波多黎各波图格斯碾压混凝土坝施工挑战

[美国]　R.I.艾德考安 等



设计与施工

波多黎各波图格斯碾压混凝土坝施工挑战

[美国]R.I.艾德考安 等

摘要：在介绍波图格斯坝概况的基础上，重点阐述了大坝施工期间遇到的挑战，包括坝基地质条件复杂、雨季河道洪水频发、当地熟练工人缺乏、可利用的材料和设备有限，以及高温季节浇筑混凝土等。通过参建各方的共同努力，最终总结出了一系列应对并克服挑战的施工经验，保证了施工项目的顺利实施，可为类似工程借鉴。

关键词：碾压混凝土；大坝施工；高温季节；浇筑混凝土；施工经验；波图格斯坝；波多黎各

1工程概况

波图格斯大坝位于波多黎各中部地区、庞塞市西北约 5.5 km处，靠近南加勒比海岸，距离波图格斯河入海口约13 km。该工程由美国陆军工程师团(USACE)设计，由USACE和该国自然与环境资源部(DNER)共同所有。在强降雨季节，该工程可抵御洪水、热带风暴和飓风。工程附属建筑物包括坝身溢洪道、进水口结构，以及位于1.8万m3碾压混凝土(RCC)支墩顶部的控制室。工程施工包括岩石基础开挖、基础处理、混凝土骨料开采以及连接坝顶与阀门室的道路修建等。

1.1建设历史

庞塞是该国人口第二多的城市，其北部山区受河流水位陡涨陡落影响，常导致下游城市地区发生洪水，威胁人民及财产安全。

USACE初期设计的波图格斯坝为三圆心双曲薄拱坝。21世纪初，因初期方案单项施工投标报价大大超出政府投资预算，需要设计更经济的替代方案，故USACE最终选择了当前的拱形RCC重力坝方案。

1970年，波图格斯河和布卡那(Bucana)河防洪工程获得批准。该工程包括2座大坝，其中波图格斯坝为最后1座，另1座为色力罗(Cerrillos)大坝，1992年完工。整个防洪工程包括2座综合利用水库，以及坝址下游至河流入海口之间的河道改造工程。DNER是该工程最大的股东。

1.2技术指标

波图格斯坝为单圆心拱形RCC重力坝，最大坝高67 m，坝顶长375 m。坝体RCC总量超过27万m3，溢洪道、进水口和坝顶常态混凝土方量超过7 600 m3，基础处理回填大体积混凝土约1.5万m3，阀室的基础支墩浇筑RCC超过 1.8万m3。大坝上游面垂直，下游面呈台阶状,综合坡比为1∶0.35(V∶H)。通过设置间距 21.3 m的接触缝，将坝体分成18个坝段。宽 2.1 m、高 3.7 m的RCC坝内部廊道位于设计建基面以上，高程约6 m，在廊道内进行帷幕灌浆孔(向上游倾斜)和基础排水孔(垂直向)施工。在坝顶中部布置宽 42.7 m的开敞式溢洪道，采用挑流消能，常态混凝土施工。

泄洪工程包括2条直径 1.5 m的泄水管，从坝基与RCC结构之间的大坝常态混凝土内穿过。泄水管从大坝上游进水口结构的闸门延伸至大坝下游阀室的球阀处。

波图格斯大坝RCC中使用了火山灰水泥，其特点是强度增长缓慢，1 a后设计抗压强度为31 MPa，但通常超过41 MPa。相对于新浇筑混凝土表面而言，混凝土强度增长缓慢有利于RCC连续浇筑在“热”的层间缝上，层间浇筑间隙期最长延长至24 h。对于部分混凝土面即“暖”缝面(达72 h)和“冷”缝面(超过72 h)，要求在下层混凝土浇筑之前进行特殊的缝面处理。

2施工设施

为确保大坝正常施工，需设置许多配套设施。主要设施情况如下。

(1) 砂石加工系统。生产3种粗骨料(公称最大粒径：50，20 mm和10 mm)和细骨料(砂)，不同粒径的骨料可配给不同要求的混凝土。

(2) 细骨料筛分系统。可筛除部分无用的细砂。

(3) 现场双混凝土拌和系统。每次可制备4 m3RCC、常态混凝土或砂浆，辅以2个1 000 t水泥筒仓，1个1 000 t粉煤灰筒仓，3个2 000 t粗骨料筒仓，以及2个1 000 t细骨料筒仓(分别用于存储洗过或未洗的砂)。

(4) 制冷系统。制冰设备生产能力为200 t/d，水冷却装置用于“湿式皮带”廊道和混合水冷却，通过2条长120 m的“湿式皮带”可使粗骨料温度降至10℃以下，从而满足RCC浇筑平均最高温度不超过15.5℃的要求。

(5) 1套移动式混凝土拌和系统。用于生产常态混凝土和砂浆。

(6) 1套长298 m的混凝土输送系统。将混凝土从拌和站输送至大坝中部。

(7) 其他辅助设施。机械、电气、焊接和木工厂等。

在大坝施工期间，无外接电网系统，所有现场设施均采用发电机供电。

3施工挑战

3.1地形地质条件复杂

受剪切带影响，工程区内砂岩、粉砂岩和变质火山岩破碎且风化严重。由于地质条件较差，难以获得规则的基础面。骨料场位于坝址北部约2 km处。

大型开挖设备只能开挖至理论建基面高程，剩余大量的建基面清理工作只能通过人工或小型开挖设备完成，处理过程耗时耗力，且常受大雨和突发洪水影响。

受坝址区地形条件限制，附属设施布置困难，骨料需存储在多个位置，通往大坝不同高程的临时施工道路施工困难。

3.2施工要求严格及设备供应受限

大坝施工技术要求非常严格，尽管许多要求对于USACE和美国标准而言很常见，但还是给工程施工带来了特殊挑战。如前文所述，该工程是波多黎各首座RCC坝，因此许多需求从未在该国实现过，特别是服务供应、材料和设备方面的要求。由于许多当地公司无法提供工程所需的服务、材料和设备，因此不得不选择由有资质的当地供应商或海外公司提供。

RCC生产属于工业生产方法，生产设备的连续运转对于确保混凝土质量非常关键。小问题或小故障都可能导致生产中断，甚至付出高昂的停产代价，随后可能导致数百人闲置。

该国缺乏施工所需的必要设施，大部分设备和专业零部件必须从海外进口。为了将设备交付、维护和修理对工程的影响降至最小，后勤保障部门需面临巨大挑战。尽管德拉格多斯(Dragados)集团美国公司在现场存储了大量备用件，以减少对工期的潜在影响，但在特殊情况下，某些零部件和材料还需从美国空运过来。此外，该公司雇佣了比正常情况更多的机械和电力人员，每周7 d、每天24 h工作。虽然以上措施增加了项目成本，但对保障工程进度而言是必需的。

根据合同要求，RCC浇筑需满足下列规定：①必须在平均温度15.5℃以下浇筑；②只允许在1 a中较冷的月份跳仓浇筑；③必须在24 h(最大层间间隙期)内用新浇筑层覆盖，否则，需要对结合面进行特殊处理，相邻浇筑层(暖缝处理)之间应铺1层砂浆；④必须在45 min之内完成生产、运输和浇筑；⑤层间清理应由人工完成。

3.3两岸连接坝顶的交通受限

通往坝顶附近的唯一永久通道位于大坝下游侧，但仅能到右坝肩附近，需修建1座桥才能和坝顶连接，理论上只能在右坝肩上部施工完成后才能修建。在大坝浇筑期间，为将辅助设备运至右岸上部，并将RCC浇筑设备从右岸移至左岸，历经磨难才在右岸上游侧修建了1条临时道路。

由于左岸无永久进场道路，为将设备运至左岸施工部位，并在施工完成后将设备撤走，必须修建另1条临时道路。但由于河谷左岸地形陡峻，施工困难，因此这条临时道路不得不建在下游侧，并在完成使命之后拆除。

3.4天气条件恶劣

波多黎各地区易受热带风暴和台风影响。大坝位于城市北部山区的狭窄河谷，地形陡峻，加之波图格斯河流域内年平均降雨量超过2 000 mm，热带降雨频繁，降雨量大且突然，洪水来临前几乎来不及保护现场，更不能将设备或人员转移到安全地带。

由于地形较陡，在临时导流工程的设计中需考虑漫顶问题。漫顶期间，施工不得不停止，直到被淹没的施工道路和低洼施工区域得到恢复。施工初期，洪水为经常性威胁，需要密切关注气象预报。在雨季RCC施工时，通常没有足够时间来保护施工现场，从而导致混凝土施工中断，降雨过后又因层间间隙期超过允许时间，增加了大量的额外层间处理工作量。

强降雨期间，因导流围堰漫顶，施工区域受到影响，连接料场、RCC拌和站和右岸区域的交通受限。

频繁降雨导致细骨料的湿度连续变化且不均一。RCC对骨料湿度变化非常敏感，湿度的微小变化对于RCC的稠度均会造成影响。为优化RCC生产，往往要求部分砂在处理2～3遍后存储至棚屋内，以保持湿度一致。

合同要求RCC应在日平均温度15.5℃以下浇筑，即使在冬季月份，庞塞的平均气温也超过24℃。为满足施工要求，所有用于RCC生产的粗骨料均应预冷至10℃以下，同时在混凝土用水中加入冰块，以降低RCC的温度。

由于降雨频繁，细骨料的湿度相对较高，且在经过冷却廊道之后，粗骨料也是潮湿的，冷却RCC过程中应限制各批次添加冰的用量。因此，保持细骨料的干燥状态对于获得较低的浇筑温度非常重要。

3.5熟练工人缺乏

RCC坝施工是一个连续的过程，必须保持不间断施工，这就需要大量熟练工人。在施工高峰期，波图格斯坝的施工人员超过800人。

庞塞及其附近地区无现成的熟练施工人员，因此在当地招聘有RCC施工经验的人员是不可能的，且因费用有限，从岛外招聘有经验的人员也不现实。因此，大部分施工人员必须在当地接受培训。

RCC施工对时间要求非常严格，为确保工程顺利实施，要求各工作组的各项工作必须协调一致，从RCC生产和浇筑间隙时间，到层间连续浇筑允许的最大间隙期，超过最大层间间隙期需对层面进行特殊处理。此外，还有一些特殊工作需要不同的工作组来完成，主要包括：①混凝土缺陷处理；②钻孔和灌浆；③RCC生产、运输、浇筑和碾压；④RCC层面清理、准备及湿度控制；⑤模板提升和准备；⑥外表面富胶凝RCC碾压；⑦接触缝切割；⑧监测仪器安装及监测；⑨设备检查、测试及维护。在这些工作环节中，任何一项工作执行不力或延迟都可能导致停工。

要确保大量的劳动力适应连续的轮班工作确实不易，通常对轮班工作要求很高。由于RCC浇筑主要集中在冬季的6个月内，所以夏季月份不得不辞退大部分劳动力，在下一个浇筑高峰期来临时，虽然试图重新雇佣同一批人员，但有相当比例的工人不愿返回，造成大量熟练劳动力流失，而新聘人员又需要重新培训。

3.6工程安全风险大

对于USACE和德拉格多斯集团美国公司而言，安全问题至关重要。项目中运用了大量的安全作业程序，各项施工中，一直有专门的安全员。

RCC施工要求设备和人员高效且保持协调一致，以免引起严重的安全风险。大坝施工采用的传送系统随着坝体高度增加而升高，工人作业面高程也不断增加，安全风险增大。USACE和德拉格多斯集团美国公司对该项目的安全要求和预期明显高于同区域的其他施工项目，因此安全工作更具挑战性。尽管在项目施工期间发生过小事故，但并未造成致命或其他严重的安全事故发生。

3.7质量控制要求高

整个大坝的安全与施工质量密切相关。波图格斯坝采用最高质量标准建造。德拉格多斯集团美国公司负责质量控制(QC)，USACE负责品质保证(QA)。在施工高峰期，有超过30名QC人员和20名QA人员在现场工作。

在施工过程中，收集了大量信息并进行了分析，以下是质量检查的部分内容。

(1) 提交程序。所有工作均全部通过提交程序进行存档。为该项目准备的提交文件超过4 500个。

(2) 施工偏差。严格控制施工偏差，例如溢洪道的溢流堰、泄槽和挑流鼻坎尺寸偏差须在 3.2 mm以内。

(3) 测试频次。在大坝施工期间，Vebe稠度、RCC浇筑温度、RCC密度、抗压强度、骨料级配等指标只是大量测试与收集的质量数据中的一小部分。其中许多测试的频次很高，例如该项目有超过2 000车次的常态混凝土测试了坍落度、含气量、温度和容重等指标。

按照德拉格多斯集团美国公司在RCC坝方面的经验，大坝施工采用USACE的3步QC和QA程序。首先，在施工前召开正式的计划会，明确施工要求和工作计划；其次，施工和质量小组对实施计划(包括安全、质量和环境要求)全部进行复核和规划，并获得QA小组批准；最后，在任一单项工程开始前，监理与施工人员一起再次复核所有安全、质量和施工要求，并在实施过程中持续监督和修正，以确保满足要求。

在RCC浇筑开始前，该公司通过RCC试验区培训现场施工人员，最终选择最合适的浇筑设备和方法。在RCC浇筑高峰期临近时，公司会通过播放前1期培训视频课程，为新员工培训提供帮助。

4结语

波图格斯坝是美国建设的首座拱形RCC重力坝，也是波多黎各的第1座RCC坝。该项目是波图格斯河和布卡那河防洪工程的最后1期工程，可确保庞塞市免遭洪水威胁。2008年，德拉格多斯集团美国公司获得该项目的施工合同，工程于2013年12月完工， 2014年2月举行了工程竣工仪式。由于项目所在地区存在材料运输不便、特殊设备零部件不易获得、熟练工人缺乏等难题，项目实施期间需应对并克服各种挑战。最终通过参建各方的共同努力，该项目得以顺利完工。

波图格斯大坝项目将作为USACE下一代大坝工程师的培训基地。通过该项目， USACE不仅培训了许多自己的工程师，还将RCC知识传授给了当地的工程师团体。

曹艳辉孙言译

(编辑：唐湘茜)

收稿日期：2016-02-05

文章编号：1006-0081(2016)06-0017-04

中图法分类号：TV642.2

文献标志码：A

(译者简介：曹艳辉，男，长江勘测规划设计研究有限责任公司，高级工程师。)