[日本] T. 坂本 等

?

日本大壩改造以增強防洪能力案例研究

[日本] T. 坂本 等

二戰(zhàn)后，日本修建了大量大壩，主要用于防洪、發(fā)電、灌溉和城市供水等，為日本一段時期內(nèi)的經(jīng)濟高速增長提供了基礎支持。但其中很多大壩服役期已超過50 a。由于大壩相關設施已劣化，其承擔的功能也發(fā)生了相應改變。加之缺乏合適壩址，移民、生態(tài)和環(huán)境等問題，使新建大壩十分困難。為了擴展日本現(xiàn)有大壩的功能，實施了許多大壩改造利用項目。闡述了大壩改造工程存在的相關的問題，列舉了兩個以增強防洪能力為目的的改造工程實例，即鶴田大壩和神奈川大壩，這是日本改造規(guī)模最大的兩座大壩。

大壩；大壩改造；防洪能力；鶴田大壩；神奈川大壩；日本

本文列舉了兩個工程實例來介紹日本在提高現(xiàn)有大壩抗洪能力方面做出的努力。鶴田(Tsuruda)大壩在水深65 m處增加3個排水管道和2個壓力管道。神奈川(Kanogawa)大壩修建了流量為1 000 m3/s的隧道溢洪道。在下文中詳細描述了這兩座工程的主要特性。

1 鶴田大壩改造工程

鶴田大壩為混凝土重力壩，高117.5 m，建于1966年。大壩位于流經(jīng)日本九州南部的川內(nèi)川(Sendaigawa)水系中游，九州位于日本四大島最南端。鶴田大壩主要用于防洪和發(fā)電(圖1)。

圖1 鶴田大壩的位置

鶴田大壩的主要特征如下：

位置 日本鹿兒島市薩摩町郡

河流 川內(nèi)川主河道干流

所有者 日本國土交通部

類型 混凝土重力壩

大壩高度/m 117.5

壩頂長/m 450

工程方量/106m31.119

流域面積/km2805

水庫面積/hm2361

總庫容/106m3123

有效庫容/106m377.5(改造后98)

功能 防洪，發(fā)電(120 MW)

原工程動工/完工 1959年/1965年

改造工程動工/完工 2007年/2018年

通過在壩基上修建大口徑輸水管道和渠道來增加大壩的防洪能力。在保證鶴田大壩防洪和發(fā)電能力的同時，進行該項改造工程，需要在水下65 m進行一系列復雜施工。以下介紹施工過程以及各項技術難題的解決方案。

2006年7月暴雨期間，川內(nèi)川流域平均降雨量為每周295 mm，流域內(nèi)降雨量最大之處的雨量達到1 165 mm。暴雨造成大壩上下游嚴重的洪澇災害。所以，決定將鶴田大壩進行改造以增強其防洪能力。改造工程于2007年開工，計劃于2018年完工，整個工程花費711億日元。管道的安裝工程等主體工程由鹿島(Kajima)建設公司和西松(Nishimatsu)建設公司聯(lián)合成立的公司承擔。設計和施工計劃由日本光榮工營株式會社(Nippon Koei Co.)承擔。圍堰、閘門工程等由日立造船集團、IHI公司、豐國工業(yè)公司株式會社(Hokoku Kogyo Co.)承擔。

2 安裝管道增加防洪庫容

2.1 管道安裝

目前，鶴田大壩最低的管道安裝高程為117.96 m，最低水位為130 m，防洪庫容為75×106m3。改造工程在高程95 m處增加了1號和2號管道，在107.5 m處增加了3號管道，使水庫的最低水位為115.6 m，發(fā)電興利庫容和死庫容分別變?yōu)?.5×106m3和20.5×106m3，防洪庫容增加為98×106m3(見圖2)。

圖2 改造工程示意

2.2 施工步驟

需要對現(xiàn)有的消能工程作進一步拓展來滿足3個管道的需要。由于最低水位的下降，需要降低壓力管道入口進水口位置，在104.5 m處安裝2處進水管。工程的規(guī)格尺寸見表2，施工步驟見圖3，整個改造工程見圖4。

圖3 大壩的改造步驟

圖4 改造工程概覽

3 管道安裝技術難題

3.1 鉆孔時保證孔洞的安全

在日本所有大壩施工工程中，該工程的管道和壓力管道具有以下4種特征： ①壩體鉆孔的設計深度最深(65 m)；②壩體5個鉆孔的工程規(guī)模最大；③壩體鉆孔穿壩體長度最大(60 m)；④壩體孔徑最大(6.4 m)。大壩鉆孔的縱剖面見圖5。

圖5 大壩鉆孔的縱剖面

如表1所示，3條管道的直徑為4.8 m，鉆孔斷面尺寸為6 m×6 m，與大壩上游側(cè)相連接的喇叭口斷面尺寸為高9.5 m，寬10 m。

表1 附屬排水管道和壓力管道的規(guī)格

電站的壓力管道直徑比排水管道稍大，在混凝土墻體中鉆寬15 m的孔是有必要的。而且，鉆孔工作可能影響大壩的穩(wěn)定性和開孔處的應力分布，故采用三維有限元對應力進行分析。選擇的孔洞斷面形狀選為矩形，產(chǎn)生的最大應力小于圓形斷面。在大壩壩體鉆有一個試驗性孔洞，直徑2.5 m，長5 m，對孔洞周圍的應力進行觀測，以確保有限元分析的精度。

3.2 上游圍堰混凝土底座施工

3.2.1 利用GPS定位鉆孔位置

為了鋪設1號和2號管道，在深度超過65 m處，建上游圍堰的混凝土基礎。為了保證工程的可靠性，減少分流工程，采用全鉆頭鉆機自動化操作，這就意味著安裝在駁船上的鉆機需要通過GPS確定位置(圖6)。

圖6 上游側(cè)大壩鉆孔位置

3.2.2 安裝大型模板

在每個鉆孔中插入大量鋼管樁，采用帶式起重機將大型模板降至鋼管樁處，以到達特定的插入位置。通過GPS和飽和潛水共同確定位置。飽和潛水是一種特殊的潛水方法，整個工作過程中，潛水員在一個密閉的空間里，其中的氣壓等于工作氣壓，當工作完成后，氣壓恢復為大氣壓。

3.2.3 混凝土入倉

在壩頂上安裝混凝土泵，將混凝土泵送至大型模板里，以保證在用GPS定位入倉位置的同時，防止混凝土分離。

3.3 上游圍堰深水下施工

在大壩鉆孔時，水庫一側(cè)的圍堰施工是一項大型水下工程。大壩鉆孔工程預期需要3 a。期間，在洪水期水庫最高水位可能達到160 m。因為1號和2號管道的安裝高度是95 m，因此水下作業(yè)的水深為65 m。集水箱必須能夠承受相應的水壓力和水深。經(jīng)過研究，圍堰采用鋼板門結(jié)構(gòu)，可以簡化在大壩上游側(cè)的安裝程序工序。

這需要潛水員在水下65 m處工作，考慮到工作效率和人員安全，選擇了飽和潛水方法。為此，在水庫中固定的駁船上，裝配了一個具有恒定高壓環(huán)境的密閉箱。潛水員需要在其中生活大概一個月，并進行水下作業(yè)。他們通過一個叫做SDC的通道往返于密閉箱和岸上(圖7)。每天工作6 h，飽和潛水工作共涉及的人員達2 517人。

圖7 飽和潛水概念圖

3.4 消能工程設計

在消能工程的擴展和現(xiàn)有工程的完善中，考慮到了對左岸電站和右岸開挖邊坡的影響。為了確定最合適的形狀，進行了水力模型試驗以確認洪水期的水流流場。

3.4.1 擴建消能工程

工程設施的設計洪水過流能力為1 350 m3/s,需要開挖右岸邊坡。為了減少開挖量，安裝了兩級消能系統(tǒng)。第一級消能設施設置在高于河床15 m處的臺地上，第二級消能設施安裝在下游河道上。

3.4.2 改善現(xiàn)有的消能工程

為了增強壩體的穩(wěn)定性，在下游增加混凝土對現(xiàn)有消能工程進行加固。在設計洪水位時，通過完善下游現(xiàn)有的消能工程，對于流量5 400 m3/s的洪水，可以通過現(xiàn)有壩頂管道進行消能。

4 施工難題

根據(jù)以往大壩鉆孔施工經(jīng)驗，對施工中遇到的難題處理如下。

4.1 鉆孔過程中的振動風險

鉆孔時的振動可能會破壞孔洞周圍的混凝土或產(chǎn)生裂紋。因此，采用240 kW 的無檔位的斷面鉆。在田瀨(Tase)大壩鉆孔中測量的振動小于2 cm/s，排水管道閘室內(nèi)安裝了振動測尺，在鉆孔過程中對振動進行不間斷測量。 當振動超過1 cm/s，鉆頭會自動關閉。采用這種方案，鉆孔沒有對大壩壩體產(chǎn)生影響。

4.2 防止混凝土墜落造成的破壞

從貫通部位的上游側(cè)，采用鉆孔取芯法切去四周，斷面大小為80 cm。采用線鋸切割法切割成16塊，高2.5 m，寬2.5 m。切割的混凝土由壩頂履帶式起重機運走。用這種方法可防止振動和混凝土墜落。

4.3 不規(guī)則鉆孔斷面引起的應力集中

在下游處，采用激光精確標記鉆孔斷面后，再進行鉆孔工作。在采用激光對斷面擴大處進行了精確標記的同時，使用小鉆頭以確保高精度，防止出現(xiàn)不規(guī)則斷面。

4.4 飽和潛水

一般來說，在飽和潛水工作中，一個3人小組在密室內(nèi)，在7個大氣壓的壓力下進行工作。當小組在密室內(nèi)工作和生活了24 d后，密室壓力降低，他們在大氣壓力下生活4 d。如果密室發(fā)生火災將無法逃脫。所以，他們所居住的密室內(nèi)甚至沒有一臺電視機，以消除火災發(fā)生的可能性。其中1位工人身體略有不適，經(jīng)過減壓的4 d，大氣壓力會恢復，該工人得到了救治。為確保人員安全，采取了一些措施，包括與另一密室連接，作為在緊急情況下的撤退點。

5 浮動圍堰法

解決了1號和2號排水管道的深水作業(yè)問題之后，采用了一種新方法建設3號管道圍堰。在圍堰門中裝有氣密性密室。當密室內(nèi)充氣時，圍堰可以浮起來。重要的是，浮力和重力是平衡的，在圍堰門中裝有水并以適當?shù)捻樞蚺懦鰰r，圍堰門會在水中直立。之后把圍堰門安裝在大壩上游側(cè)。

當使用浮動型圍堰時，由于浮力作用，在壩體安裝固定裝置以防止其上升到水面上。傳統(tǒng)圍堰是在壩體底部建立臺座并將圍堰固定在上面。圖8比較了傳統(tǒng)和浮動式圍堰。浮動式圍堰具有如下特征。

圖8 傳統(tǒng)和浮動型圍堰比較

(1) 施工高效。使用浮動圍堰可以避免底座和錨施工等水下工作。當在一座大壩鉆多個孔時，在不卸下圍堰門時可以將圍堰門從壩體上分開，移動，并在下一個工作地點安裝。

(2) 改進抗?jié)B性能。在地面或水庫中漂浮的駁船上組裝圍堰和門，可以確認密封橡膠的接觸度，從而減少門體的泄漏，改善抗?jié)B性能。

(3) 減少對環(huán)境的影響。不需要基座混凝土。因此也不必為基座安裝進行水庫清淤和基礎開挖，減少了對環(huán)境的影響。

這種方法更可以確保施工安全，并減少施工時間和成本。該方法可用于未來許多類似改造工程，現(xiàn)已申請了專利。

6 項目進度

該方案的設計始于2007年，上游圍堰工作在2012年啟動，2014年完成。壩體的鉆孔工作也于2012年啟動，2014年完成。消能工程始于2011年，將在2016年完成。整個項目預計將在2018年完成。

7 神奈川大壩改造工程

為了改變水庫運行方式并提高其防洪能力，對建于57 a前的神奈川大壩進行了改造(參見圖9)。該壩擁有全日本最大的泄洪隧洞，深23.3 m，泄洪量為1 000 m3/s，建在76.3 m處。將該方案中的進水系統(tǒng)改為選擇性系統(tǒng)，并配有通風和空氣流通設施以改善水質(zhì)。大壩壩頂溢流口破損嚴重，將重建以改善其功能。

肱川(Hijikawa)河上的神奈川大壩建于1959年，主要用于防洪和發(fā)電。肱川河流經(jīng)日本4個主要島嶼之一的四國島西北部(見圖9、10)。大壩自建成完工以來，已采取了有效防洪措施，防控了多次大洪水，但洪水有時也會對壩下游造成重大災害。

圖9 神奈川大壩地理位置

圖10 神奈川大壩結(jié)構(gòu)示意

神奈川大壩的主要特征如下：

位置 日本愛媛(Ohzu)縣町大洲市(Ohzu City)

河流 肱川河

所有者 日本國土交通部

類型 混凝土重力壩

大壩高度/m 61

壩頂長/m 167.9

工程方量/m3161 000

流域面積/km2455.6

水庫面積/hm2232

總庫容/m348 200 000

有效庫容/m32 980萬(改造后3 620萬)

目的 防洪，發(fā)電(10 400 kW，121 MWh/a)

原工程動工/完工 1953年/1959年

改造工程動工/完工 2007年/2019年

對2004年肱川水系防洪規(guī)劃進行了修訂。這就需在肱川河上修建山鳥坂(Yamatosaka)大壩，并提高神奈川大壩的防洪能力。該壩為高103 m的混凝土重力壩，總庫容為24.9×106m3。正在進行替代道路的施工，為主壩體的相關工作做準備。

工程于2006年開始實地勘察，并在2007年開始施工，預計將于2018年完成。工程總投資為487億日元。隧洞溢洪道由清水-狹間安騰(Shimizu-Hazama Ando)合資公司承建，選擇性進水系統(tǒng)由狹間-安藤(Hazama-Ando)公司承建。這兩項工作由日本光榮工營株式會社進行設計。

8 水庫運行計劃調(diào)整

為了增強大壩的防洪能力，改善河道環(huán)境，調(diào)整了水庫運行計劃。有人擔心采用28 m3/s的過流量，每天大約持續(xù)6 h，發(fā)電峰值功率為100.4 MW，將改變大壩下游河段的流態(tài)。

因此，通過泄水來維持水流的環(huán)境功能，發(fā)電變成附屬品。目前，死庫容可以保證水電站要求的水位，也被設計為環(huán)境容量。溢洪道設計為隧洞式，避免壩體重建，從而保證其穩(wěn)定性。鑒于地形特點，隧洞溢洪道計劃建在水庫右岸(見圖11，12)。

圖11 隧洞溢洪道的布置和斷面(單位:mm)

圖12 完工后的隧洞溢洪道

9 隧洞溢洪道

隧洞為混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑11.5 m。但因為在下游端90 m范圍內(nèi)，隧洞上方巖石層比較薄，這部分將通過鋼板進行覆蓋。為了連接溢洪道下游出口和消能工程，溢洪道下游橫斷面較大，高19 m，寬19 m，最大開挖面積320 m2。

該隧洞將沿水庫右岸彎曲向下，洞中水流速度為10～12.5 m/s。為了穩(wěn)定隧洞內(nèi)的水流流態(tài)，隧洞的曲率半徑為105 m，約為隧洞直徑的10倍。在底部進水口的高程為53 m，超高水位為89 m，底部進水口深度為36 m。正常水位為86 m，相應的進水口深度為33 m。

安裝一個由鋼管鋼板樁制成的圍堰。與此同時，為了建造引水渠，在與隧洞連接處建造一個豎井。

隧洞溢洪道工程始建于2012年，計劃于2017年完成。

10 選擇性進水系統(tǒng)

神奈川水壩通過進水塔取水，用來發(fā)電或者向下游泄水，但這種進水塔沒有配備選擇性進水系統(tǒng)，將導致洪水調(diào)節(jié)后，形成渾濁物。修訂后的水庫運行計劃將使用72 m以下的死庫容。由于水庫結(jié)構(gòu)特征，進水塔不能吸入這個高度的水體。因此，決定安裝一個可使用死庫容的連續(xù)虹吸型選擇性進水系統(tǒng)。運用虹吸原理，安裝多個虹吸管，采用壓縮空氣打開和關閉虹吸管。該方法首次用于2011年完工的漆沼大壩上，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并已經(jīng)在日本的許多大壩上運用。

進水系統(tǒng)可以在66.5～86 m之間設置14個進口，工程始于2013年，計劃在2016年完成。

11 抑制藍藻爆發(fā)的曝氣系統(tǒng)

在神奈川大壩上游，約有常住人口30萬，從事農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)，這個區(qū)域的排水流入水庫，逐漸使水質(zhì)惡化。最近，在水庫中，藍綠藻大規(guī)模爆發(fā)，因此決定安裝曝氣設備，在水庫底層進行水循環(huán)，暫時破壞溫躍層以降低水體表面溫度，形成不利于藻類生長的環(huán)境。

在5個地方安裝了空氣循環(huán)設施以覆蓋整個水庫，在20～30 m之間形成曝氣層，將年最高葉綠素a濃度降低到25 μg/L。在空氣循環(huán)設施運行時，水庫的水不斷混合以促使水體溫度均勻。

曝氣設施將在除了洪水期運行之外，5～10月水溫高時也運行。其作用包括減少藻類的形成以降低葉綠素a的濃度，現(xiàn)在正研究更有效的曝氣設施。在大壩上游60 m和115 m處，深層曝氣設施和高濃度溶氧供水設施已經(jīng)安裝完畢。

12 結(jié) 語

大壩改造利用的方法有很多，如改變壩體條件，增加隧洞溢洪道和壩頂泄洪道，擴建閘門以及改變運行方案等。希望該文所介紹的方法可給世界各地大型改造利用項目工程提供參考。

白 靜 譯

(編輯：李 慧)

2016-07-20

1006-0081(2016)10-0014-06

TV698.2

A

設計與施工