RCC在美国水利工程中的应用

美国的联邦机构，尤其是美国陆军工程师团(USACE)和美国垦务局，在大坝和水工建筑物建设中采用RCC结构的数量在不断地增长，建设规模在不断地扩大。

波多黎各的波图格斯(Portugues)大坝是其中规模最大的RCC工程，该工程由USACE负责建设，并于最近完工。此外，还有许多规模较小的RCC项目，比如USACE准备在田纳西州的森特希尔(Center Hill)水库副坝的下游建造一个平台，并计划维修蒙大纳州佩克堡(Fort Peck)大坝的水垫塘。

美国垦务局负责的重点项目是爱达荷州的米尼多卡(Minidoka)大坝溢洪道以及堤坝的大范围改造工程。

1 RCC与USACE

自从USACE于20世纪80年代早期在太平洋西北地区建造了柳溪(Willow Creek)坝，RCC坝的建造就在美国水工建设中获得了一席之地。从那时开始，USACE建造了许多不同规模、不同类型的RCC水工建筑物。

2 波图格斯大坝

波图格斯大坝由USACE杰克逊维尔区(Jacksonville District)团队承建，该坝坝高为 67.1 m，从2008年年初开始施工，直至2013年年末完工，项目共耗资 3.86 亿美元，是庞塞(Ponce)市的波图格斯河和布察纳(Bucana)河防洪规划方案中的重要组成部分。

波图格斯大坝水库总库容为26 584 m3，由USACE负责开发设计，德拉格多斯(Dragados)集团负责工程施工。波图格斯坝坝型为单心厚拱坝，USACE称这是美国第一次在该类型大坝上使用RCC结构。然而，该坝并不是完全按照最初的设计方案建造的。

庞塞地区经常遭受由飓风和降雨带来的季节性洪水。最初对该地区开展的大型防洪方案评估工作始于20世纪40年代，在20世纪60年代中期，提出了由2座具有多用途水库和雨洪渠道组成的防洪设计方案。并于1970年获准按该理念开展工作。20世纪80年代，按照设计理念，将工程设计成了三心双曲薄拱坝结构，这是USACE最初的设计方案。该设计方案获得批准后，就在坝肩处重点实施了灌浆及帷幕灌浆(包括持续灌浆的新工序)试验工作。

与此同时，在20世纪80年代末90年代初，该防洪管理方案的另一个重要组成部分-塞利罗斯(Cerillos)土石坝已经建成。此外，该市防洪方案的重要组成部分之一的雨洪渠道也建造完成。

然而，USACE称，相对于波图格斯大坝而言，该项目的开发工作在2000年年末施工合同开标后就已陷入停顿状态；采购工作仅仅吸引来了一个报价，而且该投标报价明显高于概算。

遇到这一阻碍后，随即启动了该领域研究规划的5a计划并进行重新设计。由USACE的计算机辅助结构工程专题小组为研究工作提供技术支持，该小组成员也有来自美国垦务局的工程师。专题小组研制开发出了拱坝软件和拱坝设计标准。

这些额外的研究工作将原设计的三心双曲薄拱坝转变为了单心厚拱坝，USACE称这是一个较低成本的选项。然而，这种设计方案的工程并不像20世纪70年代所设想的那样具有多种功能，该项目只具有单一的防洪功能。

波图格斯大坝是USACE第1次在波多黎各采用这种建造方法。USACE称，该项目曾通过这种技术带来的好处来帮助教育众多工程师和学生。

USACE补充称道，已经将该项目作为陆军工程兵团的“大坝安全大学”计划(一项将临近退休工程师的知识传授给下一代工程师的倡议)的一部分。由于美国很少新建大坝，然而大坝的维修和改造工作在未来会越来越多，因此该项计划非常重要。

波多黎各自然与环境资源部是当地项目的业主。该部门希望在2015年能够运行、控制波图格斯大坝及其水库。水库的最佳库水位高程为EL134.05 m，并允许库水位降低至EL125.0 m左右，且最低可降至高程EL113.4 m，以削减洪峰流量。波图格斯大坝溢流堰堰顶高程为EL156.3 m。USACE为该防洪设施的管理机构。

3 森特希尔水库

在田纳西州的坎伯兰流域，在USACE的纳什维尔辖区内正计划在森特希尔水库副坝坝趾处建造一条RCC平台以及建造一座自溃坝。该项目的设计理念在2006年就已经获得确认，即水库的土石副坝在渗流或管涌作用下发生溃坝时，需要一个备份结构来挡水以维持水库库容，或者在可能最大洪水事件中作为非常溢洪道使用。

研究解决该问题的方案包括：

(1) 什么也不做；

(2) 对副坝进行灌浆；

(3) 在该结构里建造防渗墙，或在土石坝正下游布置一个平台。

设计方案最终被确定为RCC平台方案。RCC平台结构的最大优点是：与土石坝结构不同，RCC不仅能够抗漫坝，而且还可以抗渗流或管涌引起的内部侵蚀。因此，USACE称，RCC质量能够横跨软弱基础的岩溶塌陷区而不会发生灾难性事故。

虽然这是一项成熟技术，通常适用于一般混凝土和RCC，但该项目的重大挑战仍是配合比设计。在这个实例中，特殊挑战来自于当地的石灰岩骨料资源，该地区的石灰岩骨料有可能与水泥发生长期化学反应。因此，USACE正在进行一个大型测试计划以评估平台项目的风险，并希望以此来帮助确定设计标准。

设计开发工作基本完成，设计方案是将加固平台布置在副坝的下游坡脚处；副坝后面的空间将会被回填，在RCC结构顶部与土石副坝间形成一个水平场地，在水平场地的顶部将设置一座自溃坝(见图1)。

图1 森特希尔副坝RCC平台断面

目前，平台的设计工作已经开始，结构的预期参数是高为29.9 m，基础宽度为 36.6 m，坝顶宽度为7.9 m，坝顶长为228.6 m，为整个结构总长(282 m)的81%。RCC平台下游面嵌设常规混凝土面板台阶，台阶宽为1.5 m，高为1.6 m。上游垂直面的大部分高程均设置有厚度不小于300 mm的灌浆RCC。在平台的内部将会设置一条检查廊道。

该RCC平台计划于2015～2017年间建造。目前还没有预想到会在建设过程中遇到的特别困难。在此期间，作为大型建造项目的一部分，无论在什么情况下，水库水位都将会降低，以暂停森特希尔主坝的渗流，从而减少风险。

已经提交了该结构侧面的RCC结构设计成果，而且作为工程治理计划的额外部分，正在该水库实施。目前USACE正在土石主坝中建造防渗墙。

为了这个大项目，纳什维尔辖区工程施工组织正在从位于同一个流域的沃尔夫克里克坝上最近完工的类似项目中总结经验教训。USACE的一个重要工作内容是使用其获得了优等奖的信息管理系统来控制、保证防渗墙部分的垂直度和桩的堆叠效率。该平台施工有望于2015年中期前后完工。

4 佩克堡大坝

2011年，密苏里河发生的严重的洪涝灾害毁坏了位于蒙大纳州的佩克堡大坝的水垫塘。此次洪水使佩克堡大坝的泄洪道长期处于超量泄洪状态，其最大泄洪量超过了过去2倍多。

USACE的奥马哈辖区工程组织称，高速水流冲刷了大坝下游端，暴露了大部分支撑溢洪道泄槽的截渗结构。洪水过后，只有不到一半的 21.3 m预埋件保留了下来。其他需要维修的部位包括处理被损坏的闸门、泄洪道表面混凝土、事故闸门控制系统、减压井以及横向排水管道。

佩克堡大坝修建于20世纪30年代，为水力充填及碾压式填土结构，是美国同类型结构大坝中最大的一座。该大坝高为76.4 m，除溢洪道外，坝轴线长为6 410 m。水库从1937年开始蓄水，并在1942年达到了最低库水位，在1942～1961年间，增加了5台发电机组。

在佩克堡大坝的右岸，有一座远程闸门控制泄洪道。该泄洪道宽为250 m，共有16个垂直起降闸门，每扇闸门宽为12.2 m，高为7.6 m，每扇闸门关闭后的顶部高程为12 250 ft。在水库水位高程为海拔 685.8 m时，泄洪道所有闸门处于最大开度时的设计泄洪量为6 509 m3/s。在库水位高程为海拔686.8 m时，泄洪道所有闸门处于最大开度时的设计泄洪量为7 783 m3/s。

在2011年洪水来临之前，佩克堡大坝出水口处破记录的最大下泄流量与1975年的一样，为990 m3/s。然而，在2011年6月中旬，密苏里流域上游部分地区破纪录的降雨也带来了前所未有的径流量，伴随着平原和山脉融雪水，导致许多大坝的出水口下泄流量达到最大值，更不用说从泄洪道下泄的洪水量。在佩克堡大坝，出水口的下泄流量为1 865 m3/s，这是岸边泄洪洞与电站厂房的最大泄量。

USACE选用RCC来维修和扩建水垫塘的支撑结构。这些工程将在2015年年末完工，而其他维修工作则需提前完工。

5 米尼多卡大坝

美国垦务局爱达荷州米尼多卡水利枢纽的改造工程：除了新建一座泄洪闸和改造其他原有泄洪闸以外，还包括新建2条RCC溢洪道和2座RCC堤坝。该工程主承包商是当地的RSCI集团事务所，工程建设于2011年年末开工，计划于2015年年初完工。

米尼多卡水利枢纽是位于斯内克河的一个集调水、蓄水、水力发电等功能的综合水利枢纽，建成至今刚好100周年。在建设阶段，原始曲面溢洪道建设效率很高，于1906年完工；枢纽增加有闸墩和叠梁门，使水库水位上涨了1.5 m。

该溢洪道并不是一个连续的结构，它被一个弧形门泄洪道分成两段。这种不规则的布置是由于设计者试图将该结构与地形相适应，以最大限度地减少横断面区域，从而降低成本。这些闸墩的中心彼此间隔约为2.1 m，因此该溢洪道有292个溢流孔。防洪管理部门要求手动移除这些叠梁门。

该结构遇到的挑战包括冰荷载，冰荷载会破坏混凝土，管理部门在冬季将库水位限制了在初期坝顶高程，以此来最大限度地减少该风险。季节性限制水位不仅使水库损失了一些库容量(初期工程预期的额外库容)，还需要经常移动和复位叠梁门。

然而，泄洪道的混凝土缺陷问题更多，这些问题是由于冻融循环、碱硅酸反应(ASR)、年代久远以及设计原因共同引起的。缺陷还包括在初期溢洪道加装闸墩的部位出现了劣化问题。

美国垦务局通过开展一系列的工作来解决上述问题。这些工作包括新建RCC溢洪道，以替代原先加装闸墩的溢洪道，新溢洪道的顶高程与原溢洪道的叠梁门顶高程相同，因此，正如当初所设想的那样，永久性地将水库水位额外提高1.5 m。由于新溢洪道的高程较高，使洪水流过堰顶的水深将比先前的水深要小，因此这些部位的泄洪能力要减小。

美国垦务局称,作为改造工程的一部分，将会修建一座新的12孔垂直闸门泄洪道结构，建成后，将作为主要防洪设施使用。

新溢洪道的上游面为垂直面，顶部宽为3.4 m，下游面的坡比为1∶0.72，其表面覆盖一层厚为300 mm的结构混凝土。每层RCC上部设置一层加强混凝土，在RCC上游面和顶面同样会嵌入一层加强混凝土，在顺着溢洪道长度方向在每隔 9.1 m的收缩缝上将设置永久止水结构。

美国垦务局称，新溢洪道建成后，水库在冬季将不会再将水位降低1.5 m运行。

这些工作还包括拆除运河的渠首，坝基开挖，修建岸边溢洪道、泄水渠，安装弧形闸门、闸门启闭机以及其他由垦务局提供的相关设备。