RCC在美國水利工程中的應用

美國的聯邦機構，尤其是美國陸軍工程師團(USACE)和美國墾務局，在大壩和水工建筑物建設中采用RCC結構的數量在不斷地增長，建設規模在不斷地擴大。

波多黎各的波圖格斯(Portugues)大壩是其中規模最大的RCC工程，該工程由USACE負責建設，并于最近完工。此外，還有許多規模較小的RCC項目，比如USACE準備在田納西州的森特希爾(Center Hill)水庫副壩的下游建造一個平臺，并計劃維修蒙大納州佩克堡(Fort Peck)大壩的水墊塘。

美國墾務局負責的重點項目是愛達荷州的米尼多卡(Minidoka)大壩溢洪道以及堤壩的大范圍改造工程。

1 RCC與USACE

自從USACE于20世紀80年代早期在太平洋西北地區建造了柳溪(Willow Creek)壩，RCC壩的建造就在美國水工建設中獲得了一席之地。從那時開始，USACE建造了許多不同規模、不同類型的RCC水工建筑物。

2 波圖格斯大壩

波圖格斯大壩由USACE杰克遜維爾區(Jacksonville District)團隊承建，該壩壩高為 67.1 m，從2008年年初開始施工，直至2013年年末完工，項目共耗資 3.86 億美元，是龐塞(Ponce)市的波圖格斯河和布察納(Bucana)河防洪規劃方案中的重要組成部分。

波圖格斯大壩水庫總庫容為26 584 m3，由USACE負責開發設計，德拉格多斯(Dragados)集團負責工程施工。波圖格斯壩壩型為單心厚拱壩，USACE稱這是美國第一次在該類型大壩上使用RCC結構。然而，該壩并不是完全按照最初的設計方案建造的。

龐塞地區經常遭受由颶風和降雨帶來的季節性洪水。最初對該地區開展的大型防洪方案評估工作始于20世紀40年代，在20世紀60年代中期，提出了由2座具有多用途水庫和雨洪渠道組成的防洪設計方案。并于1970年獲準按該理念開展工作。20世紀80年代，按照設計理念，將工程設計成了三心雙曲薄拱壩結構，這是USACE最初的設計方案。該設計方案獲得批準后，就在壩肩處重點實施了灌漿及帷幕灌漿(包括持續灌漿的新工序)試驗工作。

與此同時，在20世紀80年代末90年代初，該防洪管理方案的另一個重要組成部分-塞利羅斯(Cerillos)土石壩已經建成。此外，該市防洪方案的重要組成部分之一的雨洪渠道也建造完成。

然而，USACE稱，相對于波圖格斯大壩而言，該項目的開發工作在2000年年末施工合同開標后就已陷入停頓狀態；采購工作僅僅吸引來了一個報價，而且該投標報價明顯高于概算。

遇到這一阻礙后，隨即啟動了該領域研究規劃的5a計劃并進行重新設計。由USACE的計算機輔助結構工程專題小組為研究工作提供技術支持，該小組成員也有來自美國墾務局的工程師。專題小組研制開發出了拱壩軟件和拱壩設計標準。

這些額外的研究工作將原設計的三心雙曲薄拱壩轉變為了單心厚拱壩，USACE稱這是一個較低成本的選項。然而，這種設計方案的工程并不像20世紀70年代所設想的那樣具有多種功能，該項目只具有單一的防洪功能。

波圖格斯大壩是USACE第1次在波多黎各采用這種建造方法。USACE稱，該項目曾通過這種技術帶來的好處來幫助教育眾多工程師和學生。

USACE補充稱道，已經將該項目作為陸軍工程兵團的“大壩安全大學”計劃(一項將臨近退休工程師的知識傳授給下一代工程師的倡議)的一部分。由于美國很少新建大壩，然而大壩的維修和改造工作在未來會越來越多，因此該項計劃非常重要。

波多黎各自然與環境資源部是當地項目的業主。該部門希望在2015年能夠運行、控制波圖格斯大壩及其水庫。水庫的最佳庫水位高程為EL134.05 m，并允許庫水位降低至EL125.0 m左右，且最低可降至高程EL113.4 m，以削減洪峰流量。波圖格斯大壩溢流堰堰頂高程為EL156.3 m。USACE為該防洪設施的管理機構。

3 森特希爾水庫

在田納西州的坎伯蘭流域，在USACE的納什維爾轄區內正計劃在森特希爾水庫副壩壩趾處建造一條RCC平臺以及建造一座自潰壩。該項目的設計理念在2006年就已經獲得確認，即水庫的土石副壩在滲流或管涌作用下發生潰壩時，需要一個備份結構來擋水以維持水庫庫容，或者在可能最大洪水事件中作為非常溢洪道使用。

研究解決該問題的方案包括：

(1) 什么也不做；

(2) 對副壩進行灌漿；

(3) 在該結構里建造防滲墻，或在土石壩正下游布置一個平臺。

設計方案最終被確定為RCC平臺方案。RCC平臺結構的最大優點是：與土石壩結構不同，RCC不僅能夠抗漫壩，而且還可以抗滲流或管涌引起的內部侵蝕。因此，USACE稱，RCC質量能夠橫跨軟弱基礎的巖溶塌陷區而不會發生災難性事故。

雖然這是一項成熟技術，通常適用于一般混凝土和RCC，但該項目的重大挑戰仍是配合比設計。在這個實例中，特殊挑戰來自于當地的石灰巖骨料資源，該地區的石灰巖骨料有可能與水泥發生長期化學反應。因此，USACE正在進行一個大型測試計劃以評估平臺項目的風險，并希望以此來幫助確定設計標準。

設計開發工作基本完成，設計方案是將加固平臺布置在副壩的下游坡腳處；副壩后面的空間將會被回填，在RCC結構頂部與土石副壩間形成一個水平場地，在水平場地的頂部將設置一座自潰壩(見圖1)。

圖1 森特希爾副壩RCC平臺斷面

目前，平臺的設計工作已經開始，結構的預期參數是高為29.9 m，基礎寬度為 36.6 m，壩頂寬度為7.9 m，壩頂長為228.6 m，為整個結構總長(282 m)的81%。RCC平臺下游面嵌設常規混凝土面板臺階，臺階寬為1.5 m，高為1.6 m。上游垂直面的大部分高程均設置有厚度不小于300 mm的灌漿RCC。在平臺的內部將會設置一條檢查廊道。

該RCC平臺計劃于2015～2017年間建造。目前還沒有預想到會在建設過程中遇到的特別困難。在此期間，作為大型建造項目的一部分，無論在什么情況下，水庫水位都將會降低，以暫停森特希爾主壩的滲流，從而減少風險。

已經提交了該結構側面的RCC結構設計成果，而且作為工程治理計劃的額外部分，正在該水庫實施。目前USACE正在土石主壩中建造防滲墻。

為了這個大項目，納什維爾轄區工程施工組織正在從位于同一個流域的沃爾夫克里克壩上最近完工的類似項目中總結經驗教訓。USACE的一個重要工作內容是使用其獲得了優等獎的信息管理系統來控制、保證防滲墻部分的垂直度和樁的堆疊效率。該平臺施工有望于2015年中期前后完工。

4 佩克堡大壩

2011年，密蘇里河發生的嚴重的洪澇災害毀壞了位于蒙大納州的佩克堡大壩的水墊塘。此次洪水使佩克堡大壩的泄洪道長期處于超量泄洪狀態，其最大泄洪量超過了過去2倍多。

USACE的奧馬哈轄區工程組織稱，高速水流沖刷了大壩下游端，暴露了大部分支撐溢洪道泄槽的截滲結構。洪水過后，只有不到一半的 21.3 m預埋件保留了下來。其他需要維修的部位包括處理被損壞的閘門、泄洪道表面混凝土、事故閘門控制系統、減壓井以及橫向排水管道。

佩克堡大壩修建于20世紀30年代，為水力充填及碾壓式填土結構，是美國同類型結構大壩中最大的一座。該大壩高為76.4 m，除溢洪道外，壩軸線長為6 410 m。水庫從1937年開始蓄水，并在1942年達到了最低庫水位，在1942～1961年間，增加了5臺發電機組。

在佩克堡大壩的右岸，有一座遠程閘門控制泄洪道。該泄洪道寬為250 m，共有16個垂直起降閘門，每扇閘門寬為12.2 m，高為7.6 m，每扇閘門關閉后的頂部高程為12 250 ft。在水庫水位高程為海拔 685.8 m時，泄洪道所有閘門處于最大開度時的設計泄洪量為6 509 m3/s。在庫水位高程為海拔686.8 m時，泄洪道所有閘門處于最大開度時的設計泄洪量為7 783 m3/s。

在2011年洪水來臨之前，佩克堡大壩出水口處破記錄的最大下泄流量與1975年的一樣，為990 m3/s。然而，在2011年6月中旬，密蘇里流域上游部分地區破紀錄的降雨也帶來了前所未有的徑流量，伴隨著平原和山脈融雪水，導致許多大壩的出水口下泄流量達到最大值，更不用說從泄洪道下泄的洪水量。在佩克堡大壩，出水口的下泄流量為1 865 m3/s，這是岸邊泄洪洞與電站廠房的最大泄量。

USACE選用RCC來維修和擴建水墊塘的支撐結構。這些工程將在2015年年末完工，而其他維修工作則需提前完工。

5 米尼多卡大壩

美國墾務局愛達荷州米尼多卡水利樞紐的改造工程：除了新建一座泄洪閘和改造其他原有泄洪閘以外，還包括新建2條RCC溢洪道和2座RCC堤壩。該工程主承包商是當地的RSCI集團事務所，工程建設于2011年年末開工，計劃于2015年年初完工。

米尼多卡水利樞紐是位于斯內克河的一個集調水、蓄水、水力發電等功能的綜合水利樞紐，建成至今剛好100周年。在建設階段，原始曲面溢洪道建設效率很高，于1906年完工；樞紐增加有閘墩和疊梁門，使水庫水位上漲了1.5 m。

該溢洪道并不是一個連續的結構，它被一個弧形門泄洪道分成兩段。這種不規則的布置是由于設計者試圖將該結構與地形相適應，以最大限度地減少橫斷面區域，從而降低成本。這些閘墩的中心彼此間隔約為2.1 m，因此該溢洪道有292個溢流孔。防洪管理部門要求手動移除這些疊梁門。

該結構遇到的挑戰包括冰荷載，冰荷載會破壞混凝土，管理部門在冬季將庫水位限制了在初期壩頂高程，以此來最大限度地減少該風險。季節性限制水位不僅使水庫損失了一些庫容量(初期工程預期的額外庫容)，還需要經常移動和復位疊梁門。

然而，泄洪道的混凝土缺陷問題更多，這些問題是由于凍融循環、堿硅酸反應(ASR)、年代久遠以及設計原因共同引起的。缺陷還包括在初期溢洪道加裝閘墩的部位出現了劣化問題。

美國墾務局通過開展一系列的工作來解決上述問題。這些工作包括新建RCC溢洪道，以替代原先加裝閘墩的溢洪道，新溢洪道的頂高程與原溢洪道的疊梁門頂高程相同，因此，正如當初所設想的那樣，永久性地將水庫水位額外提高1.5 m。由于新溢洪道的高程較高，使洪水流過堰頂的水深將比先前的水深要小，因此這些部位的泄洪能力要減小。

美國墾務局稱,作為改造工程的一部分，將會修建一座新的12孔垂直閘門泄洪道結構，建成后，將作為主要防洪設施使用。

新溢洪道的上游面為垂直面，頂部寬為3.4 m，下游面的坡比為1∶0.72，其表面覆蓋一層厚為300 mm的結構混凝土。每層RCC上部設置一層加強混凝土，在RCC上游面和頂面同樣會嵌入一層加強混凝土，在順著溢洪道長度方向在每隔 9.1 m的收縮縫上將設置永久止水結構。

美國墾務局稱，新溢洪道建成后，水庫在冬季將不會再將水位降低1.5 m運行。

這些工作還包括拆除運河的渠首，壩基開挖，修建岸邊溢洪道、泄水渠，安裝弧形閘門、閘門啟閉機以及其他由墾務局提供的相關設備。