要棲息地的生態(tài)環(huán)境。

大圖洪加壩的修復(fù)加固工程被加州大壩安全管理者協(xié)會(huì)(ASDSO)授予“2011年全國(guó)恢復(fù)工程”年度大獎(jiǎng)，該工程是修復(fù)加固工程中創(chuàng)新、安全的示范工程。