美国加利福尼亚卡拉维拉斯大坝重建工程.pdf

2 0 1 5年 2月 水 利水 电快报 E WR HI 第 3 6卷第 2期 文章编号 ： 1 0 0 6 - 0 0 8 1 ( 2 0 1 5 ) 0 2 - 0 0 1 8 -O 4 美国加利福尼亚卡拉维拉斯大坝重建工程 美国 M 弗瑞斯特 等 摘要 ： 为了恢复 美国加利福尼亚卡拉 维拉斯 大坝 水库 的蓄水 能力并满足抗 震设计要 求， 将在 原坝下 游 重建一座新坝。 目前该工程正在 实施 中， 计 划于 2 0 1 8年 年底 完工。讨 论 了坝 址地质 、 地震条件 ， 以及为 满 足高抗震标准所开展 的大坝设计。 关键词 ： 大坝 ； 坝设计 ； 抗震设计 中图法分类号 ： T V 6 3 1 7 1 2 文献标志码 ： A 卡拉维拉斯大坝重建工程位于加利福尼亚州米 尔皮塔斯东北部 ， 紧邻 原卡拉维拉斯 大坝 的下游。 该大坝水库是旧金山公共事业局水系统的重要组成 部分 ， 自 1 9 2 5年 建成 以来 ， 拦 蓄 了阿拉米达 ( A l a m e d a ) 郡境 内大约 1 2 0 X 1 0 。 m 的径流量 ， 其 蓄水量 占当地公共事业用水的 4 0 。 2 0 0 1 年 l 2月 ， 考虑 到大坝在地震 情况下 的稳 定性和安全 ， 经加利福尼亚大坝安全局授权 ， 旧金山 公共事业局将水库的正常最高蓄水位 2 3 0 m降低到 了2 1 5 m。这样 ， 蓄水量只是最大库容 的3 9 ， 结果 造成了库容减少和水质降低。 为了恢复库容 ， 计划在原坝下游重建大坝和附 属建筑物 ， 重建大坝应能抵御设计地震 ， 最大可信地 震矩震级为 7 2 5 ， 发震 断层为卡拉维拉斯断层 ， 距 坝址 4 5 7 n l 。最 大可信地震 的地 面加速度 峰值为 1 1 g 。设计标准为： 发生地震时大坝不得开裂 、 坝 顶沉降不能危害水上坝体 、 关键部位 ( 如反滤和排 水) 不能过度变形 ， 同时应保证引水建筑物 和溢洪 道不受损且能正常运行 。 1 原坝现状 大坝高 6 4 m， 坝顶长 3 6 6 r n ， 始建于 1 9 1 3年 ， 采 用水力充填法施工， 直到 1 9 1 8年大坝填筑到海拔 2 3 3 1 1 3 。1 9 1 8年 3月2 4日， 上游坝坡发生大型坍塌 ， 滑体 撞倒进水塔 ， 并滑动到上游距坝轴线 1 8 3 n l 处 。 1 9 2 3年大坝建设复工 ， 并于 1 9 2 5年完工 ， 坝顶 高程 2 3 7 i n 。滑坡体很少被挖走 ， 在上游坝壳遗 留 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 1 2 3 1 8 了深厚的滑体物质 ； 复工后填筑的坝壳堆石料较软 ， 且工法由原来的水力充填改为碾压粘土。 2 0世纪 7 0年代初对大 坝进行 了稳定性再 评 估 ， 1 9 7 4年对上 、 下游坝壳采 用 当地石 料进行 了加 固。不过根据对大坝施工方法以及 临近卡拉维拉斯 断层所做 的推断结果表 明， 当卡拉维拉斯 断层发生 大地震时， 地面产生的强烈运动会影响大坝的安全。 2 地质调查 2 1 区域地质和卡拉维拉斯断层 卡拉维拉斯大坝水库位于东旧金山湾地质构造 活动带内， 该构造带 内分布有几条活断层 ， 包括卡拉 维拉斯断层、 海沃特断层 、 格林维尔断层和康科德断 层。水库淹没的卡拉维拉斯峡谷的部分成因是卡拉 维拉斯 断层的构造活动。 卡拉维拉斯断层位于坝址 以西 4 5 7 n l 处 ， 它是 造成坝址地面强烈震动 的最主要震源。沿长达 1 2 8 k m的卡拉维拉斯断层活动的地貌特征明显。过去 2 0 0 a中的地震记录显示 ， 该 断层发生过很多中 、 小 地震。坝址 附近还分布着次级断层 ， 包括石料场和 溢洪道非活动性断层和峡谷活动断层。 2 2坝址地质条件 对重建坝址 的地质调查结果表明， 由于坝址临 近卡拉维拉斯断层 ， 坝基岩体反复遭受过震动、 剪切 和其他构造应力的影 响， 地质条件非常复杂。左坝 美国 M 弗瑞斯特 等美国加利福尼亚卡拉维拉斯大坝重建工程 肩包括溢洪道开挖穿越 的了望 山大部分 ， 特姆朗砂 岩风化深厚 ， 裂隙发育 。3 0 r n深度范围内的特姆朗 砂岩渗透性强 ， 钻孔压水试验 吕荣值超过 5 0 0 ( 1吕 荣约等于 1 0 I T l 。 s ) 。3 0 m深度 以下为微新岩体 ， 裂隙中等发育 ， 呈块状 ， 渗透性较低 ， 通常不超过 2 0 吕荣。 2 0 1 2年和 2 0 1 3年开挖坝基 时 ， 在左 坝肩发 现 了2个大型古滑坡体 ， 导致左岸坡的设计变更。 右岸坝段和河床坝段基岩属于弗兰西斯复合构 造 ， 上覆崩积、 滑坡堆积和冲积层等。这种复合建造 岩体普遍受到构造剪应力的作用 ， 为深灰到黑色 的 粘土质极软一软页岩 ， 富含构造包裹物 ， 如杂砂岩 、 蛇纹岩 、 硅质片岩 、 绿岩( 变玄武岩 ) 和蓝片岩 ( 蓝 闪 石片岩和角闪片岩 ) 。岩块从砾石般大小到直径超 过 3 0 5 n q ， 绿岩和蓝片岩是最坚硬 的岩石 ， 在右坝 肩下游构造包裹物直径可达几 十英尺 ； 杂砂岩属 中 硬岩一硬岩 ， 通常以小砾石和漂石 的形式出现在页 岩体 中； 硅质片岩属软岩一硬岩 ， 而蛇纹岩是典型极 软岩。 左岸坝段特姆朗砂岩和河床坝段弗兰西斯复合 构造呈不整合接触 ， 不整合面倾 向西北方 向， 倾角约 2 0。25。 3 重建设计 根据坝基地质条件 和地震条件 ， 重建设计需要 重点考虑坝型选择、 左坝肩渗控、 地面加速度 1 1 g 条件下大坝横 断面 、 左 坝肩高 1 2 2 r f l 重力式 挡墙 及原坝残留部分的大变形对进水 口的潜在影响。 3 1 坝型 选择 在概念设计期 间， 对原坝 的补 救方案 ( 部分 开 挖和清除 、 扶壁支撑 、 石柱加 固等 ) 和重建坝型进行 了深入讨论筛选。首先排除 了石柱补救方案 ， 因为 与原坝 内条件多变相关 的影响不清楚 ， 而且是 否能 通过技术实现也不确定。由于坝基岩石条件 多变， 下游重建采用碾压混凝土坝的方案也被放弃。其他 坝型包括土坝 、 土石坝 、 混凝土面板堆石坝和沥青心 墙堆石坝 ， 也按照地震 可靠性和运行情况等多项标 准做了详细评估。基 于筑坝材料的可靠性 、 高地震 烈度区建坝先例和费用等 ， 旧金 山公共事业局 决定 在原坝下游新建土石坝。 3 2 左岸截渗方式 为了处理左坝肩强渗透性 和强风化砂岩 ( 风化 深度达 3 0 m) ， 考虑了 4种开挖和渗控措施 ， 包括多 排帷幕灌浆 、 咬合桩地连墙 、 抽槽 回填筑坝材料以及 抽槽 回填混凝土。 作为坝型论证的一部分 ， 按照多项标准对渗控 措施进行 了研究 ， 包括地震工况。抽槽 回填筑坝材 料在长期渗流工况条件下是最可靠 的渗控措施 ， 可 极大限度地 降低 心槽 中坝体材料受裂缝影 响的程 度 ， 一旦产生裂缝 ， 反滤排水体能够控制渗漏并防止 管涌的发生。相比之下 ， 多排帷幕灌浆 、 咬合桩防渗 墙 和抽槽 回填混凝土均设置在中强风化 、 裂隙发育 的砂岩中， 地震期间能有效防止裂缝 的影响。另外 ， 抽槽 回填筑坝材料对成本和工期的不确定性和潜在 的负面影响相对较小 ， 造价几乎是最低 的， 因此 ， 左 坝肩特姆朗砂岩的渗控设计最终采用该方案。 3 3大坝 断面 设计 作为详细设计 的一部分 ， 新建坝的结构基于可 用 的建筑材料 、 稳定性和地震变形分析结果来确定 。 如 图 1所示 ， 新建坝坝高 6 7 n l ， 坝顶高程 2 3 5 m。坝 顶宽 2 4 5 m。坝顶宽度考虑 了将来心墙加高 的需 要 ， 将来正常供水水位 2 7 1 1 T I ， 相应库容要达到 4 7 6 1 0 11 1 。 8 O 0 毒 0 0 “ 6 0 0 5 0 0 8 奕 嚣 础 和 坝 肩 8 耋 现 有 溢 洪 道 填 筑 体 8 李 塞 攥 础 和 坝 肩 8 着 磊 煎 上 下 潮 下 游滤体 粗滤体 滤体 堆石 图 1 卡拉 维拉斯大坝重建设计横断面 大坝粘土心墙 ( 1区) 由上游坝壳堆石 ( 5区) 和 下游坝壳填土( 4区) 支承， 心墙和下游坝壳 之问为 厚 4 6 1 1 1 的滤管( 2区) 和厚 3 I n的排水体 ， 心墙与 上游坝壳之 间为厚 2 4 m的上游滤体 ( 2 A区) 和厚 2 4 11 1 的粗滤体 ( 5 A区 ) 。下游坝壳下敷设水平排 水系统 ， 两岸坝段为滤体 ( 2区) 排水 ( 3区) 滤体 ( 2区) ， 河床坝段为滤体 ( 2区) 排水 ( 3区 ) 堆石 ( 5区) 滤体( 2 A区) 。为防止水浪侵蚀 ， 对上游坝 坡采取堆石 ( 6区) 防护。 滤管和排水宽度应满足计算地震作用下的下游 坝坡水平位移 ， 且应考虑今后大坝加高培厚 。另外 ， 靠近坝肩 的上 游滤体 ( 2 A区) 上部 1 2 m从 2 4 m 加宽到 4 4 m， 在地震时既可 以阻止坝肩 心墙在坝 2 0 1 5年2月 水利 水 电快 报 E WR H I 第 3 6卷第 2期 基附近裂缝 向上发展 ， 又可以防止心墙与坝基脱位。 4 稳定分析和地震 变形分 析 对重建坝稳定性和地震变形分析 ， 是假定原坝 及其与重建坝之 间不存在任何填充物， 筑坝材料 的 工程特性依据现场勘察取样进行室 内试验确定 ， 坝 基岩石的工程特性依据实地观察结合室内试验结果 确定 。特姆朗砂岩是一种海相沉积的钙质胶结长石 砂岩， 其 中夹有页岩薄层和砾岩夹层 ， 其特性采用标 准岩体工程方法确定。确定弗兰西斯复合建造的特 性需考虑“ 块基特性” ， “ 块基岩体” 是强度较高的硬 质岩块掺杂在软弱岩体基质中的一种混合岩体。确 定卡拉维拉斯坝基弗兰西斯 复合建造特性的方法 ， 是采用斯科特 ( S co t t ) 混凝 土重力坝弗 兰西斯 复合 建造抗剪强度确定方法。 稳定性分析包括对筑坝完成时间、 长期稳定渗 流、 最大可能洪水 、 水位骤降以及地震后静态稳定性 等的极限平衡分析。同时 ， 也对大坝断面进行 了分 析。 地震变形分析采用 了两种方法 ： N e w ma r k t y p e 方法 ， 采用 Q U A D 4 M给每个滑动体施加平均水 平加速度 ； 非线性有 限元法 ， 采用 F L A C计算 程 序。地震变形分析结果显示 ， 在设计地震情况下 ， 上 游坝坡面附近的水平位移达到 了 1 m， 下游 的达到 了 0 6 m， 均在设计允许 范围内。设计 地震引起 的 坝顶沉降估计小于1 2 m， 小于大坝超高 4 9 m。当 考虑原坝和两坝间淤积物时 ， 上游坝坡的变形量可 降低 5 0 。 5 地震对其他建筑物的影响 5 1 左坝 肩重 力挡墙 为避开右坝肩滑坡 ， 将重建坝 的溢洪道设在左 坝肩 ， 溢洪道开挖深度 1 2 2 m。为减少溢洪道开挖 土石方 ， 设计了重力挡墙 ， 既作为溢洪道右侧墙又作 为高 1 0 61 2 2 m的左坝肩 ， 见图 2 。 溢洪道重力挡墙极 限平衡稳定性分 析结果 显 示 ， 各种工况 ， 包括地震荷载下 的滑动及倾 覆 ， 重力 墙均是稳定的。但设计地震条件下的拟静力分析表 明， 合力作用点位于重力挡墙基座 内， 但在基座核心 点外 。该结果说 明重力挡墙有 向溢洪道倾斜 的可 能 ， 在心墙与挡墙接触部位造成墙基座与地基分离 。 尽管大坝心墙下游 面受到反滤体很好的保 护 ， 反滤 2 0 图2左坝肩重力挡墙 体与心墙的相互作用减小了心墙开裂的影响 ， 但重 力挡墙基座与地基 分离产生 的裂 隙会形成一个通 道 ， 坝体土颗粒会沿该通道流失 ， 而不会被下游反滤 体拦截。 为了控制挡墙基座与地基分离 ， 减小对大坝心 墙完整性 的潜在影 响， 优斯公司采用 以下 3种方法 研究 了重力挡墙在设计地震荷载下的动力特性。 ( 1 )利用土 一结构动力相互作用分析法评价重 力挡墙的潜在变形及其基座与岩石地基的分离。 ( 2 )在评价重力挡墙基座分离 的基础上 ， 设计 约束系统 ， 控制基座分离度 。 ( 3 )将土 一结构相互作用与约束系统结合 ， 评 估所设计的约束系统是否可达到预期效果。 选择最大断面进行 了土 一结构相互作用分析 ， 动力分析采用计算机程序 F L A C 5 0 版。在不考虑 约束系统情况下 ， 土 一结构相互作用分析结果显示 ， 墙踵与岩基的最大分离宽度为 0 0 6 0 1 2 m， 其值 取决于水平输入地震力的极性。 根据上述初步动力分析 ， 重力墙踵张开度限制 在 2 5 4 cm 以内所需 的力矩值 为 4 7 5 7 k Nm， 该 力矩用来确定张拉单元的直径和强度。锚杆设计考 虑了钢筋屈服强度 、 灌浆与岩石粘结失效 ( 2 8 d砂 浆强度 2 7 6 MP a ) 、 钢筋与灌浆粘结失效和岩体失 稳等。约束 系统 由 5排锚杆组 成 ， 锚杆 中心间距 1 5 i n ， 长 6 m， 使用环氧涂层 7 5螺纹钢 ， 采取水泥 灌浆方法将锚杆 固定到直径为 1 5 2 cm的孑 L 中。第 1 、 2排 ( 最 靠 近 溢 洪 道 )采 用 1 4号 钢 筋 ( 直 径 4 4 cm) ， 第 3 、 4 、 5 排 采 用 1 8 号 钢 筋 ( 直 径 5 7 C H I ) 。 设置约束系统 旨在控制重力墙与地基之间可能 出现的分离现象 ， 防止土颗粒流失 ， 土 一结构相互作 用分析结果证明设计满足要求 ， 重力墙踵 瞬时分离 度小于 1 7 cm， 永久分离度 0 7 cm。这些分离度在 可接受范围内， 当最大可信地震发生时 ， 重力墙能保 持大坝的完整性 。考虑到重力墙基座和地基之间存 在残余分离 ， 设置了止水系统 ， 防止土颗粒沿墙与地 美国 M 弗瑞斯特 等美国加利福尼亚卡拉维拉斯大坝重建工程 基分离裂缝流失 ， 止水系统沿重力 挡墙地基砂岩 中 开挖的脚槽布置。 5 2原坝地震变形及其对取水 口的影响 卡拉维拉斯新坝设计要求利用 3个已有的取水 口作为水库排水设施。可以想见 ， 在强地震作用下 ， 原坝残 留坝体会发生液化 ， 导致上游部分坝体大变 形 。由于原坝体中含有可液化物质 ， 上游坝脚处滑 坡堆积物靠近取水 口和排水部位 ， 而且原坝和水库 靠近卡拉维拉斯断层 ， 当断层发生大地震时 ， 强烈的 地面运动可导致取水口和排水部位堵塞。 为评价地震对取水 口和排水设施 的影响， 曾考 虑开展定量分析 ， 但 由于以下原因而未实施 。 ( 1 )由于三维几何形状非常复杂 ， 需要对原坝 体和滑坡体物质分区 ， 分别提 出物理力学性质 ， 存在 很多的不确定性 。 ( 2 )分析的精度很低， 价值有限， 为此采取定性 分析方法评价 ， 考虑 了很多因素 ， 如取水 口和排水的 高程以及其之 间与原坝和滑坡体之 间的距离 、 1 9 1 8 年滑坡体向上游的最初滑动距 离、 原坝上游 的河谷 地貌以及原 坝是否会发生大变形 的早 期研究结果 等 。 根据定性分析， 可以得 出如下结论 ： ( 1 )位于高程 2 2 1 6 m的取水 口3不可能被堵 塞。 ( 2 )高程 2 1 3 m的取水 口2被堵塞的可能性很 小。 ( 3 )高程 2 0 2 2 5 m 的取水 口 1被堵塞 的可能 性较低。 ( 4 )高程 1 8 3 5 m的排水有可能被堵塞。 基于这些结论 ， 最 终设 计方案包 括在高程 2 1 2 m穿越原坝的引水渠设置上游倒拱 ， 在取水 口2 、 3 和引水渠之间设置小型堆石戗道 ， 堆石戗道的高程 2 1 8 2 2 2 5 m， 其作用是阻挡变形体 ， 避免堵塞取水 口 。 本文主要讨论了卡拉维拉斯大坝重建工程 的设 计方案 ， 认为需要考 虑最大可信 地震发生时大坝可 能遭遇的地面加速度 峰值 。目前该坝正在建设 中， 计划 2 0 1 8年年底完工。 ( 孟 令钦 马贵生 自耘编译 ) 美国积极推动 巴基斯坦迪阿莫巴沙水 电站项 目 美 国国际开发署( U S A I D) 承诺提供 2亿美元用 以支持 巴基斯坦迪阿莫 巴沙 ( D ia me r B a s h a ) 水 电工