Taum Sauk抽水蓄能工程系列报道（III）——Taum Sauk上水库的重建<br/>

Taum Sauk抽水蓄能工程系列报道（III）——Taum Sauk上水库的重建

2010-03-13崔弘毅编译

大坝与安全 2010年6期

关键词：基岩夹层大坝

崔弘毅编译

（国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州310014）

Taum Sauk原上水库大坝修建在残坡积土上，另外，施工过程中未采取有效措施控制填料级配和特性，由于以上等一系列原因，原工程中存在众多缺陷，对原大坝进行修复在技术上不可行，需完全重建一座新的上水库。

1 工程概况

Taum Sauk上水库重建工程主要是新建一座现代化的混凝土面对称碾压混凝土（RCC）坝来取代原有的土石坝。重建工程方案设计包括分析和提出几种可选的工程方案，每个可选方案的施工成本和进度、可能遇到的标准挑战等都将得到充分的评估。

新大坝长2042.16 m，坝高36.576 m，坝基宽45.72 m。大坝建造过程为开挖残存的土石坝、修复坝基基础，然后替代原水库，修建一座新的Taum Sauk抽水蓄能电站的上水库，其蓄水量超过379万m（310亿加仑）。通过处理和使用现有流纹岩作为RCC骨料和在水库现场生产RCC原料，Ozark建筑公司能赶上工程要求的进度，和常规方法相比，可获得更高的经济性和更快的建设速度。

Taum Sauk抽水蓄能电站上水库是北美最大的大坝，RCC方量超过214.09万m3，结构混凝土22.94万m3，基础开挖和骨料粉碎量近600万t。2010年春天，工程完工。

2 技术标准

在Taum Sauk上水库大坝的重建设计中，吸取了之前溃坝的教训，工程上采取了一些新的安全措施，以保证大坝的安全运行。

2.1 新坝的安全措施

根据Ameren UE，新建上水库采用了以下安全措施：（1）坝顶：坝顶高程高于预计最高水位，其上设置1.07 m（3.5 ft）的挡水墙；（2）溢流泄洪建筑物：即使发生所有系统都失效、上水库漫顶的不利工况，溢流泄洪建筑物会将水输排到Taum Sauk湾中，避免对RCC结构造成损害；（3）多个独立防护线路，包括对上水库水位进行连续视频图像监控，将上水库和下水库的水位都控制在合适的高程；（4）独立的仪器和监测系统，可单独发挥作用，保证大坝安全；（5）设置排水廊道，收集并测量水量，以此监测大坝结构安全。

2.2 为什么选RCC

根据老大坝施工时获取的亚表层信息及新RCC坝设计时的钻孔信息，坝基基岩沿缓倾角不连续面存在软弱夹层。在许多地方，软弱夹层中还含有低塑性粘土。假设低塑性粘土夹层存在于坝基各个深度，对大坝进行抗滑稳定分析，同时计算其沿这些潜在失事面的屈服加速度。当坝基下某一深度的软弱夹层以10°角平行于基岩、大坝接触面，则得到最低的安全系数。若软弱夹层为其它角度（向上或向下），其安全系数都比粘土夹层平行于基岩、大坝接触面时的安全系数高。

对不同深度的粘土夹层，在无粘聚力情况下，也计算了其要求摩擦角。计算结果表明，若沿基础斜坡在10°角或以内修建对称RCC坝且上下游坡为0.6H∶1V，则可以满足所有美国联邦能源管理委员会（FERC）的稳定规范，即使粘土夹层缓倾角存在于坝基以下6 m范围内，也能满足规范要求。常规RCC坝断面要求RCC/基岩和基岩的抗剪强度远远高于粘土夹层。因此，新RCC坝将修建成对称断面，许多方面与硬填方坝相似。所有这些特点都导致需要花费较长时间进行精细的基础准备工作。

图1 原溃坝视图Fig.1 Overall view of the breached dike

初步设计计算采用常规重力坝断面，上游面垂直，下游面陡斜，即采用相对高强度的RCC和相当精良的骨料。初步研究显示，原堆石坝存在大量细料，由于要求水处理设备提供足够循环利用的水量，并达到该工程采用的环境规范的要求，淘洗骨料是一个花费大且困难重重的操作过程。由此得出结论，考虑基岩接触面的条件、使用堆石坝现有骨料的RCC混合料的情况，设计出满足FERC稳定规范要求的、有足够大安全系数的大坝断面对该工程来说是最合适的解决方案。

图2 新大坝渲染图Fig.2 Computer rendering of new RCC dam

图3 新大坝断面图Fig.3 Cross section of the new reservoir

3 大坝设计标准

3.1 水力设计标准

新RCC坝将沿着原堆石坝的轴线修建。因上水库位于Taum Sauk山顶，没有流域来水，可能最大洪水即水库范围内的降雨，因此，水文和水力规范仅限于两个因素：新RCC坝的坝顶高程（包括安全超高）和拟建溢流泄水建筑物的泄流能力（溢洪道）。

总的设计基础是重建一座与原水库有相同发电能力的上库，它有FERC对Taum Sauk要求的通常的蓄水池和总水头。其设计高程数据见表1。

原上水库设计不包括抽水模式运行时发生超抽意外事件时使用的溢流泄洪建筑。上水库重建将包含事故溢流泄水建筑物，以在水位高于坝顶时发挥作用。溢流建筑物将会是整体大坝的一部分，并且理论上讲，将永远不会被使用。如果需要使用，则泄水将全部进入Ameren UE的管辖地区。其设计基础见表2。

表1 设计高程Table 1:Design elevations

表2 溢流泄水建筑物设计基础Table 2:Overflow release structure design basis

3.2 稳定标准

制作新RCC坝沿轴线每30.48 m（100 ft）中心的断面，以决定关键设计断面。根据业主咨询委员会（Owner's Board of Consultant）的推荐和经FERC同意，对每个断面的基岩斜度都进行控制，这样，坝基最大斜度可以控制在10°以内或更平坦。坡度在10°～25°的岩石表面，将对其采取开挖措施，使其达到坡度为10°或10°以内。

对于拟建的RCC坝的稳定性，利用FERC工程导则（2002）第三章中列出的方法和程序进行评估。以下分析构成了设计基础：（1）进行在冰荷载这种常规荷载工况下和发生意外超抽这种非常规荷载工况下的稳定分析；（2）用Chopra提出的拟动力方法进行地震分析；（3）有限元建模和分析（FEM）。

RCC坝的设计需要满足各种规范，特别是与新坝有关的规范。上水库重建设计的总准则和设计原则总结如下：（1）在常规荷载、非常规荷载和极端荷载工况下，认为RCC坝是湿润的；（2）RCC坝的设计要求达到可接受的抗震安全系数；（3）RCC坝将建在微风化至新鲜岩石基础上；（4）不考虑粘聚力，分析其抗滑稳定；（5）假设坝基排水降低到最小排水效率（即67%）时，计算稳定分析中的扬压力；（6）在正常运行水位486.77 m工况下，考虑冰荷载为22.24 kN；（7）在屈服加速度计算中，不考虑粘聚力，假设RCC、岩石接触面抗剪切摩擦强度为45°；（8）不考虑粘聚力（即排水工况），假设基岩中可能遇到的粘土夹层的抗剪切强度为25°。

3.3 地震设计标准

这节介绍根据岩石露头地动谱的上水库地震设计基础。根据综合概率分析，地震平均重现期为475年和2475年，美国地质调查局（USGS）提供了美国和世界有些地区的地震风险分析结果。表3为USGS为Taum Sauk提供的场地类别为B的谱加速度（剪切波速约为762 m/s）。Taum Sauk电站基岩的剪切波速对应于场地类别A，但分析中没有考虑这一点。从表3得出了设计谱。

表3 上水库谱加速度值Table 3:SA values for upper reservoir

另外，考虑表4所示的Taum Sauk电站重要的震源，进行确定性地震风险分析。到新马德里和Wabash峡谷震源地区的距离代表了各震源到上水库的最近距离。分析假设背景事件发生在距离坝址20 km处，与以往经验一致。

值得注意的是，USGS概率地震风险分析没有界定背景震源区域地震的最大值。但是，如下面的讨论，根据以上历史地震情况，选择5.8级来进行确定性分析，其中使用了5种衰减关系来计算坝址谱加速度，阻尼比为5%，具体见表5。

表4 震源Table 4:Seismic sources

表5 地动模型Table 5:Ground motion models

工程的设计谱包络了根据新马德里、Wabash峡谷和背景震源的确定性谱。除去频率低于0.5 Hz的外，距离坝址20 km的5.8级背景震源将致使谱加速度值超过整个频率范围内其它震源引起的谱加速度值。最后得出结论，推荐的设计谱值对上水库设计来说是足够大的。

总的来说，重建的上水库大坝可承受新马德里地震带中7.7级的地震或Taum Sauk水电站当地周围5.8级的地震。

4 基础准备要求

由于基岩中存在粘土夹层，建设过程中需要采用另外的基础准备要求，包括在基岩内用气动旋转钻进法钻孔至拟采用基底下9.144 m。这些孔的位置如图4所示。对每个孔采用视频摄像机观测RCC基础里是否有连续粘土夹层。大坝设计阶段进行的验证工作表明，视频摄像机能清楚地识别基岩内的岩土夹层。

若3个孔中都发现有粘土夹层，则对其进行三点分析，以确定连续粘土夹层的倾角。研究结果包括粘土夹层的深度、厚度、倾角、下游基岩的坡度。这些研究结果将用于判断是否需要挖除粘土夹层以达到稳定标准的要求。

图4 调查孔Fig.4 Investigation holes

5 RCC配合比设计方案

拟建大坝的RCC配合比设计方案考虑以下因素：（1）再利用现有的流纹岩作为粗骨料和细骨料；（2）使用Ameren UE下属单位的非商用粉煤灰；（3）由于采用对称断面，强度要求相对较低。

2006年春季，进行了第一阶段实验室配合比设计研究，以此作为RCC配合比方案设计基础。该研究使用现有堆石料作为骨料，包括16种RCC配合比方案。在附近采石场将材料粉碎成合适的级配。Ameren UE下属Meramec生产的F级粉煤灰在大多数配合比中均有使用。第一阶段研究还包括碱-硅酸活性（ASR）测试，以确定流纹岩骨料是否可膨胀。第一阶段研究结果表明，非商用粉煤灰可用来生产RCC。虽然F级粉煤灰降低了活性，但流纹岩仍具有潜在膨胀性。RCC中含200磅水泥成分（水泥和粉煤灰）和3600磅骨料，这样配合比的RCC能达到要求的工程特性（如一年后的综合强度大于10340 kPa，密度大于2342.2 kg/m3）。

RCC配合比设计后续还进行了第二阶段设计研究，包括使用相同的材料和全断面施工设备建造RCC试验垫层。第二阶段研究于2006年11月进行，包括深入RCC试验垫层，以确定RCC质量。研究结果表明，第一阶段研究推荐的配合比设计方案适用于大坝的施工。

6 地震分析

RCC坝整体将由各个坝段连接而成，由水平间距约27.43 m的垂直平面接缝连接。每个坝块都有各自的地震反应，独立于剩下的水库部分。对整个水库进行简化的3D分析，分析结果表明，3D分析中较低频率时对应于水库坝段在其自身基础模态中振动，而其它部分仅有微小运动。因此，对代表水库关键坝段的平面断面使用平面应变元进行静态和地震分析。关键断面尺寸的有限元网络如图5所示。最大的有限元尺寸约2.13 m。

图5 关键断面的二维首模式Fig.5 Two-dimensional first mode of the critical section

基岩的刚度由在水库基础的线性和旋转土-结构相互作用（SSI）弹簧来表示。用Gazetas（1990）公式预估最佳估计、上限和下限。SSI弹簧由均匀分布在水库基岩界面的35组水平弹簧、垂直弹簧和旋转弹簧单元组成。按照SSI计算，开发了3个有限元模型，用均匀分布的弹簧分别来代表SSI的最佳估计、上限值和下限值。

对水库原材料，考虑阻尼比为5%临界阻尼值。结合土-结构相互作用阻尼效应，总阻尼比为临界值的10%，并应用到所有地震分析的振动模式中。

对水库自重进行静态分析。分析中根据水压力确定水静力。所有的地震荷载情况都考虑水平向的地动。采用设计频谱指定的地震输入进行模态频谱分析。

总体来说，有限元分析中用到了最初15种模式。起始3种水平模式包含多于95%的质量参与，见表6。在地震荷载下，最大应力仅为910.14 kPa（包括拉力和压力）。加上自重和水压力效应后，应力全变为压力，最大值为1323.84 kPa，低于RCC允许值。

表6 自振周期和水平参与因子Table 6:Natural periods and horizontal participation factors

7 仪器设计

新RCC坝的仪器系统包括水位控制系统和水位保护系统。这两个系统的设计大体都依照与抽水蓄能用户集团一起共事的行业集团起草的抽水蓄能技术导则的要求进行。另外，设计还依照Ameren UE投递给美国联邦能源委员会（FERC）的环境分析报告及FERC在法律事务中采用的上水库溃坝分析。设计中考虑了大量州和联邦机构出台的相关政策。

水位控制系统将用于日常电站运行，而水位保护系统则是水位控制系统的失效保护保险装置。在两个系统中，都使用了多种类型的仪器。冗余性也会结合进来以减轻仪器失效带来的后果。

水位保护系统将包含两个电子敏感器件型开关，位置比日常运行停机水位高30.48 cm（1 ft）。若任一开关工作，则硬线停机。仪器系统中还将使用两个机械浮动开关来支持电子开关。这些机械开关位置比电子开关高15.24 cm（0.5 ft）。在溢流建筑物上布置另外两个电子开关。溢流建筑物比电子开关高30.48 cm，比机械开关高15.24 cm。溢流建筑物上任一开关工作都将停止抽水并发出警报。

在上水库安装摄像机，以使电站运行人员能24 h监视上水库的水位运行情况。另外的摄像机将监测一个安装在消能井处的水准标尺，该消能井位于仪器房内，悬于水面上。其它摄像机将监视水库的情况。

8 工程施工方

2007年10月，Ameren UE将Taum Sauk上水库大坝重建工程的合同授予Ozark建筑有限责任公司。Ozark建筑是圣路易斯的Fred Weber有限公司和科罗拉多普艾布罗市ASI建筑有限公司合伙的创业公司。Paul C.Rizzo联合有限公司作为其工程记录和施工管理服务提供商。

Ozark建筑公司的主要目标是：通过应用现代大坝设计、高超的施工技术并结合安全工作经验，安全地建设一座高质量的RCC大坝。Ozark建筑公司的主要工程管理职责包括：项目工程、进度和成本控制、大坝开挖、基础准备、骨料粉碎、RCC浇注、设备购买和维护，以及在满足已确定的质量要求的前提下，负责以最低成本取得最大产出的相关设施的操作。

Ozark建筑公司为Taum Sauk上水库重建工程雇佣了工程监理、工程师和联盟技术人员近700人。代表性的联盟技术人员主要来自运行工程师国际联盟、北美劳工国际联盟、国际卡车驾驶员兄弟会和国际木匠联合会。

2007年12月，Ozark建筑加入了由圣路易斯地方职业安全和健康管理局、Ameren UE和Paul C.Rizzo联合公司之间共同签署的一项重要的工作安全“合作”协议。因Ozark建筑公司出色的安全记录和承诺为其雇员提供最安全的工作环境和工作设备，最终促成了这次出名的合作。

9 施工过程跟踪

Taum Sauk上水库重建工程的进展非常顺利，以下对主要方面进行简要回顾。

（1）骨料粉碎

骨料粉碎设施的购买和组装始于2007年3月，生产运行于2007年9月开始。2008年年底，Ozark完成了近70%的骨料粉碎任务。虽然恶劣的天气条件给粉碎工作带来了很多挑战，但Ozark骨料粉碎小组仍然保持了进度，于2009年7月完成了所有的骨料粉碎任务。

（2）RCC浇注

因为天气非常恶劣及有限的浇注区域，RCC浇注的开始阶段非常困难。但经过2007年10月到2008年12月，RCC浇注完成了50%。

余下的RCC浇注的基础准备在2009年春季完成，使Ozark能在天气暖和的春季开始对水库所有区域进行大体积RCC浇注。由于特定的关于气温的限制，冬季RCC浇注相对较少。2009年3月至2009年秋季，Ozark完成了剩下的RCC浇注。

（3）廊道盖板

大坝交通廊道的工程设计使工程整个需要850个廊道盖板。仔细规划后，通过在现场制作铸造台和提供混凝土，Ozark使廊道盖板的成本大大降低。另外，一部分成本降低来自原料替换，即将规定的加强筋换成编织钢网件。编织钢网件能满足设计要求的加强要求，同时，由于其质量很轻且提前焊接的特性，减少了工作量和设备投入。2008年春天，剩下需要浇注的廊道盖板少于1%，2009年早春，这阶段施工就全部完成。

（4）安置区域

Ozark建筑在Taum Sauk项目中面临的最大挑战之一就是寻找合适的安置区域。近700个雇员、办公场所、仓库、机械室和总仓库、以及占地近16.2万m2的水库，都需要安置在Proffit山顶，其占地和水库大小一样。2007年夏季，在每个可能的地址采取大量开钻/爆破、开挖和填筑措施，提供了14.2万m2的空间。

（5）引水系统

由于现场没有水源可用于配料、固化、除尘和基础准备，Ozark面临一个挑战，即需要提供一个引水系统，将水从1.61 km（1英里）外的下水库引到现场，且流量为3.028 m3/min，其间还有243.84 m的高差。

在下水库投入驳船潜水泵，驳船漂浮在水面上，并连接超过1.61 km长、直径为25.4 cm的HDPE水管，沿线设置几个大容量增压泵，将水抽入一个临时水库，库容为0.284万m3。之后，临时水库中的水可随时抽出并送到Taum Sauk工程现场的各个地方，供给RCC、常规混凝土和骨料粉碎装置。在RCC生产高峰期，其用水量大于泵的供水量，因此，修建了临时水库。

10 结语

新的上水库已经修建完成且已于今年投入运营。其设计中包括了许多根据坝基条件、坝址特征和筑坝材料情况做出的设计评估，根据这些评估，最后得到了对称断面、强度较低的RCC大坝方案。为了重建这座由于劣等设计而决堤的大坝，工作组成员收集了附近的填石，然后建造了这座世界上最大的防巨浪混凝土大坝（共耗费2.139×109m3的材料）。在施工时，工作人员也要解决很多其它问题，比方说：由于山路难走，工作人员只好重建了公路。他们铺设了新的路面，建设了新的护轨和十字路口。这就是那个默默无闻，却又耗全国之力的水库修复工程。一年一度的美国民用工程成就奖（OCEA），Taum Sauk上水库是这次入选决赛名单的五个建筑之一。■