美国狼溪大坝的补强加固

崔弘毅，周克发编 译

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大坝安全管理中心，江苏南京，210029）

美国狼溪大坝的补强加固

崔弘毅1，周克发2编 译

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大坝安全管理中心，江苏南京，210029）

狼溪大坝（又译为沃尔夫克里克大坝）位于美国肯塔基州，在对其进行补强加固的过程中，新建了一截渗墙，其中新开挖工程和数据管理系统发挥了至关重要的作用。

狼溪大坝；补强加固；截渗墙；数据管理系统

0 前言

狼溪大坝（Wolf Creek dam，又译为沃尔夫克里克大坝）位于美国肯塔基州，为一“高风险”大坝。在对大坝进行补强加固过程中，需新建一大型更深的截渗墙。工程中，严格的垂直开挖控制、新的基础施工和先进的数据管理系统为该截渗墙的精确施工和提早完工发挥了至关重要的作用。

之前为减小大坝渗漏坝段上的水压，库水位一直很低。新的截渗墙已于2013年年初完工，比计划提前完工。新截渗墙完工后，库水位逐渐升高，并在每个阶段都对大坝性态进行了测试。

由于昆布兰湖（Cumberland Lake）恢复正常且当地经济取得了复苏和增长，大坝的设计单位和业主——美国陆军工程师兵团（United States Army Corps of Engineers，USACE）纳什维尔分区——正将这一经验应用于中山大坝（Center Hill dam），这是其所有的另一座存在渗漏问题的大坝。

1 狼溪大坝的渗漏问题

在昆布兰河流域，美国陆军工程师兵团拥有10座大坝，狼溪大坝位于拉塞尔郡，是其中最大型的建筑物之一。大坝蓄水形成昆布兰湖，长162 km，是美国国内第9大水库，也是密西西比河以东最大的水库。

狼溪大坝坝高78.6 m，是混凝土重力结构与土石坝相结合的结构，其中土石坝段为主要坝段，长约1 201 m，其延展超过约总长度的2/3。未分区的土石坝由碾压密实、低塑性的冲积粘土构成。但是，大坝建于石灰岩上，由于渗漏通过了大坝土石坝部分下面的石灰岩基岩，狼溪大坝存在安全问题。

图1 狼溪大坝的混凝土坝段（图片来源：美国陆军工程兵团）Fig.1 Concrete section of Wolf Creek dam(Source:USACE)

狼溪大坝设计和修建于1938-1952年。美国陆军工程师兵团担心的渗漏问题在坝基建设时得

到了证实，因为看到了明显可见的岩溶特征。20世纪60年代末，在尾水渠中发现了浊流，在土石坝坝趾附近发现了2处渗坑，因此更加关注渗漏问题。调查发现：渗漏通道在石灰岩中，大坝存在局部管涌和土石填料的局部塌陷。

1968-1970年进行的紧急灌浆止住了当时发生的管涌，美国陆军工程兵团认为“大体上可认为是挽救了大坝”，但明确需要采取更多措施。20世纪70年代末，修建了一防渗墙，向下穿过土石坝锁入到基岩中，这是美国陆军工程师兵团第一次采用该方式处理渗漏。

对该混凝土隔墙进行监测发现，防渗墙并没能彻底解决、仅是减缓了渗漏和侵蚀问题。美国陆军工程师兵团表示：渗漏水“在防渗墙下面和周围找到了新的通道”，并补充道：“随着持续的溶解侵蚀，也许渗漏水是通过了墙体本身存在的缺陷。”

2004-2005年间，美国陆军工程师兵团正在制定风险识别安全计划，对象是其所有的全部大坝。同时，对狼溪大坝进行了进一步的研究，结论为：该防渗墙“并没有足够深入”基岩，“横向没有延伸得足够远以截断所有主要的岩溶特征构造”。

在美国陆军工程师兵团的大坝等级分类上，狼溪大坝的失事风险为最高级——大坝安全行动分类1（Dam Safety Action Class I,DSAC 1），紧急紧迫。一独立外部同等机构对狼溪大坝的复核结论为：大坝存在管涌失事的紧急风险。

于是，制定了计划要修建第二道截渗墙——更深、更宽且就位于第一道截渗墙上游。为减小风险，库水位暂时降低直到第二道截渗墙完工。库水位保持在低于坝顶高程（220.4 m）之下13.1 m，但足以满足水力发电的最小“发电蓄水”要求。

纳什维尔分区是属于美国陆军工程师兵团北美五大湖和俄亥俄河分局的一部分，其设计的新截渗墙将建于原防渗墙和狼溪土石坝心墙截水槽之间。

新截渗墙的延展将在每侧都超过原有的防渗墙，左侧，将连结深入到混凝土坝中、不到溢洪道处；右侧，则将一直沿土石坝延伸，一直深入到坝肩中，其深度随之逐渐减小。

总的来说，该新的截渗墙，其设计约长1 158 m、深83.8 m，深入基岩29 m，比原有防渗墙深22.9 m，而原有防渗墙的底部是变化的。

通过测量采用的三种构造物：搭接板、咬合桩、板-桩组合，新截渗墙设计的最小厚度为610 mm。

施工控制最大的挑战是在搭接或啮合部位须一直满足设计厚度。相比于修建第一道防渗墙时，新的深坝基工程可使用更多更先进的施工系统和数据监测及分析。施工和IT技术对保证迅速而严格的开挖控制、限制每个桩的偏离以及建造一更具整体性的阻隔建筑物来说都是至关重要的。

工程的主要承包商是Treviicos-Soletanche合资建设公司，工程始于2006年7月，计划于2013年底完工。

2 6年的建设：逐步进行

最初的施工工程包括建筑一个地下工作平台，以后要通过这个平台来开挖这道深截渗墙。该平台将为电站留出空间且能容纳一道导墙，用于测量控制。准备工作还包括设置灌浆帷幕，截渗墙将建于其中。

美国陆军工程师兵团表示，基于多种原因，灌浆非常重要，灌浆有助于：在截渗墙完工之前降低风险；帷幕比截渗墙更往下深15.24 m，提供现场调查数据；万一沿截渗墙准线有孔洞，可降低施工风险；提供另一阻隔层，或为截渗墙方案提供补充。

据美国陆军工程师兵团报告：“数据显示，随深度增加，地质条件得到改善，肯定了截渗墙的设计深度，并且，在截渗墙建造过程中没有在岩石中发生大的浆液流失”。

截渗墙的主体施工于2007年8月开始，开挖穿过粘土土石料并直接进入基岩，在基岩顶部610 mm处设置一系列搭接板。这些钢板1.83 m宽，2.8 m长，搭接至少127 mm。用混凝土导管浇筑混凝土，从开挖底部往上并置换泥浆护壁。

Treviicos-Soletanche合资建设公司提出将板桩墙作为最初的施工步骤，以便土石坝打开并暴露在浆液中的时间减到最少。对严密控制的开挖工作，承包商设计并建造了一特制的水力推动的反向旋转刀盘位于机架中，锁定在起重机上并由起重机悬吊于之前修好的用于测量控制的导墙上。开挖控制得到了来自三向测斜仪的实时数据的协助，以严格保持垂直，并且理论上确保每块钢板的位置。

下一步，承包商为钻890 mm的孔，钻了一系列直径为203 mm的先导孔，穿过了板墙深入到基岩

中。钻孔采用Wassera水锤，它利用液压来驱动全断面牙轮钻头。这些钻孔将用于引导主要的咬合桩作业，但同样也要作为能进行灌浆作业的勘探孔。先导孔开挖期间的转向调整采用斜面钻头或弯曲壳体来实现。

为完成该截渗墙，在890 mm的孔中扩孔，钻设1 197个直径为1.27 m的咬合桩以形成完整的截渗结构。桩的钻孔用了5个Aker Wirth反循环钻孔钻机，这是与Treviicos合作特别开发的，同时包括带三向稳定轴套的弦和带托架的钻头。由于水库和地下水附近区域禁止使用化学添加剂，因此，钻机利用压缩空气来形成空气和水的混合物作为钻孔流体来支持剥离物的移除。

图2 狼溪大坝新截渗墙的咬合桩Fig.2 Secant piling for new cut-off wall at Wolf Creek dam

图3 狼溪大坝使用的Aker Wirth桩顶钻孔钻机（图片来源：Aker Wirth）Fig.3 Aker Wirth pile top drill rig at Wolf Creek(Source:Aker Wirth)

由于钻机本身没有控制能力，其底孔装配有长度、重量和机载测斜仪，以保持钻孔的严格垂直，因为它们可以追踪这些先导孔。最后一根桩于2013年3月安设，比计划提早了9个月，这归功于持续的高效和对工作过程的改进，虽然整个墙体加工作平台需要超过229 370 m3的混凝土。

图4 狼溪大坝新截渗墙最后一根桩的浇筑（图片来源：美国陆军工程师兵团）Fig.4 Last pile poured for new cut-off wall at Wolf Creek dam (Source:USACE)

3 为中山大坝补强加固提供的经验

狼溪大坝补强加固工程之后，美国陆军工程师兵团准备将土石坝补强加固的经验应用到中山大坝上。中山大坝位于田纳西兰卡斯特附近，也属于昆布兰流域。

图5 中山大坝补强加固工程（图片来源：美国陆军工程师兵团）Fig.5 Seepage remediation work at Center Hill dam(Source: USACE)

中山大坝补强加固工程的一个关键性工具（也是美国陆军工程兵团未来工程的关键性工具）是为狼溪大坝补强加固工程开发的IT系统。其计算技术被称为是具有创新性的基于地理信息系统的应用，可用于对施工过程和关系数据库中存储的性态数据进行管理和实现可视化。

狼溪信息管理系统（Wolf Creek Information Management System,WCIMS）归档管理着7 100万份档案，包括：所有历史和最近的岩土信息、截渗墙的设计和施工文件、岩土仪器数据和项目管理信息。

在项目进行期间，系统大容量并非其仅有的优势。IT系统可以显著减少需要用于消化和呈现施工信息和数据的时间，仅需几天。并且，在最后一根桩钻孔完毕后的一星期内，就完成了任务。因此，截渗墙的验收提前了几个月，这都归功于IT的力量。

10月底，纳什维尔分区的建筑设计和施工分部因狼溪信息管理系统获得了美国陆军工程师兵团2013年的年度创新大奖。在狼溪大坝整个补强加固方案获得深基础研究所颁发的2013年杰出项目奖项后不久，IT系统也得到了肯定。 ■

[1]Upgrading Wolf Creek dam[N/OL].International Water Power&Dam Construction,[2014-03-18].http://www.wa⁃terpowermagazine.com/features/featureold wolf-new-teeth-4198576/.

New excavation and data management systems played vital roles in building a new cut-off wall at Wolf Creek dam,in Kentucky.

Wolf Creek dam;upgrading;cut-off wall;data management system

TV698.2

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1671-1092（2014）04-0063-04

2014-04-22

崔弘毅（1983-），女，重庆人，助理工程师，主要从事大坝安全方面的研究。

Title:Upgrading Wolf Creek dam//by CUI Hong-yi and ZHOU Ke-fa//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration