美国福尔瑟姆坝的新辅助溢洪道设计研究

2015-04-06美国赫斯

水利水电快报 2015年2期

关键词：控制结构水渠消力池

[美国] J.赫斯等

美国福尔瑟姆坝的新辅助溢洪道设计研究

[美国] J.赫斯等

为提高萨克拉门托地区的防洪标准，在遭遇洪水时能做到尽早尽快地泄洪，正在对美国加利福尼亚州福尔瑟姆坝建造一座大型辅助溢洪道。阐述了该工程的方案设计，包括精心制作的水力物理模型，以及结构、材料和岩土等方面的设计与施工状况。

溢洪道设计；福尔瑟姆坝;美国

1 工程概况

福尔瑟姆坝坐落于亚美利加河上，位于加利福尼亚州萨克拉门托东北32 km处，具有防洪、发电、供水和旅游等综合效益。该项目由美国陆军工程师团(USACE)建造，1956年建成后移交给垦务局运行管理。主坝为混凝土重力坝，两侧附坝为土坝，坝高104 m。正常溢洪道设有高低2个矩形断面泄水槽，5个弧形闸门。非常溢洪道位于正常溢洪道左侧，设有3个弧形闸门。

目前因为溢洪道闸门位置较高，使该坝的泄洪能力受到了限制，只有当水库蓄水大大超过防洪水位时才能满量泄洪。现有坝在洪水期的最大泄洪能力为3 256 m3/s，而现有的8个泄洪口泄洪能力仅为793 m3/s。只有当库水位达到相对较高的溢洪道高程时，溢洪道闸门才能以3 256 m3/s下泄全部洪水。

为了在洪水来临时尽早泄洪，正在该坝左坝肩处修建一座辅助溢洪道,该工程是垦务局和USACE联合建设的联邦项目(JFP)。由USACE负责，由USACE、垦务局、建筑工程公司和项目合作伙伴组成的团队共同完成项目设计。推荐的溢洪道包括从福尔瑟姆水库到节制闸长为335 m的进水渠道段、节制闸(6个淹没式弧形闸门)、长为848 m的陡槽段，通过消力池将洪水下泄到坝下游的亚美利加河。

分4个阶段施工，第1、2阶段由垦务局完成溢洪道陡槽段、消力池的开挖及节制闸的部分开挖；USACE将完成第3阶段节制闸和第4阶段进水渠道段的开挖，以及进水渠道段、陡槽段和消力池的混凝土衬砌。辅助溢洪道施工场地狭小，这是该项目所面临的主要挑战。

1.1 大坝建成后的洪水事件

1986年2月，加利福尼亚州北部普降暴雨，导致亚美利加河流域发生了历史上最大的洪水;1997年1月，该流域再次发生极端降雨。这2次的暴雨引起了人们对现有防洪系统适应性的关注，并对萨克拉门托是否需要增加防洪设施展开了一系列调查。福尔瑟姆坝的防洪标准是基于1900～1950年的实测水文资料确定的,1950年以来已经发生过5次强降水，其产生的洪水比1900～1950年任一起洪水都要大。因为为了提高该坝安全标准减少洪水损失(FDR)，萨克拉门托地区开展了广泛的堤防整治和建设工作。垦务局大坝安全研究结果表明，福尔瑟姆坝存在相当程度的漫顶风险，一段或多段土坝结构的整体性将受到威胁。

根据最新的水文资料推算，现有溢洪道只能通过可能最大洪水(PMF)70%～75%的水量。

1.2 新的洪水控制需求

对该坝下游现有堤防系统的预测结果表明，任一年份堤防决口，亚美利加河水淹没萨克拉门托城的概率将为1/81。工程的非联邦赞助者已经确立了最低防洪标准，能抵御200 a一遇洪水。

设计的辅助溢洪道与主坝上的溢洪道一起可以下泄最大洪水。最大洪水流经下游堤防时由于堤顶高程不够会产生漫顶，最大洪水时辅助溢洪道下泄流量为8 850 m3/s。附属溢洪道设计流量为3 825 m3/s，主坝泄水孔流量为710 m3/s，下游渠道流量为4 530 m3/s。加固后，该坝下游河道的过流能力将从3 256 m3/s提高到4 530 m3/s。

2 辅助溢洪道设计

修建辅助溢洪道，以期达到下列目的。

(1) 降低洪水对亚美利加河沿岸的威胁，将地方防洪标准提高到200 a一遇；

(2) 使最大洪水能安全通过福尔瑟姆坝。

这项工程既能满足减少FDR的目的，又能达到垦务局提出的确保大坝安全的目标。工程师团和垦务局均参与了JFP的设计和建造，基于建设成本均担的原则，双方签订了分工协议，各家均根据工程阶段制订自已的相应工作包，设计采用USACE的标准，垦务局标准作为补充。

2.1 水力模型与设计

水力设计是溢洪道设计的一个关键单元。水力物理模型同时在几个水力实验室建立并试验，以验证并修改进水渠道、控制结构、溢洪道泄槽、消力池以及与大坝溢洪道下泄水流合流等的初始水力设计。根据模型水流特性观测结果，对控制结构和消力池作了较大修改设计。

目前的溢洪道设计方案优化了泄流能力，控制结构出口处的负压满足要求，使涡流形成最小化。阶梯式溢洪道泄槽的设计能有效达到消能目的，并完全将水跃控制在消力池范围内。

运用以下物理和数字模型来测试各种设计方案和修改设计方案。

(1) 犹他州立大学(USU)犹他水力实验室(UWRL)建立的进水渠道和控制结构的1∶30弗劳德物理模型。

(2) 明尼苏达大学圣安东尼瀑布水力实验室(SAFL)建立的溢洪道陡槽、台阶式溢洪道和消力池的1∶26弗劳德物理模型。

(3) 科罗拉多州丹佛垦务局建立的大坝和辅助溢洪道泄水合流1∶48的弗劳德物理模型。

(4) 垦务局开发的台阶式溢洪道二维数值模型，用于单独计算阶梯式溢洪道能够达到的消能效果。

(5) 阶梯陡槽FLOW-3D数值模型模拟气穴问题产生的可能性，并评估消力墩气穴现象。

(6) 阶梯陡槽和消力墩设计的部分低压室(LAPC)物理试验，研究气穴效应，据此对设计方案进行修改。

控制结构和进水渠早期设计方案的物理模型试验结果表明，会产生强涡流并导致闸门振动，损坏弧形闸门耳轴，降低泄水能力，洪水可能漫过挡墙进入下游陡槽。因而必须显著改变控制结构和进水渠的结构，尽量减少模型检测到的漩涡。根据模型试验来确定进水渠墙高、坡度、几何形状和截石坑尺寸、消力池规模与消力墩形状。

消力池边墙高度最终由1∶48物理模型确定。在最初研究中，通过计算确定的消力池边墙高度为20 m，低于20 m则不能保证消力池的设计流量。当亚美利加河出现洪水，辅助溢洪道和泄洪口流量达到约5 665 m3/s时，洪水就会漫过边墙。当洪水明显高于设计标准时，消力池边墙漫顶，但辅助溢洪道和大坝都不会有失事的危险。

根据USACE的定义，高速水流是指流速超过12 m/s的水流。溢洪道水流速度取决于泄洪水平。进水渠段的水流速度显然小于12 m/s，当接近控制段时，水流加速并在控制段达到20 m/s。水流先进入上部泄槽，再进入更陡的台阶状泄槽，流速将达到20～30 m/s,之后水流进入设置有消力墩的消力池，流速可达33 m/s。对于罕见的超大泄量，水流将漫过消力池边墙，池周围泥沙和岩块会被冲入池中。

高速水流中水压变化导致的气泡破裂会产生气穴冲蚀，冲蚀混凝土结构；水流携带的泥砂、砾石和其他杂质会对混凝土表面造成磨损。溢洪道中混凝土表面一旦磨损，气穴冲蚀作用将更强。因此，防止或尽量减少沙石或有害杂质对混凝土的破坏非常重要，最好的方法是防止上述物质进入辅助溢洪道混凝土段。为减少石块被水流带入溢洪道进水段底板，可以在混凝土衬砌的进水渠前设置截石坑。此外，施工中应清除开挖出来的进水渠非衬砌段的松动石块。

垦务局的数字模拟表明，水流经过溢洪道台阶附近时，在垂直深度上水流速度差异非常显著，水面的速度是台阶附近的数倍(台阶附近约10 m/s)。尽管数字模拟表明台阶处的气穴冲蚀作用很小，但还是在垦务局的LAPC进行了潜在气穴冲蚀模拟。结果表明，在泄洪量达到消力池设计值3 820 m3/s时，不会产生明显的气穴冲蚀，但当泄洪量达4 530 m3/s时，沿较低的台阶可能会产生气穴冲蚀。根据数字模型计算得到的台阶处流态特征，水流从进水渠带到泄槽的碎石对台阶的磨损明显比预想的小。基于模型确定的动水压力，台阶状泄槽和消力池底板均采用厚为30.5 cm抗磨蚀混凝土衬砌，避免来自进水渠的泥沙和卷入消力池下游石块对混凝土的磨蚀。对所有承受高速水流的底板表面均做处理，减小糙率。

2.2 岩土工程设计

溢洪道基础设计前，进行了详细的钻探、物探、室内试验、岩体风化带划分、地下水模拟和地质测绘。场区大部分下伏风化程度不一的侵入石英闪长岩，对开挖临时边坡和永久边坡稳定性进行了块体分析和极限平衡分析。

大部分溢洪道泄槽是在施工的第1、2阶段开挖完成的。开挖揭露的和地质测绘发现的裂隙和剪切带，在结构混凝土和锚杆设计时均加以了充分考虑。为控制建筑物地基中的一条主要剪切带，需要超挖并形成“地基梁”。

溢洪道建筑物置于未风化～强风化岩石上，不同的条件采用不同的基础设计。进水渠需要开挖填土、冲积物、崩积物，以及强风化、中风化和微风化岩石，既需要干法又需要湿法施工。开挖方法包括土石开挖、干法开挖以及水下开挖和爆破。进水渠有一天然岩梗，可以作为溢洪道施工的围堰，为保证溢洪道开挖和施工，需在岩梗区设置长357 m的防渗墙。溢洪道建成后，再对岩梗和防渗墙按先干法再水下的顺序依次拆除。

2.3 材料设计

辅助溢洪道项目需要219 400 m3加强混凝土和结构混凝土。USACE和HDR在垦务局材料工程研究室对混凝土材料进行了大量室内试验，包括混凝土材料和混合材料的强度及相关性质、热物理性质和抗磨损性质。抗震性能由正常载荷强度试验确定，并根据USACE的快速加载强度标准进行了修正。

第3阶段控制结构约需79 500 m3混凝土，混凝土90 d龄期抗压强度为20.7～34.5 MPa，最大骨料(MSA)粒径为7.6 cm。混凝土骨料采自亚美利加河冲积砾料，混凝土中掺和大量矿渣粉和Ⅱ型水泥。

第4阶段进水渠、泄槽和消力池需要约140 000 m3混凝土，混凝土90 d龄期抗压强度为20.7～34.5 MPa，MSA粒径3.8 cm。台阶状泄槽和消力池的高强耐磨混凝土添加二氧化硅粉或超细粉煤灰，90 d龄期强度可达55 MPa。

对大体积混凝土进行了热物理分析，据此提出混凝土参数和接缝宽度，避免热胀和收缩裂隙的产生，并提出冬季温度剧变混凝土的保护措施,允许混凝土中因加强配筋而产生毛细裂隙。在控制结构中，采用在混凝土中部1.5 m处预埋钢管进行人工降温，以控制大体积混凝土产生高温和裂缝。

2.4 结构设计

引水渠边墙和底板由URS设计，控制结构、泄槽和消力池由USACE设计。对控制结构，包括基础和水库，进行了全3D有限元建模，并采用LS-DYNA分析工具来分析，得到完整的水力结构和土工结构相互作用成果。控制结构的抗震性能采用USACE标准，考虑到运行基本地震(OBE)、最大可信地震(MCE)、PMF和各种荷载组合，对控制结构的稳定性和应力进行了分析,包括：总静荷载、水静荷载、上游水压力和尾水压力、静水浮力、土荷载、温度荷载、地震力(水动力和惯性)以及基础的反作用力。

将控制结构作为独立单元进行整体稳定性分析，LS-DYNA分析成果用来评价混凝土静态和动态应力，从而确定不同区域所需的强度。泄槽和消力池则采用USACE标准中的常规结构来设计荷载条件和载荷系数，包括基本荷载、特殊荷载和极端荷载条件，以及水荷载、地震荷载、水位降低增加的荷载、土压力、浮力和车辆荷载，水力模型边墙上的压力传感器和水力模型的流线用来确定边墙的水力荷载。运用SAP2000来建立U形槽模型，包括台阶状泄槽的三维模型。溢洪道底板连续配筋并按棋盘格式布置，利于散热和减轻基础约束。泄槽和消力池边墙采用悬臂式，墙内侧铅直，外侧倾斜。

3 项目特性

(1) 进水渠。进水渠以5°从水库向外延伸，长约335 m，进水口宽约100 m，至控制结构处宽15.7 m。非衬砌岩石开挖段长约213 m，衬砌段长93 m，两段之间设置深7.6 m、宽23.5 m的截石坑，进水渠末端与控制结构相接。靠近控制结构的进水渠最深，约33.5 m。在覆盖层、破碎及强风化岩石段的进水渠边坡坡度为2H∶1V，并用块石护坡，防止冲蚀；中风化及微风化岩石段的为1H∶1V。

混凝土衬砌段进水渠断面为U形，为了利用上游岩梗做围堰，将采用分期施工。进水渠底板厚1.5 m，采用被动锚杆锚入岩石。边墙高约30.5 m，呈弧形往控制结构上游延伸，右侧61 m，左侧36.5 m。边墙下半部分采用大体积混凝土，厚度从底部的3 m往上逐渐增加，至大体积混凝土顶部，也就是边墙中部更厚，并用锚杆锚入岩石。上半部分则为扶壁式钢筋混凝土墙。

(2) 控制结构。JFP的主要建筑物为闸门控制结构，由建于基岩上的5个独立闸室组成：2个宽为27.5 m的过流闸室，安装6个检修闸门和6个水下弧形闸门(STG)；两翼为3个非过流闸室，作为各种设备的检修廊道以及电气室的通道。

灌浆排水廊道位于控制结构踵部，便于今后的帷幕灌浆和垂直排水。混凝土控制结构的最终尺寸受水力模型研究的影响很大，6个泄水口中都要安装上游检修闸门和弧形闸门。检修闸门用于安全和检修，宽7.6 m，高11.8 m，可以沿垂直导槽从建筑物顶部连续下降到水道仰拱。STG宽7 m，高10.4 m，由厚为1.2～1.8 m的隔墩分隔。这12个闸门均安装独立的升降系统，检修闸门采用钢丝绳升降系统操作，弧形门则采用双缸液压控制，同步移动时误差为0.25 cm。

(3) 泄槽。泄槽为U形断面，宽51.5 m，上接控制建筑物，下至消力池，总长844 m，分为上、下两段。

上段泄槽长约639 m，为常规钢筋混凝土U形断面，纵坡降约2%。悬臂墙的高度在上游端点处为10.6 m，往下游逐渐变低，到下游端点处为8.8 m。泄槽和消力池边墙设有膨胀缝和收缩缝，膨胀缝间距29 m，收缩缝间距7.3 m。钢筋混凝土底板最小厚度为0.7 m，下设平均厚度约0.6 m的混凝土找平垫层。底板采用被动锚杆锚固，入岩深度4.5～6 m，梅花形布置；泄槽上段间距为6 m，台阶状泄槽段间距为4.5 m。排水设计采用垂向排水与横向、纵向排水相结合的排水网。

泄槽下段长约205 m，为陡倾钢筋混凝土U形断面结构，台阶状泄槽逐级消能，可以极大地减小消力池尺寸，这在其他设计方案中不可能做到。台阶状泄槽的悬臂墙大多数高约9 m，与消力池连接处达到19 m；大致采用抛物线型，共68个台阶，台阶高0.2～1 m。

底板采用被动锚杆锚入岩石，受台阶影响底板厚度存在变化，上端厚约1 m，下端厚约2 m，台阶表面用抗磨损混凝土处理。截渗与抗浮采用排水和竖板措施来解决。

(4) 消力池。消力池为U形断面，宽51.5 m，长78.3 m。布置有高4.8 m的超空消力墩，墩间设高1.2 m的斜坡，墩后设置端梁。消力池悬臂墙高20 m ，钢筋混凝土底板厚4 m，分3层浇筑，无入岩锚杆。

用4个纵向排水管组成的2套系统汇集坝基的渗水。底板、部分消力墩及裸露的端梁用耐磨损混凝土进行表面处理，消力墩上游面还有钢保护层。在排向下游河道之前，水流先通过一段岩质泄水渠，与主坝下泄洪水合流。