波多黎各波圖格斯碾壓混凝土壩施工挑戰

[美國]　R.I.艾德考安 等

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設計與施工

波多黎各波圖格斯碾壓混凝土壩施工挑戰

[美國]R.I.艾德考安 等

摘要：在介紹波圖格斯壩概況的基礎上，重點闡述了大壩施工期間遇到的挑戰，包括壩基地質條件復雜、雨季河道洪水頻發、當地熟練工人缺乏、可利用的材料和設備有限，以及高溫季節澆筑混凝土等。通過參建各方的共同努力，最終總結出了一系列應對并克服挑戰的施工經驗，保證了施工項目的順利實施，可為類似工程借鑒。

關鍵詞：碾壓混凝土；大壩施工；高溫季節；澆筑混凝土；施工經驗；波圖格斯壩；波多黎各

1工程概況

波圖格斯大壩位于波多黎各中部地區、龐塞市西北約 5.5 km處，靠近南加勒比海岸，距離波圖格斯河入海口約13 km。該工程由美國陸軍工程師團(USACE)設計，由USACE和該國自然與環境資源部(DNER)共同所有。在強降雨季節，該工程可抵御洪水、熱帶風暴和颶風。工程附屬建筑物包括壩身溢洪道、進水口結構，以及位于1.8萬m3碾壓混凝土(RCC)支墩頂部的控制室。工程施工包括巖石基礎開挖、基礎處理、混凝土骨料開采以及連接壩頂與閥門室的道路修建等。

1.1建設歷史

龐塞是該國人口第二多的城市，其北部山區受河流水位陡漲陡落影響，常導致下游城市地區發生洪水，威脅人民及財產安全。

USACE初期設計的波圖格斯壩為三圓心雙曲薄拱壩。21世紀初，因初期方案單項施工投標報價大大超出政府投資預算，需要設計更經濟的替代方案，故USACE最終選擇了當前的拱形RCC重力壩方案。

1970年，波圖格斯河和布卡那(Bucana)河防洪工程獲得批準。該工程包括2座大壩，其中波圖格斯壩為最后1座，另1座為色力羅(Cerrillos)大壩，1992年完工。整個防洪工程包括2座綜合利用水庫，以及壩址下游至河流入海口之間的河道改造工程。DNER是該工程最大的股東。

1.2技術指標

波圖格斯壩為單圓心拱形RCC重力壩，最大壩高67 m，壩頂長375 m。壩體RCC總量超過27萬m3，溢洪道、進水口和壩頂常態混凝土方量超過7 600 m3，基礎處理回填大體積混凝土約1.5萬m3，閥室的基礎支墩澆筑RCC超過 1.8萬m3。大壩上游面垂直，下游面呈臺階狀,綜合坡比為1∶0.35(V∶H)。通過設置間距 21.3 m的接觸縫，將壩體分成18個壩段。寬 2.1 m、高 3.7 m的RCC壩內部廊道位于設計建基面以上，高程約6 m，在廊道內進行帷幕灌漿孔(向上游傾斜)和基礎排水孔(垂直向)施工。在壩頂中部布置寬 42.7 m的開敞式溢洪道，采用挑流消能，常態混凝土施工。

泄洪工程包括2條直徑 1.5 m的泄水管，從壩基與RCC結構之間的大壩常態混凝土內穿過。泄水管從大壩上游進水口結構的閘門延伸至大壩下游閥室的球閥處。

波圖格斯大壩RCC中使用了火山灰水泥，其特點是強度增長緩慢，1 a后設計抗壓強度為31 MPa，但通常超過41 MPa。相對于新澆筑混凝土表面而言，混凝土強度增長緩慢有利于RCC連續澆筑在“熱”的層間縫上，層間澆筑間隙期最長延長至24 h。對于部分混凝土面即“暖”縫面(達72 h)和“冷”縫面(超過72 h)，要求在下層混凝土澆筑之前進行特殊的縫面處理。

2施工設施

為確保大壩正常施工，需設置許多配套設施。主要設施情況如下。

(1) 砂石加工系統。生產3種粗骨料(公稱最大粒徑：50，20 mm和10 mm)和細骨料(砂)，不同粒徑的骨料可配給不同要求的混凝土。

(2) 細骨料篩分系統。可篩除部分無用的細砂。

(3) 現場雙混凝土拌和系統。每次可制備4 m3RCC、常態混凝土或砂漿，輔以2個1 000 t水泥筒倉，1個1 000 t粉煤灰筒倉，3個2 000 t粗骨料筒倉，以及2個1 000 t細骨料筒倉(分別用于存儲洗過或未洗的砂)。

(4) 制冷系統。制冰設備生產能力為200 t/d，水冷卻裝置用于“濕式皮帶”廊道和混合水冷卻，通過2條長120 m的“濕式皮帶”可使粗骨料溫度降至10℃以下，從而滿足RCC澆筑平均最高溫度不超過15.5℃的要求。

(5) 1套移動式混凝土拌和系統。用于生產常態混凝土和砂漿。

(6) 1套長298 m的混凝土輸送系統。將混凝土從拌和站輸送至大壩中部。

(7) 其他輔助設施。機械、電氣、焊接和木工廠等。

在大壩施工期間，無外接電網系統，所有現場設施均采用發電機供電。

3施工挑戰

3.1地形地質條件復雜

受剪切帶影響，工程區內砂巖、粉砂巖和變質火山巖破碎且風化嚴重。由于地質條件較差，難以獲得規則的基礎面。骨料場位于壩址北部約2 km處。

大型開挖設備只能開挖至理論建基面高程，剩余大量的建基面清理工作只能通過人工或小型開挖設備完成，處理過程耗時耗力，且常受大雨和突發洪水影響。

受壩址區地形條件限制，附屬設施布置困難，骨料需存儲在多個位置，通往大壩不同高程的臨時施工道路施工困難。

3.2施工要求嚴格及設備供應受限

大壩施工技術要求非常嚴格，盡管許多要求對于USACE和美國標準而言很常見，但還是給工程施工帶來了特殊挑戰。如前文所述，該工程是波多黎各首座RCC壩，因此許多需求從未在該國實現過，特別是服務供應、材料和設備方面的要求。由于許多當地公司無法提供工程所需的服務、材料和設備，因此不得不選擇由有資質的當地供應商或海外公司提供。

RCC生產屬于工業生產方法，生產設備的連續運轉對于確保混凝土質量非常關鍵。小問題或小故障都可能導致生產中斷，甚至付出高昂的停產代價，隨后可能導致數百人閑置。

該國缺乏施工所需的必要設施，大部分設備和專業零部件必須從海外進口。為了將設備交付、維護和修理對工程的影響降至最小，后勤保障部門需面臨巨大挑戰。盡管德拉格多斯(Dragados)集團美國公司在現場存儲了大量備用件，以減少對工期的潛在影響，但在特殊情況下，某些零部件和材料還需從美國空運過來。此外，該公司雇傭了比正常情況更多的機械和電力人員，每周7 d、每天24 h工作。雖然以上措施增加了項目成本，但對保障工程進度而言是必需的。

根據合同要求，RCC澆筑需滿足下列規定：①必須在平均溫度15.5℃以下澆筑；②只允許在1 a中較冷的月份跳倉澆筑；③必須在24 h(最大層間間隙期)內用新澆筑層覆蓋，否則，需要對結合面進行特殊處理，相鄰澆筑層(暖縫處理)之間應鋪1層砂漿；④必須在45 min之內完成生產、運輸和澆筑；⑤層間清理應由人工完成。

3.3兩岸連接壩頂的交通受限

通往壩頂附近的唯一永久通道位于大壩下游側，但僅能到右壩肩附近，需修建1座橋才能和壩頂連接，理論上只能在右壩肩上部施工完成后才能修建。在大壩澆筑期間，為將輔助設備運至右岸上部，并將RCC澆筑設備從右岸移至左岸，歷經磨難才在右岸上游側修建了1條臨時道路。

由于左岸無永久進場道路，為將設備運至左岸施工部位，并在施工完成后將設備撤走，必須修建另1條臨時道路。但由于河谷左岸地形陡峻，施工困難，因此這條臨時道路不得不建在下游側，并在完成使命之后拆除。

3.4天氣條件惡劣

波多黎各地區易受熱帶風暴和臺風影響。大壩位于城市北部山區的狹窄河谷，地形陡峻，加之波圖格斯河流域內年平均降雨量超過2 000 mm，熱帶降雨頻繁，降雨量大且突然，洪水來臨前幾乎來不及保護現場，更不能將設備或人員轉移到安全地帶。

由于地形較陡，在臨時導流工程的設計中需考慮漫頂問題。漫頂期間，施工不得不停止，直到被淹沒的施工道路和低洼施工區域得到恢復。施工初期，洪水為經常性威脅，需要密切關注氣象預報。在雨季RCC施工時，通常沒有足夠時間來保護施工現場，從而導致混凝土施工中斷，降雨過后又因層間間隙期超過允許時間，增加了大量的額外層間處理工作量。

強降雨期間，因導流圍堰漫頂，施工區域受到影響，連接料場、RCC拌和站和右岸區域的交通受限。

頻繁降雨導致細骨料的濕度連續變化且不均一。RCC對骨料濕度變化非常敏感，濕度的微小變化對于RCC的稠度均會造成影響。為優化RCC生產，往往要求部分砂在處理2～3遍后存儲至棚屋內，以保持濕度一致。

合同要求RCC應在日平均溫度15.5℃以下澆筑，即使在冬季月份，龐塞的平均氣溫也超過24℃。為滿足施工要求，所有用于RCC生產的粗骨料均應預冷至10℃以下，同時在混凝土用水中加入冰塊，以降低RCC的溫度。

由于降雨頻繁，細骨料的濕度相對較高，且在經過冷卻廊道之后，粗骨料也是潮濕的，冷卻RCC過程中應限制各批次添加冰的用量。因此，保持細骨料的干燥狀態對于獲得較低的澆筑溫度非常重要。

3.5熟練工人缺乏

RCC壩施工是一個連續的過程，必須保持不間斷施工，這就需要大量熟練工人。在施工高峰期，波圖格斯壩的施工人員超過800人。

龐塞及其附近地區無現成的熟練施工人員，因此在當地招聘有RCC施工經驗的人員是不可能的，且因費用有限，從島外招聘有經驗的人員也不現實。因此，大部分施工人員必須在當地接受培訓。

RCC施工對時間要求非常嚴格，為確保工程順利實施，要求各工作組的各項工作必須協調一致，從RCC生產和澆筑間隙時間，到層間連續澆筑允許的最大間隙期，超過最大層間間隙期需對層面進行特殊處理。此外，還有一些特殊工作需要不同的工作組來完成，主要包括：①混凝土缺陷處理；②鉆孔和灌漿；③RCC生產、運輸、澆筑和碾壓；④RCC層面清理、準備及濕度控制；⑤模板提升和準備；⑥外表面富膠凝RCC碾壓；⑦接觸縫切割；⑧監測儀器安裝及監測；⑨設備檢查、測試及維護。在這些工作環節中，任何一項工作執行不力或延遲都可能導致停工。

要確保大量的勞動力適應連續的輪班工作確實不易，通常對輪班工作要求很高。由于RCC澆筑主要集中在冬季的6個月內，所以夏季月份不得不辭退大部分勞動力，在下一個澆筑高峰期來臨時，雖然試圖重新雇傭同一批人員，但有相當比例的工人不愿返回，造成大量熟練勞動力流失，而新聘人員又需要重新培訓。

3.6工程安全風險大

對于USACE和德拉格多斯集團美國公司而言，安全問題至關重要。項目中運用了大量的安全作業程序，各項施工中，一直有專門的安全員。

RCC施工要求設備和人員高效且保持協調一致，以免引起嚴重的安全風險。大壩施工采用的傳送系統隨著壩體高度增加而升高，工人作業面高程也不斷增加，安全風險增大。USACE和德拉格多斯集團美國公司對該項目的安全要求和預期明顯高于同區域的其他施工項目，因此安全工作更具挑戰性。盡管在項目施工期間發生過小事故，但并未造成致命或其他嚴重的安全事故發生。

3.7質量控制要求高

整個大壩的安全與施工質量密切相關。波圖格斯壩采用最高質量標準建造。德拉格多斯集團美國公司負責質量控制(QC)，USACE負責品質保證(QA)。在施工高峰期，有超過30名QC人員和20名QA人員在現場工作。

在施工過程中，收集了大量信息并進行了分析，以下是質量檢查的部分內容。

(1) 提交程序。所有工作均全部通過提交程序進行存檔。為該項目準備的提交文件超過4 500個。

(2) 施工偏差。嚴格控制施工偏差，例如溢洪道的溢流堰、泄槽和挑流鼻坎尺寸偏差須在 3.2 mm以內。

(3) 測試頻次。在大壩施工期間，Vebe稠度、RCC澆筑溫度、RCC密度、抗壓強度、骨料級配等指標只是大量測試與收集的質量數據中的一小部分。其中許多測試的頻次很高，例如該項目有超過2 000車次的常態混凝土測試了坍落度、含氣量、溫度和容重等指標。

按照德拉格多斯集團美國公司在RCC壩方面的經驗，大壩施工采用USACE的3步QC和QA程序。首先，在施工前召開正式的計劃會，明確施工要求和工作計劃；其次，施工和質量小組對實施計劃(包括安全、質量和環境要求)全部進行復核和規劃，并獲得QA小組批準；最后，在任一單項工程開始前，監理與施工人員一起再次復核所有安全、質量和施工要求，并在實施過程中持續監督和修正，以確保滿足要求。

在RCC澆筑開始前，該公司通過RCC試驗區培訓現場施工人員，最終選擇最合適的澆筑設備和方法。在RCC澆筑高峰期臨近時，公司會通過播放前1期培訓視頻課程，為新員工培訓提供幫助。

4結語

波圖格斯壩是美國建設的首座拱形RCC重力壩，也是波多黎各的第1座RCC壩。該項目是波圖格斯河和布卡那河防洪工程的最后1期工程，可確保龐塞市免遭洪水威脅。2008年，德拉格多斯集團美國公司獲得該項目的施工合同，工程于2013年12月完工， 2014年2月舉行了工程竣工儀式。由于項目所在地區存在材料運輸不便、特殊設備零部件不易獲得、熟練工人缺乏等難題，項目實施期間需應對并克服各種挑戰。最終通過參建各方的共同努力，該項目得以順利完工。

波圖格斯大壩項目將作為USACE下一代大壩工程師的培訓基地。通過該項目， USACE不僅培訓了許多自己的工程師，還將RCC知識傳授給了當地的工程師團體。

曹艷輝孫言譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-02-05

文章編號：1006-0081(2016)06-0017-04

中圖法分類號：TV642.2

文獻標志碼：A

(譯者簡介：曹艷輝，男，長江勘測規劃設計研究有限責任公司，高級工程師。)