美国大图洪加坝的抗震防洪加固

［美国］G.塔伯斯 等

大图洪加(Big Tujunga)坝位于洛杉矶北部圣盖博(San Gabriel)山，最初是一座薄拱坝建于1931年，主要目标是防洪，近年来该水库还为洛杉矶供水。该坝坝高74 m，坝顶长度(包括坝体右侧的土堤)为253 m，曲圆弧形薄拱坝形成水库的蓄水容量可达700万m3。

几十年来，人们一直担心该坝不能应对大地震或洪水事件，在此期间，还允许水库满库容运行，洛杉矶公共建设局(LACDPW)着手通过工程结构和基础方面的改善措施对大图洪加坝进行修复。

使加固大坝达到安全标准至关重要，否则，假如洛杉矶市遭遇一次大地震或洪水事件，破坏可能会导致以下严重后果:①人员伤亡;②家园、楼房、公共设施及道路可能被毁，预计会造成的经济损失约1.75亿美元;③受公用服务和商业中断影响的人数会超过10万;④生活用水供应中断，会影响到近1 000万居民。

在国际工程公司美华公司(MWH)的帮助下，开始对大图洪加坝进行修复和溢洪道改造工作，以便该坝满足应对最大可信地震(MCE)和可能最大洪水(PMF)的最新标准。

1 修补完善

大图洪加坝抗震防洪的历史已超过30 a，在此期间，进行了一系列的改进、研究，实施了许多补救措施，特别是将重点放在对坝肩和地基的改进方面。

大坝建设一直延续到1968年，期间进行了8次补救工程，每次工程的实施都试图沿上游坝脚建造一道连续灌浆帷幕，并确定坝底下裂缝的轮廓范围和封闭裂缝。然而，这些努力并未减少渗漏流量，因而，坝肩依然存在失稳的可能性。

对大坝遭受抗震的担忧在1975年的一项研究中得到进一步证实，结果表明，在一次MCE事件中，大图洪加坝无法抵抗地震的荷载。因此，在全州范围遭遇严重干旱时，大坝水位被加州水资源管理局限制在25%库容的相应水位。综合考虑抗震问题，最新水文气象报告(HMR)研究证实，大图洪加坝的溢洪道不符合PMF的标准。

LACDPW拖延了采取工程补救措施的时间，近30 a选用限制水库水位和最大水库面积的方法以确保大坝安全，LACDPW仅对其他14座大坝采取过难度较小的抗震措施和溢洪道补救措施。这样做主要是由于对工程进行完全修复需要花费近1亿美元的高额费用，如此巨额费用迫使LACDPW慎重考虑工程的成本效益比，包括对以下两种情况进行评估:①将大坝完全恢复到能满库容蓄水;②将大坝转变为拦沙坝而不恢复大坝库容，但可供必要的防洪之用。基于大坝对流域防洪的关键作用，大坝拆除并不可选。

2004～2005年的冬季正是大图洪加坝最终修复设计的中期，洛杉矶却经历了近几十年来最湿润的季节，高达170 m3/s的流量将该坝下游左岸喷浆支护的河谷侧壁冲毁并坠入河中，这一事件促进了对相邻止推座定性的深入研究。尽管没有有力证据表明这会导致左坝肩和止推座破坏，但仍有河谷边坡坍塌的风险。

这一事件进一步坚定了LACDPW完全修复大坝的决心。

2 完全修复

修复的第一步是1996年委托MWH对大坝进行研究，重新分析大坝面临的地震和水力学方面的问题。研究证实，大图洪加坝现在的结构已不能应对MCE和PMF，这就迫使MWH提出一系列修复方案，通过改变大坝结构等措施来达到所要求的标准。

初步建议要求修建下游混凝土扶壁，将该坝转化为重力坝，然而这一设计理念却存在许多挑战，包括不良基础条件、冲积物质的数量、需要挖除的风化基岩的数量以及将坝变成重力坝所需要混凝土的方量和费用等方面的不确定性。

MWH工程人员所进行的综合地下岩土调查项目有助于更好地理解未知问题。在此基础上，尤其是针对地基岩石如何支撑建造大坝下游扶壁的附加混凝土重量等问题，工程人员进行了重新设计，最终决定把大图洪加坝作为厚拱坝来保护。

工程人员减少了地基上不必要的混凝土，并将其重新分配在相应高程，以增加拱坝的强度，并保持推力沿水平方向向坝肩转移。这种优化设计大概能节约30 582 m3的混凝土，相当于节省 2 500万美元。

除了在原坝上建成具有挑流坎的反弧形堰顶溢洪道以外，这种设计最终通过贴紧大坝下游面增加混凝土的方法使其成为厚拱坝。

为实施这种设计方案，在从坝基到坝顶的坝体下游面上，大约浇筑了53 518 m3的常规大体积混凝土，将坝体结构转变为均厚拱圈的厚拱坝。新浇筑的混凝土使大坝坝顶增厚 3.7 m，坝顶总厚度达6 m，坝体下游面的坡度为 0.25∶1(水平∶垂直)，拱坝下部增厚约20 m。

为确保坝体的整体性能，并增强新旧混凝土的粘合力，将混凝土与水平安装并灌浆固结的插筋网结合成整体，这种插筋埋设在原坝下游面板中和新混凝土的上游部分。加厚的拱坝强度增大，可承受MCE的荷载。

为使大坝符合PMF的标准，需要在原混凝土重力支墩的下游面修建一个阶梯形中央溢洪道。这一设计理念有助于漫顶洪水从支墩面分级下泄时消能。

然而，在对大坝修复设计进行优化时，MWH的工程人员推荐了反弧形堰顶溢洪道，当该溢洪道与现有右坝肩溢洪道联合工作时，能够满足PMF的泄流要求。这种非传统的弯曲形溢洪道，基本原理是将水流高高挑起，泄入坝体下游河谷的水垫塘中。

整个恢复项目包括岩土工程、结构、水力学以及机电方面的改进，还包括安装最先进的坝体检测仪表、控制设备、新控制房、交通廊道以及新阀门，并建造了一个阀门房。

3 满足抗震和水力学标准

研究人员采用三维有限元法分析后证实，大图洪加坝的最终设计既能满足PMF，又能满足MCE的荷载要求。分析表明，厚拱坝的理念在静态荷载条件下较为安全，包括极端PMF情形，符合美国陆军工程师兵团所规定的大坝安全系数标准。

在MCE条件下，通过三维有限元法表明，重建的大图洪加坝新设计方案中，所有部位混凝土的动力抗压强度都在评估范围内。尽管一些拉伸应力的峰值超过了预估的动力拉伸强度，但这些应力偏差是孤立的，只作用于大坝表面。

同时MWH还进行了敏感性分析，以评估坝基模型中在不同条件下的影响，包括描述地质和材料性能方面发生突然变化的垂直边界。这种敏感性分析证明了大坝内应力峰值的位置变化，包括有垂直和无垂直两种边界条件，但总体应力值和超过允许应力情况的数值保持不变。

通过分析和对坝体整个厚度范围内的各应力变化过程线的比较研究，结果表明，假如发生了MCE，也不会影响整体结构或存在溃坝风险。虽然在坝体上游或下游面可能会发生局部裂缝，但认为对坝体进行全面修复，且在满库容条件下运行是符合安全标准的。

4 确保未来大坝安全

在大坝安全修复过程中安装的新型自动化仪表设备将用于确保大坝安全的长期监控中。这包括评估大坝在设计参数下的运行情况，确认坝基排水系统的有效性，监测水库蓄水和快速放空期间大坝的性能，了解大坝在地震中的反应等。自2011年7月大坝恢复工程竣工和水库蓄水以来，未发生重大问题。

除了满足大坝修复工作的主要目标(确保大坝安全)以外，在工程项目中还加强了水资源和环境保护措施，使水库完全恢复到满库容，每年可多调出约550万m3水量，避免洛杉矶市从其他地方引水，可节约225万美元左右。

目前大坝能够进行小流量的泄水，这在以往装有大型阀门的原坝结构中是不能实现的。新安装的24寸射流阀门允许大坝下泄最小流量，可作为下游的河流和池塘水量的有补充，以改善沿河许多物种，特别是加州濒危物种——圣安娜吸盘鱼(Santa－Ana Sucker fish)重要栖息地的生态环境。

大图洪加坝的修复加固工程被加州大坝安全管理者协会(ASDSO)授予“2011年全国恢复工程”年度大奖，该工程是修复加固工程中创新、安全的示范工程。