美國大圖洪加壩的抗震防洪加固

［美國］G.塔伯斯 等

大圖洪加(Big Tujunga)壩位于洛杉磯北部圣蓋博(San Gabriel)山，最初是一座薄拱壩建于1931年，主要目標是防洪，近年來該水庫還為洛杉磯供水。該壩壩高74 m，壩頂長度(包括壩體右側的土堤)為253 m，曲圓弧形薄拱壩形成水庫的蓄水容量可達700萬m3。

幾十年來，人們一直擔心該壩不能應對大地震或洪水事件，在此期間，還允許水庫滿庫容運行，洛杉磯公共建設局(LACDPW)著手通過工程結構和基礎方面的改善措施對大圖洪加壩進行修復。

使加固大壩達到安全標準至關重要，否則，假如洛杉磯市遭遇一次大地震或洪水事件，破壞可能會導致以下嚴重后果:①人員傷亡;②家園、樓房、公共設施及道路可能被毀，預計會造成的經濟損失約1.75億美元;③受公用服務和商業(yè)中斷影響的人數(shù)會超過10萬;④生活用水供應中斷，會影響到近1 000萬居民。

在國際工程公司美華公司(MWH)的幫助下，開始對大圖洪加壩進行修復和溢洪道改造工作，以便該壩滿足應對最大可信地震(MCE)和可能最大洪水(PMF)的最新標準。

1 修補完善

大圖洪加壩抗震防洪的歷史已超過30 a，在此期間，進行了一系列的改進、研究，實施了許多補救措施，特別是將重點放在對壩肩和地基的改進方面。

大壩建設一直延續(xù)到1968年，期間進行了8次補救工程，每次工程的實施都試圖沿上游壩腳建造一道連續(xù)灌漿帷幕，并確定壩底下裂縫的輪廓范圍和封閉裂縫。然而，這些努力并未減少滲漏流量，因而，壩肩依然存在失穩(wěn)的可能性。

對大壩遭受抗震的擔憂在1975年的一項研究中得到進一步證實，結果表明，在一次MCE事件中，大圖洪加壩無法抵抗地震的荷載。因此，在全州范圍遭遇嚴重干旱時，大壩水位被加州水資源管理局限制在25%庫容的相應水位。綜合考慮抗震問題，最新水文氣象報告(HMR)研究證實，大圖洪加壩的溢洪道不符合PMF的標準。

LACDPW拖延了采取工程補救措施的時間，近30 a選用限制水庫水位和最大水庫面積的方法以確保大壩安全，LACDPW僅對其他14座大壩采取過難度較小的抗震措施和溢洪道補救措施。這樣做主要是由于對工程進行完全修復需要花費近1億美元的高額費用，如此巨額費用迫使LACDPW慎重考慮工程的成本效益比，包括對以下兩種情況進行評估:①將大壩完全恢復到能滿庫容蓄水;②將大壩轉變?yōu)閿r沙壩而不恢復大壩庫容，但可供必要的防洪之用。基于大壩對流域防洪的關鍵作用，大壩拆除并不可選。

2004～2005年的冬季正是大圖洪加壩最終修復設計的中期，洛杉磯卻經歷了近幾十年來最濕潤的季節(jié)，高達170 m3/s的流量將該壩下游左岸噴漿支護的河谷側壁沖毀并墜入河中，這一事件促進了對相鄰止推座定性的深入研究。盡管沒有有力證據(jù)表明這會導致左壩肩和止推座破壞，但仍有河谷邊坡坍塌的風險。

這一事件進一步堅定了LACDPW完全修復大壩的決心。

2 完全修復

修復的第一步是1996年委托MWH對大壩進行研究，重新分析大壩面臨的地震和水力學方面的問題。研究證實，大圖洪加壩現(xiàn)在的結構已不能應對MCE和PMF，這就迫使MWH提出一系列修復方案，通過改變大壩結構等措施來達到所要求的標準。

初步建議要求修建下游混凝土扶壁，將該壩轉化為重力壩，然而這一設計理念卻存在許多挑戰(zhàn)，包括不良基礎條件、沖積物質的數(shù)量、需要挖除的風化基巖的數(shù)量以及將壩變成重力壩所需要混凝土的方量和費用等方面的不確定性。

MWH工程人員所進行的綜合地下巖土調查項目有助于更好地理解未知問題。在此基礎上，尤其是針對地基巖石如何支撐建造大壩下游扶壁的附加混凝土重量等問題，工程人員進行了重新設計，最終決定把大圖洪加壩作為厚拱壩來保護。

工程人員減少了地基上不必要的混凝土，并將其重新分配在相應高程，以增加拱壩的強度，并保持推力沿水平方向向壩肩轉移。這種優(yōu)化設計大概能節(jié)約30 582 m3的混凝土，相當于節(jié)省 2 500萬美元。

除了在原壩上建成具有挑流坎的反弧形堰頂溢洪道以外，這種設計最終通過貼緊大壩下游面增加混凝土的方法使其成為厚拱壩。

為實施這種設計方案，在從壩基到壩頂?shù)膲误w下游面上，大約澆筑了53 518 m3的常規(guī)大體積混凝土，將壩體結構轉變?yōu)榫窆叭Φ暮窆皦?。新澆筑的混凝土使大壩壩頂增?3.7 m，壩頂總厚度達6 m，壩體下游面的坡度為 0.25∶1(水平∶垂直)，拱壩下部增厚約20 m。

為確保壩體的整體性能，并增強新舊混凝土的粘合力，將混凝土與水平安裝并灌漿固結的插筋網(wǎng)結合成整體，這種插筋埋設在原壩下游面板中和新混凝土的上游部分。加厚的拱壩強度增大，可承受MCE的荷載。

為使大壩符合PMF的標準，需要在原混凝土重力支墩的下游面修建一個階梯形中央溢洪道。這一設計理念有助于漫頂洪水從支墩面分級下泄時消能。

然而，在對大壩修復設計進行優(yōu)化時，MWH的工程人員推薦了反弧形堰頂溢洪道，當該溢洪道與現(xiàn)有右壩肩溢洪道聯(lián)合工作時，能夠滿足PMF的泄流要求。這種非傳統(tǒng)的彎曲形溢洪道，基本原理是將水流高高挑起，泄入壩體下游河谷的水墊塘中。

整個恢復項目包括巖土工程、結構、水力學以及機電方面的改進，還包括安裝最先進的壩體檢測儀表、控制設備、新控制房、交通廊道以及新閥門，并建造了一個閥門房。

3 滿足抗震和水力學標準

研究人員采用三維有限元法分析后證實，大圖洪加壩的最終設計既能滿足PMF，又能滿足MCE的荷載要求。分析表明，厚拱壩的理念在靜態(tài)荷載條件下較為安全，包括極端PMF情形，符合美國陸軍工程師兵團所規(guī)定的大壩安全系數(shù)標準。

在MCE條件下，通過三維有限元法表明，重建的大圖洪加壩新設計方案中，所有部位混凝土的動力抗壓強度都在評估范圍內。盡管一些拉伸應力的峰值超過了預估的動力拉伸強度，但這些應力偏差是孤立的，只作用于大壩表面。

同時MWH還進行了敏感性分析，以評估壩基模型中在不同條件下的影響，包括描述地質和材料性能方面發(fā)生突然變化的垂直邊界。這種敏感性分析證明了大壩內應力峰值的位置變化，包括有垂直和無垂直兩種邊界條件，但總體應力值和超過允許應力情況的數(shù)值保持不變。

通過分析和對壩體整個厚度范圍內的各應力變化過程線的比較研究，結果表明，假如發(fā)生了MCE，也不會影響整體結構或存在潰壩風險。雖然在壩體上游或下游面可能會發(fā)生局部裂縫，但認為對壩體進行全面修復，且在滿庫容條件下運行是符合安全標準的。

4 確保未來大壩安全

在大壩安全修復過程中安裝的新型自動化儀表設備將用于確保大壩安全的長期監(jiān)控中。這包括評估大壩在設計參數(shù)下的運行情況，確認壩基排水系統(tǒng)的有效性，監(jiān)測水庫蓄水和快速放空期間大壩的性能，了解大壩在地震中的反應等。自2011年7月大壩恢復工程竣工和水庫蓄水以來，未發(fā)生重大問題。

除了滿足大壩修復工作的主要目標(確保大壩安全)以外，在工程項目中還加強了水資源和環(huán)境保護措施，使水庫完全恢復到滿庫容，每年可多調出約550萬m3水量，避免洛杉磯市從其他地方引水，可節(jié)約225萬美元左右。

目前大壩能夠進行小流量的泄水，這在以往裝有大型閥門的原壩結構中是不能實現(xiàn)的。新安裝的24寸射流閥門允許大壩下泄最小流量，可作為下游的河流和池塘水量的有補充，以改善沿河許多物種，特別是加州瀕危物種——圣安娜吸盤魚(Santa－Ana Sucker fish)重要棲息地的生態(tài)環(huán)境。

大圖洪加壩的修復加固工程被加州大壩安全管理者協(xié)會(ASDSO)授予“2011年全國恢復工程”年度大獎，該工程是修復加固工程中創(chuàng)新、安全的示范工程。