美國狼溪壩改造工程

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狼溪壩(又稱沃爾夫克里壩)位于美國肯塔基州，在其新防滲墻建設(shè)中，所采用的新的開挖方式和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)起到了關(guān)鍵作用。

該壩為“高破壞風(fēng)險(xiǎn)”項(xiàng)目，新建的防滲墻比原有防滲墻規(guī)模更大、更深。在建設(shè)過程中，嚴(yán)格的垂直開挖施工標(biāo)準(zhǔn)、新的基礎(chǔ)施工場地以及先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，共同確保了防滲墻的精確施工和提前完工。

為減小滲漏壩段的壓力，庫水位一直保持在低水位運(yùn)行。2012年上半年，防滲墻施工提前完成后，庫水位持續(xù)上升，對(duì)大壩各水位階段的狀況均進(jìn)行過試驗(yàn)。

隨著坎伯蘭湖恢復(fù)正常，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)復(fù)蘇，大壩的設(shè)計(jì)者和擁有者——納什維爾區(qū)美國陸軍工程師團(tuán)(USACE)將經(jīng)驗(yàn)引入到另一座出現(xiàn)滲流的中心山(Center Hill)大壩的修建改造工程中。

1 大壩滲流問題

USACE在坎伯蘭流域共有10座大壩，位于拉塞爾縣的狼溪壩是其中最大的一座。大壩攔蓄了長為162 km的坎伯蘭湖湖水，是美國第九大水庫，也是密西西比河?xùn)|部最大的水庫。

大壩高為 78.6 m，為混凝土重力壩和土壩的混合結(jié)構(gòu)，壩頂總長約1 201 m，土壩段約占整個(gè)壩長的2/3。土壩材料主要由低塑性的密實(shí)沖積粘土構(gòu)成，但大壩修建在石灰?guī)r上，土壩段的石灰?guī)r基巖滲漏已經(jīng)引起大壩的安全問題。

由于可見的巖溶地貌，滲流問題在基礎(chǔ)建設(shè)期間就已引起關(guān)注。

狼溪壩1938年開始設(shè)計(jì)，1952年建成。USACE表示，由于具有明顯的巖溶特性，滲流問題在工程基礎(chǔ)施工時(shí)期就已引起關(guān)注。在20世紀(jì)60年代晚期，發(fā)現(xiàn)尾水渠有渾水流出，壩趾附近出現(xiàn)兩處陷坑，這樣就增加了對(duì)滲流問題的關(guān)注。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r中存在著溶蝕通道，土壩段也出現(xiàn)了局部管涌和坍塌。

1968～1970年間進(jìn)行了緊急灌漿處理，暫時(shí)阻止了管涌。USACE認(rèn)為這樣使大壩得到了拯救，但同時(shí)承認(rèn)需要做更多的工作。20世紀(jì)70年代晚期，USACE為其建造了首座連續(xù)墻。

對(duì)連續(xù)墻狀況的監(jiān)測顯示，滲流和侵蝕現(xiàn)象減緩，但并未完全停止。UASCE表示由于溶蝕現(xiàn)象并未停止，固此“滲流通過墻底和墻周找到了新的通道，也許是墻本身存在缺陷”。

2004～2005年間,對(duì)大壩狀況作了進(jìn)一步研究，同時(shí)USACE也在開展風(fēng)險(xiǎn)信息安全項(xiàng)目，以對(duì)其所有的大壩安全進(jìn)行了監(jiān)控。結(jié)果表明，連續(xù)墻在基巖中的深度不夠，橫向上也沒有覆蓋到所有主要的巖溶地貌。

破壞風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到了USACE的最高緊急程度，也就是說，大壩安全行為級(jí)別1(DSAC1)，極有可能發(fā)生管涌破壞。

2 第2座防滲墻建設(shè)計(jì)劃

第2座更深更寬的防滲墻建設(shè)計(jì)劃在第1座防滲墻的上游立即開始實(shí)施。防滲墻建設(shè)完工前，采取了暫時(shí)降低庫水位以減少風(fēng)險(xiǎn)的措施。水位保持在壩頂高程(220.4 m)13.1 m以下，仍足夠維持最小發(fā)電的需求。

USACE納什維爾區(qū)屬于大湖區(qū)及俄亥俄河流分部。該區(qū)兵團(tuán)設(shè)計(jì)了新的防滲墻，位于原有的防滲墻和大壩心墻截水槽之間。

新的防滲墻在兩側(cè)的尺寸都超過了原有的防滲墻。新墻從左側(cè)接入混凝土壩，右側(cè)沿著整個(gè)土壩段，一直延伸至右壩肩，其深度呈梯形遞減。

新墻設(shè)計(jì)總長約為1 158 m ，深度為 83.8 m，深入基巖為29 m ，超過老墻最深段近 22.9 m。

在所采用的3種施工方式(重疊面板/咬合樁/面板-樁組合)中，所測量的新墻最小設(shè)計(jì)厚度為610 mm。

在重疊段和咬合段，為達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，施工面臨著巨大的挑戰(zhàn)。與第1座防滲墻施工相比，新的基礎(chǔ)施工采用了更先進(jìn)的施工系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng)。所采用的施工技術(shù)和IT技術(shù)保證了快速嚴(yán)格的開挖得到控制，限制了樁的偏移，以建立更加穩(wěn)固的隔離防滲墻。

工程的主要承包商為特雷維科-法國地基公司(TSJV)。工程于2006～2007年進(jìn)行施工，于2013年下半年完成。

3 合理分配建設(shè)工期

初期施工包括建設(shè)一座施工開挖平臺(tái)，以便為施工工地提供場所，并支撐住用于勘探控制的導(dǎo)墻。施工準(zhǔn)備工作還包括在防滲墻兩邊實(shí)施灌漿帷幕工程。

USACE認(rèn)為，灌漿可在防滲墻建設(shè)前減少風(fēng)險(xiǎn)，帷幕深度比防滲墻深度還要深 15.24 m，可提供現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)；若墻壁走向出現(xiàn)空隙，可減少施工風(fēng)險(xiǎn)；還可為防滲墻提供一層額外的屏障。

數(shù)據(jù)顯示，地質(zhì)條件沿深度越來越好，證明防滲墻設(shè)計(jì)深度是可行的。同時(shí)，施工期間并未出現(xiàn)漿液流失情況。

防滲墻主體工程施工開始于2007～2008年，穿過粘土壩段并嵌入基巖頂部以下610 mm 。面板寬為1.83 m，長為 2.8 m，相互重疊至少為127 mm 。從開挖底部開始，通過導(dǎo)管進(jìn)行混凝土澆筑。

承包商建議將防滲板墻作為初期施工步驟，以減少土堤開挖的時(shí)間。此外還設(shè)計(jì)并建造了一座特殊的反向旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，該鉆機(jī)由預(yù)先建造的導(dǎo)墻上方的吊機(jī)掛起。采用3個(gè)雙軸傾斜計(jì)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，來對(duì)施工進(jìn)行輔助控制，以確保根據(jù)其垂直方向及理論位置進(jìn)行開挖。

隨后采用Wassera水錘進(jìn)行直徑為203 mm 的先導(dǎo)孔施工，使用液壓驅(qū)動(dòng)全斷面鉆頭，穿過面板墻深入到基巖中。先導(dǎo)孔旨在引導(dǎo)咬合樁施工，同時(shí)也可作為灌漿施工的勘測孔。先導(dǎo)孔開挖采用斜面鉆頭或彎殼體進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)整。

先導(dǎo)孔施工完成后，采用特雷維科公司特制的5架反循環(huán)鉆機(jī)(RCD)對(duì)直徑為1.27 m的咬合樁進(jìn)行鉆孔。該反循環(huán)鉆機(jī)鉆柱有3重固定鉆環(huán)，鉆頭帶有護(hù)筒。由于靠近水庫及地下水，固此沒有使用化學(xué)助劑，而是利用壓縮空氣形成的水氣混合體作為鉆孔沖洗液來清除廢棄物。

當(dāng)鉆機(jī)不具備轉(zhuǎn)向能力時(shí)，其底部鉆孔組合及測斜儀能跟蹤先導(dǎo)孔施工，并嚴(yán)格保持鉆孔的垂直度。盡管整個(gè)防滲墻以及施工平臺(tái)增加了229,370 m3的混凝土量，但由于不斷提高效率及改進(jìn)工作流程，最后一根樁得以于2013年3月安裝完畢，比原定時(shí)間提前了約9個(gè)月。

4 中心山大壩修復(fù)工作

狼溪壩的改造施工完成后，USACE把經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到中心山大壩的土壩修復(fù)中。該壩同樣也位于坎伯蘭流域，距田納西蘭卡斯特不遠(yuǎn)。

為修復(fù)狼溪壩而開發(fā)的IT系統(tǒng)，成為中心山大壩修復(fù)工程和USACE未來其他工程的一項(xiàng)重要工具。該創(chuàng)新性的IT系統(tǒng)基于GIS建立，可對(duì)施工和表現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

狼溪壩信息管理系統(tǒng)(WCIMS)收集并管理了7 100萬份文件，包括所有過去和近期的地質(zhì)信息、防滲設(shè)計(jì)和施工文件、土工儀器設(shè)備數(shù)據(jù)以及項(xiàng)目管理信息。

該IT系統(tǒng)的優(yōu)勢并不僅僅體現(xiàn)在施工過程中，而且它還能將施工信息和數(shù)據(jù)的處理以及呈現(xiàn)時(shí)間顯著縮短至2 d，此外還可以在打進(jìn)最后一根樁后的一周內(nèi)完成。因此，防滲墻能夠提前數(shù)月完成，完全歸功于IT系統(tǒng)。