[美國]　R.I.艾德考安 等

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設(shè)計與施工

波多黎各波圖格斯碾壓混凝土壩施工挑戰(zhàn)

[美國]R.I.艾德考安 等

摘要：在介紹波圖格斯壩概況的基礎(chǔ)上，重點闡述了大壩施工期間遇到的挑戰(zhàn)，包括壩基地質(zhì)條件復(fù)雜、雨季河道洪水頻發(fā)、當(dāng)?shù)厥炀毠と巳狈Α⒖衫玫牟牧虾驮O(shè)備有限，以及高溫季節(jié)澆筑混凝土等。通過參建各方的共同努力，最終總結(jié)出了一系列應(yīng)對并克服挑戰(zhàn)的施工經(jīng)驗，保證了施工項目的順利實施，可為類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土；大壩施工；高溫季節(jié)；澆筑混凝土；施工經(jīng)驗；波圖格斯壩；波多黎各

1工程概況

波圖格斯大壩位于波多黎各中部地區(qū)、龐塞市西北約 5.5 km處，靠近南加勒比海岸，距離波圖格斯河入?？诩s13 km。該工程由美國陸軍工程師團(USACE)設(shè)計，由USACE和該國自然與環(huán)境資源部(DNER)共同所有。在強降雨季節(jié)，該工程可抵御洪水、熱帶風(fēng)暴和颶風(fēng)。工程附屬建筑物包括壩身溢洪道、進水口結(jié)構(gòu)，以及位于1.8萬m3碾壓混凝土(RCC)支墩頂部的控制室。工程施工包括巖石基礎(chǔ)開挖、基礎(chǔ)處理、混凝土骨料開采以及連接壩頂與閥門室的道路修建等。

1.1建設(shè)歷史

龐塞是該國人口第二多的城市，其北部山區(qū)受河流水位陡漲陡落影響，常導(dǎo)致下游城市地區(qū)發(fā)生洪水，威脅人民及財產(chǎn)安全。

USACE初期設(shè)計的波圖格斯壩為三圓心雙曲薄拱壩。21世紀初，因初期方案單項施工投標報價大大超出政府投資預(yù)算，需要設(shè)計更經(jīng)濟的替代方案，故USACE最終選擇了當(dāng)前的拱形RCC重力壩方案。

1970年，波圖格斯河和布卡那(Bucana)河防洪工程獲得批準。該工程包括2座大壩，其中波圖格斯壩為最后1座，另1座為色力羅(Cerrillos)大壩，1992年完工。整個防洪工程包括2座綜合利用水庫，以及壩址下游至河流入?？谥g的河道改造工程。DNER是該工程最大的股東。

1.2技術(shù)指標

波圖格斯壩為單圓心拱形RCC重力壩，最大壩高67 m，壩頂長375 m。壩體RCC總量超過27萬m3，溢洪道、進水口和壩頂常態(tài)混凝土方量超過7 600 m3，基礎(chǔ)處理回填大體積混凝土約1.5萬m3，閥室的基礎(chǔ)支墩澆筑RCC超過 1.8萬m3。大壩上游面垂直，下游面呈臺階狀,綜合坡比為1∶0.35(V∶H)。通過設(shè)置間距 21.3 m的接觸縫，將壩體分成18個壩段。寬 2.1 m、高 3.7 m的RCC壩內(nèi)部廊道位于設(shè)計建基面以上，高程約6 m，在廊道內(nèi)進行帷幕灌漿孔(向上游傾斜)和基礎(chǔ)排水孔(垂直向)施工。在壩頂中部布置寬 42.7 m的開敞式溢洪道，采用挑流消能，常態(tài)混凝土施工。

泄洪工程包括2條直徑 1.5 m的泄水管，從壩基與RCC結(jié)構(gòu)之間的大壩常態(tài)混凝土內(nèi)穿過。泄水管從大壩上游進水口結(jié)構(gòu)的閘門延伸至大壩下游閥室的球閥處。

波圖格斯大壩RCC中使用了火山灰水泥，其特點是強度增長緩慢，1 a后設(shè)計抗壓強度為31 MPa，但通常超過41 MPa。相對于新澆筑混凝土表面而言，混凝土強度增長緩慢有利于RCC連續(xù)澆筑在“熱”的層間縫上，層間澆筑間隙期最長延長至24 h。對于部分混凝土面即“暖”縫面(達72 h)和“冷”縫面(超過72 h)，要求在下層混凝土澆筑之前進行特殊的縫面處理。

2施工設(shè)施

為確保大壩正常施工，需設(shè)置許多配套設(shè)施。主要設(shè)施情況如下。

(1) 砂石加工系統(tǒng)。生產(chǎn)3種粗骨料(公稱最大粒徑：50，20 mm和10 mm)和細骨料(砂)，不同粒徑的骨料可配給不同要求的混凝土。

(2) 細骨料篩分系統(tǒng)?？珊Y除部分無用的細砂。

(3) 現(xiàn)場雙混凝土拌和系統(tǒng)。每次可制備4 m3RCC、常態(tài)混凝土或砂漿，輔以2個1 000 t水泥筒倉，1個1 000 t粉煤灰筒倉，3個2 000 t粗骨料筒倉，以及2個1 000 t細骨料筒倉(分別用于存儲洗過或未洗的砂)。

(4) 制冷系統(tǒng)。制冰設(shè)備生產(chǎn)能力為200 t/d，水冷卻裝置用于“濕式皮帶”廊道和混合水冷卻，通過2條長120 m的“濕式皮帶”可使粗骨料溫度降至10℃以下，從而滿足RCC澆筑平均最高溫度不超過15.5℃的要求。

(5) 1套移動式混凝土拌和系統(tǒng)。用于生產(chǎn)常態(tài)混凝土和砂漿。

(6) 1套長298 m的混凝土輸送系統(tǒng)。將混凝土從拌和站輸送至大壩中部。

(7) 其他輔助設(shè)施。機械、電氣、焊接和木工廠等。

在大壩施工期間，無外接電網(wǎng)系統(tǒng)，所有現(xiàn)場設(shè)施均采用發(fā)電機供電。

3施工挑戰(zhàn)

3.1地形地質(zhì)條件復(fù)雜

受剪切帶影響，工程區(qū)內(nèi)砂巖、粉砂巖和變質(zhì)火山巖破碎且風(fēng)化嚴重。由于地質(zhì)條件較差，難以獲得規(guī)則的基礎(chǔ)面。骨料場位于壩址北部約2 km處。

大型開挖設(shè)備只能開挖至理論建基面高程，剩余大量的建基面清理工作只能通過人工或小型開挖設(shè)備完成，處理過程耗時耗力，且常受大雨和突發(fā)洪水影響。

受壩址區(qū)地形條件限制，附屬設(shè)施布置困難，骨料需存儲在多個位置，通往大壩不同高程的臨時施工道路施工困難。

3.2施工要求嚴格及設(shè)備供應(yīng)受限

大壩施工技術(shù)要求非常嚴格，盡管許多要求對于USACE和美國標準而言很常見，但還是給工程施工帶來了特殊挑戰(zhàn)。如前文所述，該工程是波多黎各首座RCC壩，因此許多需求從未在該國實現(xiàn)過，特別是服務(wù)供應(yīng)、材料和設(shè)備方面的要求。由于許多當(dāng)?shù)毓緹o法提供工程所需的服務(wù)、材料和設(shè)備，因此不得不選擇由有資質(zhì)的當(dāng)?shù)毓?yīng)商或海外公司提供。

RCC生產(chǎn)屬于工業(yè)生產(chǎn)方法，生產(chǎn)設(shè)備的連續(xù)運轉(zhuǎn)對于確?；炷临|(zhì)量非常關(guān)鍵。小問題或小故障都可能導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，甚至付出高昂的停產(chǎn)代價，隨后可能導(dǎo)致數(shù)百人閑置。

該國缺乏施工所需的必要設(shè)施，大部分設(shè)備和專業(yè)零部件必須從海外進口。為了將設(shè)備交付、維護和修理對工程的影響降至最小，后勤保障部門需面臨巨大挑戰(zhàn)。盡管德拉格多斯(Dragados)集團美國公司在現(xiàn)場存儲了大量備用件，以減少對工期的潛在影響，但在特殊情況下，某些零部件和材料還需從美國空運過來。此外，該公司雇傭了比正常情況更多的機械和電力人員，每周7 d、每天24 h工作。雖然以上措施增加了項目成本，但對保障工程進度而言是必需的。

根據(jù)合同要求，RCC澆筑需滿足下列規(guī)定：①必須在平均溫度15.5℃以下澆筑；②只允許在1 a中較冷的月份跳倉澆筑；③必須在24 h(最大層間間隙期)內(nèi)用新澆筑層覆蓋，否則，需要對結(jié)合面進行特殊處理，相鄰澆筑層(暖縫處理)之間應(yīng)鋪1層砂漿；④必須在45 min之內(nèi)完成生產(chǎn)、運輸和澆筑；⑤層間清理應(yīng)由人工完成。

3.3兩岸連接壩頂?shù)慕煌ㄊ芟?/p>

通往壩頂附近的唯一永久通道位于大壩下游側(cè)，但僅能到右壩肩附近，需修建1座橋才能和壩頂連接，理論上只能在右壩肩上部施工完成后才能修建。在大壩澆筑期間，為將輔助設(shè)備運至右岸上部，并將RCC澆筑設(shè)備從右岸移至左岸，歷經(jīng)磨難才在右岸上游側(cè)修建了1條臨時道路。

由于左岸無永久進場道路，為將設(shè)備運至左岸施工部位，并在施工完成后將設(shè)備撤走，必須修建另1條臨時道路。但由于河谷左岸地形陡峻，施工困難，因此這條臨時道路不得不建在下游側(cè)，并在完成使命之后拆除。

3.4天氣條件惡劣

波多黎各地區(qū)易受熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)影響。大壩位于城市北部山區(qū)的狹窄河谷，地形陡峻，加之波圖格斯河流域內(nèi)年平均降雨量超過2 000 mm，熱帶降雨頻繁，降雨量大且突然，洪水來臨前幾乎來不及保護現(xiàn)場，更不能將設(shè)備或人員轉(zhuǎn)移到安全地帶。

由于地形較陡，在臨時導(dǎo)流工程的設(shè)計中需考慮漫頂問題。漫頂期間，施工不得不停止，直到被淹沒的施工道路和低洼施工區(qū)域得到恢復(fù)。施工初期，洪水為經(jīng)常性威脅，需要密切關(guān)注氣象預(yù)報。在雨季RCC施工時，通常沒有足夠時間來保護施工現(xiàn)場，從而導(dǎo)致混凝土施工中斷，降雨過后又因?qū)娱g間隙期超過允許時間，增加了大量的額外層間處理工作量。

強降雨期間，因?qū)Я鲊呗敚┕^(qū)域受到影響，連接料場、RCC拌和站和右岸區(qū)域的交通受限。

頻繁降雨導(dǎo)致細骨料的濕度連續(xù)變化且不均一。RCC對骨料濕度變化非常敏感，濕度的微小變化對于RCC的稠度均會造成影響。為優(yōu)化RCC生產(chǎn)，往往要求部分砂在處理2～3遍后存儲至棚屋內(nèi)，以保持濕度一致。

合同要求RCC應(yīng)在日平均溫度15.5℃以下澆筑，即使在冬季月份，龐塞的平均氣溫也超過24℃。為滿足施工要求，所有用于RCC生產(chǎn)的粗骨料均應(yīng)預(yù)冷至10℃以下，同時在混凝土用水中加入冰塊，以降低RCC的溫度。

由于降雨頻繁，細骨料的濕度相對較高，且在經(jīng)過冷卻廊道之后，粗骨料也是潮濕的，冷卻RCC過程中應(yīng)限制各批次添加冰的用量。因此，保持細骨料的干燥狀態(tài)對于獲得較低的澆筑溫度非常重要。

3.5熟練工人缺乏

RCC壩施工是一個連續(xù)的過程，必須保持不間斷施工，這就需要大量熟練工人。在施工高峰期，波圖格斯壩的施工人員超過800人。

龐塞及其附近地區(qū)無現(xiàn)成的熟練施工人員，因此在當(dāng)?shù)卣衅赣蠷CC施工經(jīng)驗的人員是不可能的，且因費用有限，從島外招聘有經(jīng)驗的人員也不現(xiàn)實。因此，大部分施工人員必須在當(dāng)?shù)亟邮芘嘤?xùn)。

RCC施工對時間要求非常嚴格，為確保工程順利實施，要求各工作組的各項工作必須協(xié)調(diào)一致，從RCC生產(chǎn)和澆筑間隙時間，到層間連續(xù)澆筑允許的最大間隙期，超過最大層間間隙期需對層面進行特殊處理。此外，還有一些特殊工作需要不同的工作組來完成，主要包括：①混凝土缺陷處理；②鉆孔和灌漿；③RCC生產(chǎn)、運輸、澆筑和碾壓；④RCC層面清理、準備及濕度控制；⑤模板提升和準備；⑥外表面富膠凝RCC碾壓；⑦接觸縫切割；⑧監(jiān)測儀器安裝及監(jiān)測；⑨設(shè)備檢查、測試及維護。在這些工作環(huán)節(jié)中，任何一項工作執(zhí)行不力或延遲都可能導(dǎo)致停工。

要確保大量的勞動力適應(yīng)連續(xù)的輪班工作確實不易，通常對輪班工作要求很高。由于RCC澆筑主要集中在冬季的6個月內(nèi)，所以夏季月份不得不辭退大部分勞動力，在下一個澆筑高峰期來臨時，雖然試圖重新雇傭同一批人員，但有相當(dāng)比例的工人不愿返回，造成大量熟練勞動力流失，而新聘人員又需要重新培訓(xùn)。

3.6工程安全風(fēng)險大

對于USACE和德拉格多斯集團美國公司而言，安全問題至關(guān)重要。項目中運用了大量的安全作業(yè)程序，各項施工中，一直有專門的安全員。

RCC施工要求設(shè)備和人員高效且保持協(xié)調(diào)一致，以免引起嚴重的安全風(fēng)險。大壩施工采用的傳送系統(tǒng)隨著壩體高度增加而升高，工人作業(yè)面高程也不斷增加，安全風(fēng)險增大。USACE和德拉格多斯集團美國公司對該項目的安全要求和預(yù)期明顯高于同區(qū)域的其他施工項目，因此安全工作更具挑戰(zhàn)性。盡管在項目施工期間發(fā)生過小事故，但并未造成致命或其他嚴重的安全事故發(fā)生。

3.7質(zhì)量控制要求高

整個大壩的安全與施工質(zhì)量密切相關(guān)。波圖格斯壩采用最高質(zhì)量標準建造。德拉格多斯集團美國公司負責(zé)質(zhì)量控制(QC)，USACE負責(zé)品質(zhì)保證(QA)。在施工高峰期，有超過30名QC人員和20名QA人員在現(xiàn)場工作。

在施工過程中，收集了大量信息并進行了分析，以下是質(zhì)量檢查的部分內(nèi)容。

(1) 提交程序。所有工作均全部通過提交程序進行存檔。為該項目準備的提交文件超過4 500個。

(2) 施工偏差。嚴格控制施工偏差，例如溢洪道的溢流堰、泄槽和挑流鼻坎尺寸偏差須在 3.2 mm以內(nèi)。

(3) 測試頻次。在大壩施工期間，Vebe稠度、RCC澆筑溫度、RCC密度、抗壓強度、骨料級配等指標只是大量測試與收集的質(zhì)量數(shù)據(jù)中的一小部分。其中許多測試的頻次很高，例如該項目有超過2 000車次的常態(tài)混凝土測試了坍落度、含氣量、溫度和容重等指標。

按照德拉格多斯集團美國公司在RCC壩方面的經(jīng)驗，大壩施工采用USACE的3步QC和QA程序。首先，在施工前召開正式的計劃會，明確施工要求和工作計劃；其次，施工和質(zhì)量小組對實施計劃(包括安全、質(zhì)量和環(huán)境要求)全部進行復(fù)核和規(guī)劃，并獲得QA小組批準；最后，在任一單項工程開始前，監(jiān)理與施工人員一起再次復(fù)核所有安全、質(zhì)量和施工要求，并在實施過程中持續(xù)監(jiān)督和修正，以確保滿足要求。

在RCC澆筑開始前，該公司通過RCC試驗區(qū)培訓(xùn)現(xiàn)場施工人員，最終選擇最合適的澆筑設(shè)備和方法。在RCC澆筑高峰期臨近時，公司會通過播放前1期培訓(xùn)視頻課程，為新員工培訓(xùn)提供幫助。

4結(jié)語

波圖格斯壩是美國建設(shè)的首座拱形RCC重力壩，也是波多黎各的第1座RCC壩。該項目是波圖格斯河和布卡那河防洪工程的最后1期工程，可確保龐塞市免遭洪水威脅。2008年，德拉格多斯集團美國公司獲得該項目的施工合同，工程于2013年12月完工， 2014年2月舉行了工程竣工儀式。由于項目所在地區(qū)存在材料運輸不便、特殊設(shè)備零部件不易獲得、熟練工人缺乏等難題，項目實施期間需應(yīng)對并克服各種挑戰(zhàn)。最終通過參建各方的共同努力，該項目得以順利完工。

波圖格斯大壩項目將作為USACE下一代大壩工程師的培訓(xùn)基地。通過該項目， USACE不僅培訓(xùn)了許多自己的工程師，還將RCC知識傳授給了當(dāng)?shù)氐墓こ處焾F體。

曹艷輝孫言譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-02-05

文章編號：1006-0081(2016)06-0017-04

中圖法分類號：TV642.2

文獻標志碼：A

(譯者簡介：曹艷輝，男，長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，高級工程師。)