沃爾夫克里克壩基礎(chǔ)修復(fù)創(chuàng)新方案

［美國］F.桑提蘭

沃爾夫克里克壩(又稱狼溪壩)位于美國肯塔基州中南部坎伯蘭河上。大壩主要功能為發(fā)電、防洪、供水及提高坎伯蘭河系及周邊水質(zhì)效益。大壩庫區(qū)亦是休閑勝地，吸引游客人數(shù)(489 萬)超過黃石國家公園(287 萬)。

大壩為碾壓土石壩和混凝土重力壩混合結(jié)構(gòu)，壩長1 748 m，基礎(chǔ)以上最大高度79 m。大壩于1938 年開始設(shè)計(jì)，1952 年建成。

大壩下游面建有一座發(fā)電廠房，裝有6 臺發(fā)電機(jī)組。127 號國家公路從大壩頂部通過。當(dāng)大壩形成的坎伯蘭水庫最大庫水位232 m 時(shí)，其庫容為75億m3，是密西西比地區(qū)東部最大的水庫，也是美國第九大水庫。

1 面臨的挑戰(zhàn)

大壩及水庫均位于嚴(yán)重的巖溶基巖上，且發(fā)現(xiàn)石灰?guī)r床下有較大巖溶空洞。

1968 年，發(fā)現(xiàn)尾水渠有渾水流出，土壩下游壩趾附近出現(xiàn)兩個(gè)陷坑，這表明水庫出現(xiàn)嚴(yán)重滲漏問題。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查后查明壩址所在地屬巖溶地質(zhì)，其特點(diǎn)是石灰?guī)r壩基中有一個(gè)范圍廣泛的相互連通的巖溶渠道網(wǎng)絡(luò)，是造成滲漏的主要原因。另外，巖溶注漿填充材料發(fā)生管涌、大壩覆蓋層及土堤塌陷也是造成大壩滲漏的原因。

為解決滲漏問題，美國陸軍工程師兵團(tuán)(USACE)起草了一份“主要修復(fù)報(bào)告”，對幾個(gè)提高大壩長期穩(wěn)定性的方案進(jìn)行了評估。根據(jù)該報(bào)告中的分析，推薦運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)新筑一道混凝土地下連續(xù)防滲隔墻，以提高防滲效果。新墻將從緊靠最右端混凝土壩段的上游面開始，并一直延伸到右壩肩，比原防滲墻長503 m，且新墻深度均超過老墻最深段，大部分要比老墻深23 m。

2007 年1 月底，USACE 將該壩定為“高破壞風(fēng)險(xiǎn)”項(xiàng)目，并啟動(dòng)了一項(xiàng)總資金為5.84億美元的修復(fù)計(jì)劃，以使大壩恢復(fù)正常運(yùn)行。修復(fù)工程施工期間，水庫水位高程始終保持在207 m，比最大庫容時(shí)的水位低27 m，且該水位一直保持到施工結(jié)束為止。該修復(fù)工程低水位施工給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)造成了巨大影響。

2 解決方案

2008 年，特雷維科－法國地基合資公司(TSJV)簽訂了總價(jià)值為3.41億美元的主合同。該合資公司由下列兩家公司組成:一家是總部設(shè)在美國馬薩諸塞州波士頓的美國特雷維科公司，該公司為全球最大的地基承建商之一特雷維集團(tuán)旗下子公司;另一家是法國地基建筑公司(Soletanche Bachy)，該公司為全球最大主承建商之一的達(dá)芬奇集團(tuán)旗下子公司。

合同內(nèi)容為建筑總面積達(dá)91 045 m2的混凝土地下連續(xù)墻。目前正在施工的大部分地下連續(xù)墻最小厚度為0.6 m，最大深度達(dá)84 m。施工采用創(chuàng)新技術(shù)，適合于變化的地質(zhì)條件，諸如巖石強(qiáng)度變化范圍可從89.6～248.2 MPa，巖土混合條件下非巖厚度可達(dá)12.2 m。

連續(xù)墻施工需要運(yùn)用5 種地基技術(shù):鉆孔與灌漿、在土壩和石方中用雙輪反循環(huán)鉆孔開挖、定向鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)及反循環(huán)鉆進(jìn)。這5 種施工工作同時(shí)進(jìn)行，并嚴(yán)格遵守對墻體垂直度、各單元之間距離、強(qiáng)度以及尺寸等的要求。為保證地下連續(xù)墻質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使需要的修復(fù)工作量最低，對質(zhì)量管理水平提出了較高要求。即地下連續(xù)墻的主要性能指標(biāo)應(yīng)滿足以下規(guī)范要求:最小墻體厚度應(yīng)達(dá)到0.61 m，最小各單塔接距離應(yīng)為0.15 m，混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到13.79 MPa，滲透率則應(yīng)達(dá)到1.3 × 10－5cm/s。

除此之外，墻體最大深度需達(dá)到84 m，且垂直度偏差必須控制在0.15%以內(nèi)。

就施工順序而言，在地下連續(xù)墻動(dòng)工前，需對基巖進(jìn)行帷幕灌漿。灌漿深度為巖面下1.5 m至墻基下15 m，滲流封閉標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到3.9 ×10－5～13 ×10－5cm/s，且灌漿施工與地下連續(xù)墻施工最少應(yīng)保持161 m 的距離。另外，根據(jù)地質(zhì)情況，設(shè)置危險(xiǎn)施工區(qū)，若地下連續(xù)墻單元位于壩體4 個(gè)“關(guān)鍵區(qū)域”內(nèi)，則各單元同時(shí)開挖的間隔應(yīng)大于或等于27 m，非關(guān)鍵區(qū)域同時(shí)開挖施工間隔至少應(yīng)為12 m。無論墻體施工區(qū)域如何劃分，進(jìn)行墻體施都應(yīng)特別小心，以防止大壩損毀。

已澆筑混凝土單元槽段的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度至少應(yīng)達(dá)到6.9 MPa后，才能進(jìn)行附近新單元槽段的開挖。當(dāng)混凝土澆筑單元的抗側(cè)強(qiáng)度達(dá)到13.8 MPa后，相鄰新挖單元才能進(jìn)行開挖施工。

最后進(jìn)行取心檢測，以檢驗(yàn)墻體質(zhì)量，包括單元中心取心及接頭取心;用于確定墻體滲透率的壓水試驗(yàn);采用電視成像技術(shù)確定薄弱區(qū)及混凝土強(qiáng)度。地下連續(xù)墻至少有25%的單元或接頭需進(jìn)行取心檢測，以保證墻體滿足性能要求。

3 施工順序

為嚴(yán)格執(zhí)行承包協(xié)議書中的施工規(guī)范，TSJV 采用創(chuàng)新技術(shù)，分準(zhǔn)備階段和施工階段進(jìn)行施工。

施工前，TSJV 所采用的地下連續(xù)墻施工技術(shù)成功通過了兩項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)，為該公司及該地區(qū)帶來更多收益。同時(shí)，該試驗(yàn)可為受控環(huán)境中的任何項(xiàng)目建立學(xué)習(xí)曲線，并增強(qiáng)了將這些技術(shù)應(yīng)用于此項(xiàng)項(xiàng)目的信心。

3.1 準(zhǔn)備階段

為最大限度地減輕對大壩的損害，地下連續(xù)墻施工準(zhǔn)備階段又可分為3 個(gè)步驟:①基礎(chǔ)灌漿，根據(jù)合同要求，采用鉆孔和高流動(dòng)性灌漿料灌漿的辦法處理1.5 m以下的巖石基礎(chǔ)，而土壩壩底與巖石之間的界面則采用局部化的低流動(dòng)性灌漿料灌漿;②利用雙輪反循環(huán)鉆機(jī)修筑一道厚1.8 m的混凝土保護(hù)墻(PCEW)，墻體高度為施工平臺頂部到巖石頂面的距離;③給定區(qū)域保護(hù)墻完成后，采用直徑為20 cm 定向鉆開始先導(dǎo)孔施工，從施工平臺穿過PECW 直達(dá)巖層深86 m 處。鉆先導(dǎo)孔旨在對巖面以下的巖土條件進(jìn)行補(bǔ)充勘探，以便在地下連續(xù)墻施工前對存在問題的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充處理。同時(shí)，引導(dǎo)咬合樁施工只出現(xiàn)有限且可控制的偏差，這些咬合樁是形成連續(xù)防滲墻的施工組件。

準(zhǔn)備階段完工后即開始地下連續(xù)防滲隔墻施工階段。

3.2 地下連續(xù)防滲隔墻施工階段

定向鉆進(jìn)的先導(dǎo)孔施工是地下連續(xù)防滲隔墻準(zhǔn)備與施工的基本部分。

在先導(dǎo)孔施工過程中，當(dāng)鉆進(jìn)深度達(dá)到86 m時(shí)，60%的單元槽段從原定最大偏差指標(biāo)21 cm 明顯提高5～7 cm，取得較大進(jìn)展，解決了定向鉆施工中的鉆孔偏斜的問題，無需進(jìn)行修補(bǔ)。在TSJV 完成70%單元槽段(幾乎達(dá)900 個(gè))的施工中，僅使用了2 個(gè)補(bǔ)救樁，且均出現(xiàn)在施工之初。

某一區(qū)段內(nèi)定向鉆進(jìn)的先導(dǎo)孔完成后，即利用反循環(huán)鉆機(jī)(RCD)對直徑為127 cm 的鉆孔咬合樁進(jìn)行預(yù)鉆，隨后利用護(hù)筒(stinger)進(jìn)行擴(kuò)孔。該技術(shù)的優(yōu)勢是先導(dǎo)孔可以引導(dǎo)鉆機(jī)。一旦先導(dǎo)孔完成，就能確定咬合樁的方位，從而使得地下連續(xù)防滲隔墻需要澆注的槽段單元滿足施工要求。因此，如果先導(dǎo)孔完工后，孔形不能滿足要求，也可重新鉆一個(gè)先導(dǎo)孔，而不會浪費(fèi)過多的時(shí)間及資金。施工中僅有少數(shù)情況下，會在最后20～30m 出現(xiàn)超過合同規(guī)定的誤差。且在此情況下，TSJV 可通過反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)將咬合樁施工較好地控制在允許的誤差范圍內(nèi)。

樁孔開挖完成后，開始澆筑混凝土，建造咬合樁需按主次順序。

地下連續(xù)墻某些墻段使用了另一種施工方法。該方法為“地下連續(xù)防滲隔墻組合工法”(Combined Barrier Wall Method)，系反循環(huán)鉆孔樁與雙輪銑成槽墻板的聯(lián)合施工方法。

該方法的優(yōu)勢在于用兩個(gè)127 cm 的反循環(huán)鉆孔灌注樁和一塊2.8 m的墻板可覆蓋5 個(gè)咬合樁的成墻范圍，既可節(jié)約材料，又減少了接縫。在巖石強(qiáng)度超過206.8 MPa，墻槽深度超過61 m 的地層，該工法較為成功，但需權(quán)衡考慮時(shí)間及成本。

另外，造孔廢棄物和水處理也是該項(xiàng)目內(nèi)的一項(xiàng)計(jì)劃。TSJV 建立了相應(yīng)的處理系統(tǒng)，每周可處理和排除廢水110 萬L，固體廢棄物2 293 m3。

4 質(zhì)量控制體系

為克服項(xiàng)目工期緊、合同要求高、施工工序嚴(yán)格等困難，TSJV 制定了一系列質(zhì)量管理綜合計(jì)劃，可對地下連續(xù)防滲隔墻施工中每個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)的質(zhì)量控制。TSJV 每天完成的質(zhì)量控制任務(wù)超過350個(gè)。

大量質(zhì)量控制任務(wù)的有效執(zhí)行、建立文檔、資料匯編和更新，以及增強(qiáng)質(zhì)量控制部門的重要性，使其在整個(gè)質(zhì)量管理結(jié)構(gòu)中占有極其重要的地位。如果從項(xiàng)目開始就獲得較高質(zhì)量，就無不需進(jìn)行任何修補(bǔ)，那么質(zhì)量控制的投入也就獲得了相應(yīng)回報(bào)。

TSJV 的質(zhì)量控制小組和該地區(qū)的質(zhì)量保證小組之間的互動(dòng)已成為沃爾夫克里克壩地下連續(xù)防滲隔墻現(xiàn)場施工質(zhì)量控制及保證體系的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

另一個(gè)顯著特征是運(yùn)用3D 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對日常的海量信息進(jìn)行處理，簡化了工程驗(yàn)收前的最終質(zhì)量評價(jià)工作。

TSJV 采取了精細(xì)的現(xiàn)場質(zhì)量控制系統(tǒng)，使地下連續(xù)防滲隔墻施工能連續(xù)大幅超過合同規(guī)定的性能要求。

5 結(jié) 語

沃爾夫克里克壩基礎(chǔ)修復(fù)工程目前已完成78%的施工量，該項(xiàng)目是壩基修復(fù)中工程范圍最廣、施工最復(fù)雜的項(xiàng)目之一。另外，針對施工技術(shù)、質(zhì)量控制和保證程序以及已完成的工程檢查和最后驗(yàn)收等工作，目前TSJV 正與納什維爾地區(qū)緊密合作，制定新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。