美國奧姆斯特德大壩施工新技術

［美國］ B.本尼特

美國奧姆斯特德大壩施工新技術

［美國］ B.本尼特

正在施工中的美國奧姆斯特德(Olmsted)大壩工程位于俄亥俄河上，是目前由美國陸軍工程師團(USACE)負責的最大一個土木工程項目。目前正在進行混凝土大壩施工，由于施工中采用了創新的“濕地施工”方法，因而不需要在繁忙的內河水道上修建圍堰和導流工程。

大壩;壩施工;新技術;奧姆斯特德水電站;美國

由于工程所在河道每年承擔近9 500萬t貨物的航運任務，貨運量是美國內河航運系統中最大的，因此該工程引起了公眾的關注，延誤該水道上的航運就會導致商品價格上漲。工程建成后，船舶過閘時間將從現在的至少5 h(視等待過閘時間而定)縮減至1 h以內。

采用濕地施工方法僅是這項工程設計中必須滿足的多項挑戰之一，這是USACE替換陳舊船閘和水壩計劃的一部分，其中某些船閘和水壩建于20世紀20年代。專門為該工程設想的創新項目包括:

(1)研發了起重量達5 300 t的世界上最大的門式起重機。

(2)設置特殊的灌漿墊層防止河床基礎施工期被沖刷。

(3)采用實時動態GPS定位設備，利用水下挖掘機，開挖深度最大可至25.9 m深處。

(4)設計了一個傳感器系統，安裝在混凝土殼體底部，當混凝土壩塊安放在預先設置好的基礎上并在其下面澆筑水下混凝土后，傳感器系統可以識別是否有空隙需用混凝土填補。

(5)設計了一個打樁模板，該模板裝置使樁順利打入河床下18.28 m深處，且誤差不超過4.45 cm。

1 巨型門式起重機

在最開始的設計中，USACE的設計師們提出了雪橇板方案，即壩的主要預制部件必須利用該橇板澆筑和轉運，但后來發現該設計不盡合理，于是進行了改進設計研究。研究表明，改進后的撬板將會使投資顯著增加。后來URS公司提出并實施一種新方法，以替代利用撬板澆筑和轉運，即使用5 100 t級的門式起重機，而且也不會增加投資。

使用的門式起重機是世界上同類型中最大的。施工中，先將固定在吊裝框架上的混凝土殼體提升，然后用起重機將其運至離預制場地400 m外的河岸邊，再用堪稱世界之最的5 000 t級的雙體駁船將其運至河中的永久安放地點。

2 灌漿鋪墊

盡管河道流量很大，工程師們仍提出了一個新設想，即平整并保護河床以利稍后的預制混凝土殼體安放。除了鋪墊本身，基于聲納和GPS技術，還提出了將灌漿鋪墊轉運至河底的似乎可能的方法。

混凝土鋪墊是指長 83.8 m、厚0.13 m、寬8.23 m的混凝土墊，先將其纏卷在岸上的卷盤上，施工時展開鋪設至河底以保護河床基礎。整卷混凝土鋪蓋重約 124.575 t，直徑達 4.57 m。為了覆蓋整個壩底河床，共需要94卷鋪墊。正因為采用了這些新技術，地基處理工程才能在混凝土殼體安放前數年完成，保證了高水位期對基礎的保護。

3 技術創新

利用GPS，安裝在駁船上的挖掘機(全世界僅有兩臺)在河床上開挖深度可達25.9 m，同時，還可以使操作人員將挖掘精度控制在5.1 cm以內。

由于受河水濁度及水深的影響，混凝土殼體安放時難以看清水下情形，然而安裝精度卻要求水平向誤差不得超過 2.5 cm，豎直向不得超過1.27 cm。因為只有如此精確，才能確保殼體準確坐落在樁基上，并與多個主控樁和已安放的殼體配合到位。

為達到上述安裝精度，URS公司聯合運用了一系列先進技術，包括RTK－GPS、雙軸傾斜儀、秒級全站測量機器人、3D模擬等。此外，在關鍵位置還安裝了系泊絞盤、拉緊纜索的絞盤、液壓油缸，以幫助將混凝土殼體轉運到安裝位置和抵抗水流作用。

為使混凝土殼體與其下的120個直徑為61 cm的樁基固結成整體，需在殼體與基礎間直接澆筑水下混凝土，但由于澆筑部位難以接近，因而使該項工作變得很復雜。為確保混凝土與基礎之間沒有空隙，設計人員在混凝土殼體底部布置了500個傳感器。通過傳感器向其所在區域噴氣并依據儀器記錄的阻力，可以判斷傳感器端部是處于混凝土中還是處于水中，從而確定是否需要繼續灌注水下混凝土。

為能在流動的河水中將樁打入河床深達18.29 m 處，并滿足誤差不超過 4.45 cm，研發了打樁模板。該種創新模板可以提高施工準確性和效率，同時，利用GPS和測斜儀器，通過直接和遙感定位的手段，對樁位精度進行了測量驗證。

4 施工工序

奧姆斯特德大壩施工中很重要的一個內容，是制作36個預制混凝土殼體，其中最大的一個重量超過3 500 t。殼體尺寸為 30.48 m(長) × 30.48 m(寬)×9.14 m(高)，用門式起重機將其起吊到支架上，支架布置在一個傾斜的軌道系統上，通過該系統，殼體及支架被下放到河水中。隨后，用雙體駁船將殼體從支架上吊起，并運送、沉放到基礎上。

一旦混凝土殼體沉放就位，將對其下的環形區用混凝泵灌注水下混凝土，以確保殼體底面與基礎樁基、鋼筋連接成整體結構。作業包括采用濕地施工方法建造弧形閘門段和施工航道段的殼體建筑物、弧形閘門以及船閘閘門上的充水和泄水門。

利用RTK－GPS、傳感器、專為該工程定制的疏浚軟件以及一個無線網絡，使開挖施工實現了自動化。由最多5個開挖駁船完成的所有開挖，均通過無線網絡由控制中心進行監控，以保證所有挖填施工符合該工程的技術規范。同時，該無線網絡受控于USACE駐工地代表處，通過它，可以將駁船準確布置在擁擠的施工場地內。

5 工程通信系統

施工期間，在適當的時間傳遞正確的信息，對工程順利完成至關重要。為便于通信，施工場地布置了無線局域網絡(WLAN)。工程人員在伊利諾伊岸側修建了一座塔，以該塔為信號中繼站，通過高頻無線電，水中的所有工作部位、每臺施工設備都能收發信號。

WLAN可以為業主、工程辦公室、安全辦公室、倉庫、木工房、河邊混凝土制作廠、混凝土殼體預制場提供電子郵件收發、基本計算、訪問數據庫、查詢技術規范和CAD文件。

同時，WLAN還可以為安裝在以下施工設備上的GPS信號接收器輸送實時測量數據:

(1)開挖和打樁駁船。在河床地基處理的各個階段，每艘船在壩基范圍內的位置、方向都可以顯示在駁船操作室內，甚至每臺施工設備的儀器上顯示的補充信息，能使操作者清楚地知道正在開挖和打樁的具體位置。

(2)雙體駁船。通過操作數據的定期交換，使混凝土殼體能準確地在河中安放就位，同時相對于混凝土殼體基礎(腳印)的位置、方向，船上操作室內同樣可以顯示船體方位和狀況。

(3)兩般拖船主要用來拖移定位所有的駁船，因此拖船操作人員必需知道精確的GPS實時測量位置，以便準確將駁船拖動和定位。

6 滿足經濟增長需要

奧姆斯特德大壩工程是USACE用于取代一些年久失修船閘和水閘計劃的一部分，這些病險壩中，有些甚至是在20世紀20年代修建的。新修的奧姆斯特德壩預先考慮到了該地區以及俄亥俄河水上貿易不斷發展的需求，因此，相應地，水運基礎設施需要實施定期維護、更新。該工程建成后，航道水深全年可達2.74 m，從海拔216.41 m的俄亥俄州匹茲堡市到海拔82.30 m的伊利諾伊州開羅市，都能實現通航，通航總落差達134.1 m。

即將被取代的舊船閘和水壩建于1929年，其設計已明顯不能適宜現代化的需求，而且受到了嚴重侵蝕，船舶過閘滯留時間很長，已不能滿足當前的水上交通要求。新建的船閘過船效率將會較高，牽引船隊過閘滯留時間較短，而航運延誤最終將導致通過該水道運輸的商品價格上漲。

有人預計，該工程每年將節省8億美元的費用，并將在21世紀有力地促進該重要地區的經濟增長。

鄭 毅 譯自英刊《水力發電與壩工建設》2011年第10期

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