圣維森特壩加高工程設計施工

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1 概 述

目前，美國圣維森特(San Vicente)壩加高項目即將完工。

美國加州的圣地亞哥縣約80%的飲用水依靠引進，是由加州北部的舊金山灣三角洲和東部的科羅拉多河供水。在發生自然災害，比如極端干旱或地震時，圣地亞哥及其周邊社區的基本供水可能會被切斷。

為了解決這一問題，并增加區域關鍵應急蓄水，圣地亞哥縣水務局著手加高已有70 a壩齡的圣維森特壩，從67 m加高到102.7 m，將增加1.87億m3的蓄水容量。大壩加高后水庫將提供正常供水，另有應急蓄水功能。在雨季，將多余的水儲存起來，供干旱年份使用。

圣維森特壩加高是水務局15億美元應急蓄水工程(ESP)的最大項目，該工程主要包括水庫、管道和泵站。當圣地亞哥地區從外地引入的供水中斷時，該工程即可為該地區供水。ESP已經進行了超過10 a，一旦完建，將增加圣地亞哥的水庫容量并擴大現有的輸水和配水能力，并可提供長達6個月的應急供水。

2013年底大壩加高部分工程建設完成。在2015年和2017年之間，當相關的工地項目的各期工程都完成，并在可獲得外部輸入水的基礎上，圣維森特水庫將重新提供娛樂使用。當水庫蓄滿水時，可提供30萬戶家庭1 a的用水量。

2 碾壓混凝土方案

圣維森特壩是混凝土重力壩，位于加利福尼亞的圣地亞哥以西，始建于1941年至1943年，以滿足該地區不斷增長的人口的需求。在過去的70 a中，圣地亞哥縣的人口已經從約50萬增加到了310萬。自該壩修建運行至今，已超過70 a，圣地亞哥地區的持續發展，意味著原來建的壩確實需要改擴建了。

作為應急蓄水工程整體的一部分，2006年，水務局選定科羅拉多州美華集團為圣維森特壩加高項目最終的設計和工程施工提供咨詢。工作范圍包括采石場的設計、施工支護設計、工程造價和成本估算。工程施工分為幾個不同的分包項目來實施，包括采石場和碾壓混凝土(RCC)混合料試驗(分包1)、基礎開挖(分包2)、碾壓混凝土壩施工(分包3)。當項目主要組成部分的設計完成后，在多個分包的情況下，有些施工工作就可以開始。水務局聘請博萊克·威奇和帕森斯聯營體，為大壩加高施工管理提供服務。

全球環境研究所(GEI)顧問公司領導的早期策劃團隊，選擇采用碾壓混凝土的方案來將現有的壩加高35.7 m。

對圣維森特壩壩加高施工，碾壓混凝土的方法有著明顯優勢。最終的設計團隊優化了現場骨料的利用以降低成本，并開發緊密結合原壩體結構物理性能的混凝土混合料。廣泛測試了現有大壩的材料，以及分包1的新的大壩碾壓混凝土材料，結果都證實了正常和極端的地震條件下預期的結構性能。

由于可就近開采巖石，碾壓混凝土是最具吸引力的選擇。通過使用這種方法，碾壓混凝土90%的主要成分，是利用從不遠處環繞供水及娛樂用的舊碼頭的山坡上開采的巖石在現場制作的。這種利用現場資源，有助于避免超過10萬車次送料卡車通過當地的湖濱社區。

碾壓混凝土具有與普通混凝土相同的基本成分，但由于其不同的配合比，形成了一種更干的、零坍落度的混合料。普通混凝土更昂貴和耗時，因為混凝土是勞動密集型活動，澆筑混凝土消耗的工時比率高，如混凝土面部成形、接縫的制備、用振搗器振實混凝土。另一方面，碾壓混凝土提供了一個較低的工時和混凝土體積之比，由于可用機械設備來傳送和壓實混合物，從而可以減少立模和接縫的清理工作。

加州大壩安全委員會對此比較滿意，因為這種方法在5 a以前已成功應用于在圣地亞哥縣內新建設的奧利文海恩(Olivenhain)壩。該壩是水務局增加圣地亞哥地區蓄水容量計劃中首批項目中的一個項目，2005年完成。美國美華集團(MWH Global)也是將其設計為碾壓混凝土壩。奧利文海恩壩和水庫項目被國際大壩委員會(ICOLD) 公認為是1980年到2010年的30 a間，現代碾壓混凝土大壩的一個里程碑項目。它還達到了平均月澆筑速率為121 896 m3和最大月澆筑速率為224 675 m3、成為世界碾壓混凝土澆筑最快的前4名。RCC總體積為107萬m3。

奧利文海恩壩設計和施工許多經驗教訓已被應用在圣維森特壩，以保證業主的整體利益，包括選擇采用碾壓混凝土的方法加高大壩、建設分包方法，以及采用現場采石場和拌和廠的方法，用以生產骨料和碾壓混凝土。

在經過規劃和最終設計階段以后，加高圣維森特壩的施工工作于2009年夏季開始。第一階段的施工(分包2)始于基礎開挖，其中還包括拆除原壩下游側的混凝土，直接在新老大壩之間建立一個高強度的混凝土粘結面。采用高壓水噴射拆除，以確保對現有大壩上保留的混凝土不造成結構損傷。原壩會露出一個堅實、不規則的骨料表面，這樣新的碾壓混凝土就可以與之強力粘結。基礎開挖施工采用控制爆破來清除表層材料，以達到的合格堅硬巖石為限。此外，壩的安全部門還要求在本分包中，在現有的壩中開鑿一條直徑為3 m的隧道，為建立低位泄水孔系統作結構準備，用于緊急情況時放空水庫，這項工作并未包含在壩的原來施工任務中。

現有的娛樂碼頭區被改造成一個大型采石作業區，與碾壓混凝土拌和廠結合成一個整體。碾壓混凝土材料被運送到不遠的壩上，澆筑在現有壩的下游側，直到現有壩的壩頂，然后繼續向上澆筑，將大壩加高35.7 m。零坍落度的碾壓混凝土材料通過輸送機運送，然后用卡車和推土機鋪筑。RCC材料按一定厚度的水平層成階梯狀澆筑在大壩的下游坡上。2011年9月，開始澆筑壩加高基礎的第一層混凝土，2012年5月，迅速澆筑到原有壩的壩高，2012年9月達到最終壩高。

最終，碾壓混凝土設計方案中，指定使用從壩的上游取料坑中獲得的原始混凝土材料，以便與原壩建設用的骨料材料特性相匹配。一旦壩加高工程完工，該壩的新、老兩部分混凝土壩體將共同在正常和極端條件下，作為一個單一的整體結構發揮作用。每日的實驗室材料試驗證實，每批混凝土都達到了強度和性能規范方面的要求。特別是從熱學特性的角度來看，這是一個相當大的優勢，不僅因為碾壓混凝土的骨料功能與壩材料的熱學特性是最佳匹配，而且巖石也很容易通過爆破方法而從礫巖地層中開掘出來。

2012年9月，大壩的加高施工已達到其最終高度102.7 m，這標志著它是美國用RCC加高,且加高工程量最大的混凝土壩，同時，也是世界上使用碾壓混凝土加高，且加高部分最高的混凝土壩。

盡管圣維森特壩使用的是成本較低的碾壓混凝土，但必須就控制碾壓混凝土材料成本的條件對每個壩段的澆筑現場進行評估。這些條件如下：

(1) 粗、細骨料的可用性；

(2) 混凝土壩基巖合適的強度；

(3) 可能會導致過度不均勻沉降的局部斷裂或不同的基礎條件。

3 環境方面

正如對待許多水利基礎設施項目一樣，工程師需要考慮加高大壩的環境問題及隱含的各個方面。

作為圣維森特項目一部分而評價的環境問題，包括清潔空氣、水和一些瀕危物種。工程師按照批準的許可證和地方法規要求，提供嚴格的項目規范來控制水和空氣污染。加州沿海的蚋鶯(gnatcatcher)是在加州南部發現的，且目前被美國漁業與野生動物局列為瀕危物種的一種食蟲鳴禽，已在圣維森特壩址附近安家。水務局和承包商通過與所有地面施工和維修作業方進行協調，對這些敏感的物種提供保護。

為了最大限度地減少采石場作業對項目現場環境的影響，壩的上游未來水庫位置的取土坑和采石場塘區已被開發。采石場作業產生的廢料被用來開發填充新的大規模停車場和壩的上游船用坡道，以避免因廢物處置和為獲取需要的填筑料進行新的開挖導致的額外成本。這種策略使施工工地挖填方達到平衡，并使運料卡車通過當地社區的車次減到最少。

4 后期階段

修建一個新的休閑碼頭和更換圣地亞哥市的管道等其他工作，將一直持續到2015年。盡管在工程施工過程中，水庫仍然一直保持對商業客戶開放，但自2008年以來，該水庫已停止供娛樂使用。碼頭建成后，必須補充約0.6億m3的水到水庫中，以便向公眾開放。

圣維森特壩加高工程將使該水庫處原來碼頭設施的規模增大1倍以上，這是當地水上運動愛好者的熱門目的地。由于現有碼頭將被擴容后的水庫水位淹沒，因此，還將興建一條有6個行船道的船用坡道、新的碼頭，增設停車位，以及新建服務大樓、野餐桌和遮陽建筑物等。

碾壓混凝土施工方法是加高圣維森特壩的一個既高效、又經濟的方法，使圣維森特壩在滿足該地區的應急蓄水需要方面發揮了重要作用。