澳大利亞卡塔古尼亞大壩的修復

1 背 景

卡塔古尼亞(Catagunya)大壩坐落于澳大利亞塔斯馬尼亞(Tasmania)州東南部的德文特(Derwent)河上。它設計于20世紀50年代末,建成于1962年,是開發德文特河下游6座梯級電站中的第3座電站。在20世紀60年代初期大壩施工期間,共設置了412個后張預應力的錨索,但是原來錨的整體性已不再能得到保證。在過去的2 a里,通過使用92個現代的、大直徑和防腐蝕、后張預應力錨,大壩的穩定性得到了恢復,并且對這些錨固裝置的質量下降情況可以隨時進行監測,在當時,這些錨是施加在大壩上的荷載最大的錨。

2 施工中遇到的挑戰及解決方案

在工程實施過程中,解決了以下具體問題。

(1)夏季,利用有限的施工窗口,在運行的溢洪道內部,安裝了超過半數的錨;

(2)在河床以上25 m,低于溢洪道堰頂的一個54°斜坡上,設置了通道,以供鉆孔設備和安裝錨固裝置之用,拆除通道上的這些工作平臺以后,足以使洪水在冬季得以通過;

(3)用長9 m的碳纖維筋來替代切斷的表面受力鋼筋。

為了獲取直達卡塔古尼亞大壩溢洪道的通道,以便能夠在溢洪道上安裝臨時的通道平臺支架以及在溢洪道面上安裝碳纖維抗拉增強構件,將一個特意設計和建造的移動式門架從溢洪道的堰頂沿壩面懸掛。該門架有5個工作臺面,其中的4個用作接近將要被安裝的長9 m的碳纖維筋的臺面。

建造2個長200 m的臨時性平臺通達溢洪道。上部的平臺用作鉆孔、安裝和施加預應力的設備通道,同時也可作為洪水狀態下的安全和有效的撤離出路。下部的平臺則直接通到錨孔位置,用于安裝錨索加固裝置的組件。

卡塔古尼亞大壩具有獨特的橫斷面,需要在溢洪道下游面的上表面設置抗拉鋼筋以支撐懸伸溢洪道的大型懸臂。在為安裝溢洪道上端錨塊鉆大直徑孔取芯時,這種鋼筋必須被切斷,所以在取芯之前要進行一次替換。

該工程的一個主要創新點是在溢洪道壩面內設計和安裝了碳纖維筋,給大壩的懸臂截面提供抗拉纖維筋。作為在橋梁行業中對結構升級改造和修復時廣泛應用的一種方法,環氧粘合的碳纖維帶是一個極具成本效益又簡單的解決方案。然而,迄今為止,在壩工行業中,這種碳纖維帶還沒有得到類似的應用。

在溢洪道面層混凝土上,鋸成長9 m、寬 15 mm、深90 mm的槽,將長9 m的碳纖維筋安放在該槽中,6條直徑為8 mm的碳纖維筋的每一條均為單獨設置,在槽中的底層上注入一層環氧黏結劑作為墊層,然后將碳纖維筋鋪設在該墊層上,使其與混凝土粘結在一起。整體解決方案大約需花費4個月的時間來完成,共計安裝了超過10km的碳纖維筋。

卡塔古尼亞大壩設計時的要求之一是維持反弧形溢洪道溢流面的水力性能。這意味著設置在溢洪道內的錨索應該建造在當前的壩體輪廓線以內。在壩坡上鉆一些直徑為1.2 m的孔洞,深入壩體內3 m,以安裝鋼筋混凝土預制的上端錨塊,使荷載能分配到結構中去。壩肩錨安裝于一個經特殊設計的位于護墻標高以上的混凝土梁中。

鉆孔工作采用Rotomech鉆機350 mm的井內錘(DHH)完成。鉆孔通過混凝土直達壩基,最長的鉆孔長約78 m,整個工程共計完成鉆孔約6.2km。

現代的后張錨全部在現場制造,使用專業設備將錨索打開并抹上油脂,然后在自由段上安裝一個20 mm的HDPE套管。將粘結段錨索清理干凈并讓其裸露,將所有的錨索都扭編成沙漏形狀,以增加其與該地段輝綠巖的粘結力。

完成的錨索被安裝于錨孔中一個部分有波紋,部分為光滑的聚乙烯護套里,以G等Oilwell和GP水泥對孔洞進行灌漿。一旦灌漿達到了所要求的強度,就用一個特制的2200 t容量的油壓千斤頂將錨索加荷到超過其最小破壞荷載的70%,使得這些錨索成為世界上受力最大的地錨。

3 長期維護

新安裝的后張應力錨索將會由塔斯馬尼亞水電集團按5 a一次進行監測,對其第1次檢查安排在2010年11月 ～2011年3月進行。為了進行這些測試,已經對移動式門架進行了修改,以便能夠承載所有的荷載監測設備。

對首批安裝于溢洪道上的4個錨的測試工作已經完成,結果證明它們均處于良好的狀態。對這些錨索進行的提升測驗發現,在過去的數年中,其應力損失很小,完全處在可以接受的范圍內,并且低于同規格錨固工程中所觀察到的應力損失。