美國加利福尼亞卡拉維拉斯大壩重建工程

[美國] M.弗瑞斯特 等

美國加利福尼亞卡拉維拉斯大壩重建工程

[美國] M.弗瑞斯特 等

為了恢復(fù)美國加利福尼亞卡拉維拉斯大壩水庫的蓄水能力并滿足抗震設(shè)計要求,將在原壩下游重建一座新壩。目前該工程正在實施中,計劃于2018年年底完工。討論了壩址地質(zhì)、地震條件，以及為滿足高抗震標準所開展的大壩設(shè)計。

大壩;壩設(shè)計;抗震設(shè)計

卡拉維拉斯大壩重建工程位于加利福尼亞州米爾皮塔斯東北部，緊鄰原卡拉維拉斯大壩的下游。該大壩水庫是舊金山公共事業(yè)局水系統(tǒng)的重要組成部分，自1925年建成以來，攔蓄了阿拉米達(Alameda)郡境內(nèi)大約120×106m3的徑流量，其蓄水量占當?shù)毓彩聵I(yè)用水的40%。

2001年12月，考慮到大壩在地震情況下的穩(wěn)定性和安全，經(jīng)加利福尼亞大壩安全局授權(quán)，舊金山公共事業(yè)局將水庫的正常最高蓄水位230 m 降低到了215 m。這樣，蓄水量只是最大庫容的39%,結(jié)果造成了庫容減少和水質(zhì)降低。

為了恢復(fù)庫容，計劃在原壩下游重建大壩和附屬建筑物，重建大壩應(yīng)能抵御設(shè)計地震，最大可信地震矩震級為7.25，發(fā)震斷層為卡拉維拉斯斷層，距壩址457 m。最大可信地震的地面加速度峰值為1.1 g。設(shè)計標準為：發(fā)生地震時大壩不得開裂、壩頂沉降不能危害水上壩體 、關(guān)鍵部位(如反濾和排水)不能過度變形,同時應(yīng)保證引水建筑物和溢洪道不受損且能正常運行。

1 原壩現(xiàn)狀

大壩高64 m，壩頂長366 m,始建于1913年，采用水力充填法施工，直到1918年大壩填筑到海拔233 m。1918年3月24日，上游壩坡發(fā)生大型坍塌，滑體撞倒進水塔，并滑動到上游距壩軸線183 m處。

1923年大壩建設(shè)復(fù)工，并于1925年完工，壩頂高程237 m。滑坡體很少被挖走，在上游壩殼遺留了深厚的滑體物質(zhì);復(fù)工后填筑的壩殼堆石料較軟，且工法由原來的水力充填改為碾壓粘土。

20世紀70年代初對大壩進行了穩(wěn)定性再評估，1974年對上、下游壩殼采用當?shù)厥线M行了加固。不過根據(jù)對大壩施工方法以及臨近卡拉維拉斯斷層所做的推斷結(jié)果表明,當卡拉維拉斯斷層發(fā)生大地震時，地面產(chǎn)生的強烈運動會影響大壩的安全。

2 地質(zhì)調(diào)查

2.1 區(qū)域地質(zhì)和卡拉維拉斯斷層

卡拉維拉斯大壩水庫位于東舊金山灣地質(zhì)構(gòu)造活動帶內(nèi),該構(gòu)造帶內(nèi)分布有幾條活斷層，包括卡拉維拉斯斷層、海沃特斷層、格林維爾斷層和康科德斷層。水庫淹沒的卡拉維拉斯峽谷的部分成因是卡拉維拉斯斷層的構(gòu)造活動。

卡拉維拉斯斷層位于壩址以西457 m處，它是造成壩址地面強烈震動的最主要震源。沿長達128 km的卡拉維拉斯斷層活動的地貌特征明顯。過去200 a中的地震記錄顯示，該斷層發(fā)生過很多中、小地震。壩址附近還分布著次級斷層，包括石料場和溢洪道非活動性斷層和峽谷活動斷層。

2.2 壩址地質(zhì)條件

對重建壩址的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，由于壩址臨近卡拉維拉斯斷層，壩基巖體反復(fù)遭受過震動、剪切和其他構(gòu)造應(yīng)力的影響，地質(zhì)條件非常復(fù)雜。左壩肩包括溢洪道開挖穿越的了望山大部分，特姆朗砂巖風化深厚，裂隙發(fā)育。30 m深度范圍內(nèi)的特姆朗砂巖滲透性強，鉆孔壓水試驗呂榮值超過500(1呂榮約等于10-5m3/s)。30 m深度以下為微新巖體，裂隙中等發(fā)育，呈塊狀，滲透性較低，通常不超過20呂榮。

2012年和2013年開挖壩基時，在左壩肩發(fā)現(xiàn)了2個大型古滑坡體,導(dǎo)致左岸坡的設(shè)計變更。

右岸壩段和河床壩段基巖屬于弗蘭西斯復(fù)合構(gòu)造，上覆崩積、滑坡堆積和沖積層等。這種復(fù)合建造巖體普遍受到構(gòu)造剪應(yīng)力的作用，為深灰到黑色的粘土質(zhì)極軟—軟頁巖，富含構(gòu)造包裹物，如雜砂巖、蛇紋巖、硅質(zhì)片巖、綠巖(變玄武巖)和藍片巖(藍閃石片巖和角閃片巖)。巖塊從礫石般大小到直徑超過30.5 m，綠巖和藍片巖是最堅硬的巖石，在右壩肩下游構(gòu)造包裹物直徑可達幾十英尺；雜砂巖屬中硬巖—硬巖，通常以小礫石和漂石的形式出現(xiàn)在頁巖體中；硅質(zhì)片巖屬軟巖—硬巖，而蛇紋巖是典型極軟巖。

左岸壩段特姆朗砂巖和河床壩段弗蘭西斯復(fù)合構(gòu)造呈不整合接觸，不整合面傾向西北方向，傾角約20°～25°。

3 重建設(shè)計

根據(jù)壩基地質(zhì)條件和地震條件，重建設(shè)計需要重點考慮壩型選擇、左壩肩滲控、地面加速度1.1 g條件下大壩橫斷面、左壩肩高12.2 m重力式擋墻及原壩殘留部分的大變形對進水口的潛在影響。

3.1 壩型選擇

在概念設(shè)計期間，對原壩的補救方案(部分開挖和清除、扶壁支撐、石柱加固等)和重建壩型進行了深入討論篩選。首先排除了石柱補救方案，因為與原壩內(nèi)條件多變相關(guān)的影響不清楚，而且是否能通過技術(shù)實現(xiàn)也不確定。由于壩基巖石條件多變，下游重建采用碾壓混凝土壩的方案也被放棄。其他壩型包括土壩、土石壩、混凝土面板堆石壩和瀝青心墻堆石壩，也按照地震可靠性和運行情況等多項標準做了詳細評估。基于筑壩材料的可靠性、高地震烈度區(qū)建壩先例和費用等，舊金山公共事業(yè)局決定在原壩下游新建土石壩。

3.2 左岸截滲方式

為了處理左壩肩強滲透性和強風化砂巖(風化深度達30 m)，考慮了4種開挖和滲控措施，包括多排帷幕灌漿、咬合樁地連墻、抽槽回填筑壩材料以及抽槽回填混凝土。

作為壩型論證的一部分，按照多項標準對滲控措施進行了研究，包括地震工況。抽槽回填筑壩材料在長期滲流工況條件下是最可靠的滲控措施，可極大限度地降低心槽中壩體材料受裂縫影響的程度，一旦產(chǎn)生裂縫，反濾排水體能夠控制滲漏并防止管涌的發(fā)生。相比之下，多排帷幕灌漿、咬合樁防滲墻和抽槽回填混凝土均設(shè)置在中強風化、裂隙發(fā)育的砂巖中，地震期間能有效防止裂縫的影響。另外，抽槽回填筑壩材料對成本和工期的不確定性和潛在的負面影響相對較小，造價幾乎是最低的，因此，左壩肩特姆朗砂巖的滲控設(shè)計最終采用該方案。

3.3 大壩斷面設(shè)計

作為詳細設(shè)計的一部分,新建壩的結(jié)構(gòu)基于可用的建筑材料、穩(wěn)定性和地震變形分析結(jié)果來確定。如圖1所示，新建壩壩高67 m，壩頂高程235 m。壩頂寬24.5 m。壩頂寬度考慮了將來心墻加高的需要，將來正常供水水位271 m，相應(yīng)庫容要達到476×106m3。

大壩粘土心墻(1區(qū))由上游壩殼堆石(5區(qū))和下游壩殼填土(4區(qū))支承，心墻和下游壩殼之間為厚4.6 m的濾管(2區(qū))和厚3 m的排水體，心墻與上游壩殼之間為厚2.4 m的上游濾體(2A區(qū))和厚2.4 m的粗濾體(5A區(qū))。下游壩殼下敷設(shè)水平排水系統(tǒng)，兩岸壩段為濾體(2區(qū))/排水(3區(qū))/濾體(2區(qū))，河床壩段為濾體(2區(qū))/排水(3區(qū))/堆石(5區(qū))/濾體(2A區(qū))。為防止水浪侵蝕，對上游壩坡采取堆石(6區(qū))防護。

濾管和排水寬度應(yīng)滿足計算地震作用下的下游壩坡水平位移，且應(yīng)考慮今后大壩加高培厚。另外，靠近壩肩的上游濾體(2A區(qū))上部12 m從2.4 m加寬到4.4 m，在地震時既可以阻止壩肩心墻在壩基附近裂縫向上發(fā)展，又可以防止心墻與壩基脫位。

4 穩(wěn)定分析和地震變形分析

對重建壩穩(wěn)定性和地震變形分析,是假定原壩及其與重建壩之間不存在任何填充物，筑壩材料的工程特性依據(jù)現(xiàn)場勘察取樣進行室內(nèi)試驗確定，壩基巖石的工程特性依據(jù)實地觀察結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果確定。特姆朗砂巖是一種海相沉積的鈣質(zhì)膠結(jié)長石砂巖，其中夾有頁巖薄層和礫巖夾層，其特性采用標準巖體工程方法確定。確定弗蘭西斯復(fù)合建造的特性需考慮“塊基特性”,“塊基巖體”是強度較高的硬質(zhì)巖塊摻雜在軟弱巖體基質(zhì)中的一種混合巖體。確定卡拉維拉斯壩基弗蘭西斯復(fù)合建造特性的方法，是采用斯科特(Scott)混凝土重力壩弗蘭西斯復(fù)合建造抗剪強度確定方法。

穩(wěn)定性分析包括對筑壩完成時間、長期穩(wěn)定滲流、最大可能洪水、水位驟降以及地震后靜態(tài)穩(wěn)定性等的極限平衡分析。同時，也對大壩斷面進行了分析。

地震變形分析采用了兩種方法：①Newmark-type方法，采用QUAD4M給每個滑動體施加平均水平加速度；②非線性有限元法，采用FLAC計算程序。地震變形分析結(jié)果顯示，在設(shè)計地震情況下，上游壩坡面附近的水平位移達到了1 m，下游的達到了0.6 m，均在設(shè)計允許范圍內(nèi)。設(shè)計地震引起的壩頂沉降估計小于1.2 m，小于大壩超高4.9 m。當考慮原壩和兩壩間淤積物時，上游壩坡的變形量可降低50%。

5 地震對其他建筑物的影響

5.1 左壩肩重力擋墻

為避開右壩肩滑坡，將重建壩的溢洪道設(shè)在左壩肩，溢洪道開挖深度122 m。為減少溢洪道開挖土石方，設(shè)計了重力擋墻，既作為溢洪道右側(cè)墻又作為高10.6～12.2 m的左壩肩,見圖2。

溢洪道重力擋墻極限平衡穩(wěn)定性分析結(jié)果顯示，各種工況，包括地震荷載下的滑動及傾覆，重力墻均是穩(wěn)定的。但設(shè)計地震條件下的擬靜力分析表明，合力作用點位于重力擋墻基座內(nèi),但在基座核心點外。該結(jié)果說明重力擋墻有向溢洪道傾斜的可能，在心墻與擋墻接觸部位造成墻基座與地基分離。盡管大壩心墻下游面受到反濾體很好的保護，反濾體與心墻的相互作用減小了心墻開裂的影響，但重力擋墻基座與地基分離產(chǎn)生的裂隙會形成一個通道，壩體土顆粒會沿該通道流失，而不會被下游反濾體攔截。

為了控制擋墻基座與地基分離，減小對大壩心墻完整性的潛在影響，優(yōu)斯公司采用以下3種方法研究了重力擋墻在設(shè)計地震荷載下的動力特性。

(1) 利用土-結(jié)構(gòu)動力相互作用分析法評價重力擋墻的潛在變形及其基座與巖石地基的分離。

(2) 在評價重力擋墻基座分離的基礎(chǔ)上，設(shè)計約束系統(tǒng)，控制基座分離度。

(3) 將土-結(jié)構(gòu)相互作用與約束系統(tǒng)結(jié)合，評估所設(shè)計的約束系統(tǒng)是否可達到預(yù)期效果。

選擇最大斷面進行了土-結(jié)構(gòu)相互作用分析，動力分析采用計算機程序FLAC 5.0版。在不考慮約束系統(tǒng)情況下，土-結(jié)構(gòu)相互作用分析結(jié)果顯示，墻踵與巖基的最大分離寬度為0.06～0.12 m，其值取決于水平輸入地震力的極性。

根據(jù)上述初步動力分析，重力墻踵張開度限制在2.54 cm以內(nèi)所需的力矩值為4 757 kN-m,該力矩用來確定張拉單元的直徑和強度。錨桿設(shè)計考慮了鋼筋屈服強度、灌漿與巖石粘結(jié)失效(28 d砂漿強度27.6 MPa)、鋼筋與灌漿粘結(jié)失效和巖體失穩(wěn)等。約束系統(tǒng)由5排錨桿組成，錨桿中心間距1.5 m，長6 m，使用環(huán)氧涂層75螺紋鋼，采取水泥灌漿方法將錨桿固定到直徑為15.2 cm的孔中。第1、2排(最靠近溢洪道)采用14號鋼筋(直徑4.4 cm)，第3、4、5排采用18號鋼筋(直徑5.7 cm)。

設(shè)置約束系統(tǒng)旨在控制重力墻與地基之間可能出現(xiàn)的分離現(xiàn)象，防止土顆粒流失，土-結(jié)構(gòu)相互作用分析結(jié)果證明設(shè)計滿足要求，重力墻踵瞬時分離度小于1.7 cm，永久分離度0.7 cm。這些分離度在可接受范圍內(nèi)，當最大可信地震發(fā)生時，重力墻能保持大壩的完整性。考慮到重力墻基座和地基之間存在殘余分離，設(shè)置了止水系統(tǒng)，防止土顆粒沿墻與地基分離裂縫流失，止水系統(tǒng)沿重力擋墻地基砂巖中開挖的腳槽布置。

5.2 原壩地震變形及其對取水口的影響

卡拉維拉斯新壩設(shè)計要求利用3個已有的取水口作為水庫排水設(shè)施。可以想見，在強地震作用下，原壩殘留壩體會發(fā)生液化，導(dǎo)致上游部分壩體大變形。由于原壩體中含有可液化物質(zhì)，上游壩腳處滑坡堆積物靠近取水口和排水部位，而且原壩和水庫靠近卡拉維拉斯斷層，當斷層發(fā)生大地震時，強烈的地面運動可導(dǎo)致取水口和排水部位堵塞。

為評價地震對取水口和排水設(shè)施的影響，曾考慮開展定量分析，但由于以下原因而未實施。

(1) 由于三維幾何形狀非常復(fù)雜，需要對原壩體和滑坡體物質(zhì)分區(qū)，分別提出物理力學(xué)性質(zhì)，存在很多的不確定性。

(2) 分析的精度很低，價值有限，為此采取定性分析方法評價，考慮了很多因素，如取水口和排水的高程以及其之間與原壩和滑坡體之間的距離、1918年滑坡體向上游的最初滑動距離、原壩上游的河谷地貌以及原壩是否會發(fā)生大變形的早期研究結(jié)果等。

根據(jù)定性分析，可以得出如下結(jié)論：

(1) 位于高程221.6 m的取水口3不可能被堵塞。

(2) 高程213 m的取水口2被堵塞的可能性很小。

(3) 高程202.25 m的取水口1被堵塞的可能性較低。

(4) 高程183.5 m的排水有可能被堵塞。

基于這些結(jié)論，最終設(shè)計方案包括在高程212 m穿越原壩的引水渠設(shè)置上游倒拱，在取水口2、3和引水渠之間設(shè)置小型堆石戧道，堆石戧道的高程218～222.5 m，其作用是阻擋變形體，避免堵塞取水口。

本文主要討論了卡拉維拉斯大壩重建工程的設(shè)計方案，認為需要考慮最大可信地震發(fā)生時大壩可能遭遇的地面加速度峰值。目前該壩正在建設(shè)中，計劃2018年年底完工。

(孟令欽 馬貴生 白 耘 編譯)

2014-11-23

1006-0081(2015)02-0018-04

TV631.712

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