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高坝大库：美国垦务局对混凝土坝的发展格雷格A.斯科特1，P.E.，M.ASCE，拉里K.纳斯1，P.E.，约翰H拉布恩1，P.E.1 美国垦务局，P.O.邮箱25007，丹佛，科罗拉多80225摘要：在过去的100年间，美国垦务局对混凝土坝的设计，分析和建设的发展和进步做出了重大的贡献。本文记录了他们所取得的部分成就。引言在庆祝美国垦务局（以下简称垦务局）百年诞辰之际，回顾这一组织自成立之日至今所取得的工程成就很有意义。其中最突出的成就要数混凝土大坝的设计，分析和建设领域的进展。在美国西部，垦务局已经设计建设了50多座重要的混凝土蓄水大坝。本文讨论了垦务局一路走来所做贡献的一些部分，内容涉及早期的圬工坝建设和现代的大坝安全检测诸多领域。早期情况垦务局设计和建设混凝土大坝的历史是从1903年9月在犹他州.奥格登市召开的一次工程师会议开始的。在这次会议上，工程师们一致认为，垦务局应建造圬工坝用以储蓄水源改造西部旱地，之后便有了位于怀俄明州中部（威斯纳，1905）北普拉特河上的探索者大坝独一无二的设计和建设。由于该坝坝址处的花岗岩峡谷太窄，垦务局决定将其设计成一个承力可靠的拱形。工程师认识到圬工坝不够坚固，并且温度是一个严重的问题，他们为此测定了石头和混凝土复合材料的弹性模量和热膨胀系数。以这些资料为基础，该坝被设计成水平面上的拱和竖直面上的梁的组合体，这可以合理分配所受荷载，从而使拱、梁在节点处达到变位一致，进而可由变位计算出相交部分的应力并确定大坝剖面。后来熟知的“拱梁分载法”就是由此演变而来的。应用于探索者大坝的建造技术，虽然多是由蒸汽机带动的，但至今有许多仍在应用。比如：建造巨大的引水隧洞引导水流，导流完成后在用作泄洪洞；利用缆索进行地基开挖和大坝布置；建设料场和混凝土拌合厂等。人们发现，只要在工程中有严格的监理和高质量的施工，建造一座无渗漏的大坝和建造一座渗漏大坝的投资相近，以上两点在垦务局后来建造的所有混凝土大坝中都得到了贯彻。大坝中所用的所有石料和材料都经过彻底的清洗，从溢洪道开挖出的花岗岩，与混凝土和细骨料共同混合制造成一种复合材料，被用于河流上下游之间的圬工结构。该坝于1906年开工到1909年竣工，是垦务局修建的第一座圬工坝，高65.2m（214英尺），库容约1.23亿m（1000000ft3）。1910年一座大坝在怀俄明州西北部的肖松尼河上竣工，这座大坝的断面和拱形设计与探索者坝相似，在当时是世界第一高坝（99.1m，325ft）。刚开始被称为肖松尼大坝，后来改作水牛比尔大坝。如图1所示，在大坝建造中，教主在木质模板中的混凝土每层厚8英尺，混凝土中掺有约占总体积25%的优质花岗岩碎石，振捣完成后经养护凝固后达到所需硬度。为确保混凝土充满所有空隙并紧挨模板，工人们对混凝土进行了铲和振捣的处理，冲洗干净的混凝土表层上的碎石可以使两层之间紧密结合。如图2所示，东部公园大坝首次采用了径向伸缩缝，该坝建于加利福尼亚州北部地区。径向伸缩缝位于大坝高6.1m（26英尺）处，在裂缝中距上游坝面6英尺处设置了一个高0.15m（6英寸）长0.61m（2英尺）的抗剪键；尽管裂缝中看不出有阻水片，在抗剪键的下游侧还是设置了一个由直径102mm（4英寸）的瓦管组成的排水系统，用以将裂缝中的水引到排水孔。这座大坝同样是完全用混凝土建造的，原有的设计主张在混凝土中掺入2030%的砂岩块石，但是砂岩块石的质量达不到预期效果，因此在建设过程中并没有使用。这座1910年建成的高42.7m（140英尺）的建筑保守地采用了重力拱坝的设计。肖松尼大坝作为世界最高坝的时间并不长，1916年，高106.4m（349英尺）（美国垦务局，1954）的阿罗洛克坝在爱达荷由垦务局建成。该坝采用重力拱坝的设计，并采用了径向伸缩缝，每条缝中都设有三个竖井，大坝收缩完成后在冷水作用下用混凝土将竖井灌浆。在每条缝中距离上游坝面5英尺处设置有一个Z形的止水铜片，紧接着止水铜片的下游侧设置了一个三角形的排水管，用以汇集渗漏水并将其输送至大坝内部的排水廊道。在混凝土中设置竖向裂缝、基础固结灌浆和接触灌浆等技术，都是在阿罗洛克坝中发展的；砂水泥在该坝的建设中得到应用，这种水泥含有等量的波特兰水泥和粉砂，经过重新研磨，90%的成分可以通过No.200筛子。尽管这样节省了水泥用量，但是用这种水泥拌制的混凝土达不到原来的强度，耐久性也由此受到影响，因此这种水泥后来在工程中便不再使用。令人吃惊的拱坝及其在20世纪20年代的发展在20世纪20年代，建材相对较贵，并且工程师们也希望减少建坝的混凝土用量。为在狭窄的河谷中建造混凝土大坝，独立的拱坝理论应运而生。在这些河谷中建造的拱坝所有高程的厚度都是独立设计的，由此便产生了薄拱坝。1925年，在俄勒冈州南部的米勒溪上，垦务局建成了高25.9,m（85英尺）的格柏薄拱坝。拱坝伸缩缝中心间距15.2m（50英尺），缝之间有1.2m（4英尺）的起重机，混凝土就是被放置在这些起重机上进行施工的。为了加速大坝的冷却和收缩，在主溢洪道的每一侧都设置了水槽，如图3所示，当大坝冷却后，混凝土就在低温下被放置在其中。建造者们为控制质量做了大量昂贵的现场试验，包括：砂石混合体的筛分试验，从结构中取出混凝土圆柱体做抗压试验，坍落度试验等。坍落度在三英尺以上的混凝土才能使用溜槽。在格柏大坝的建造中，垦务局首次应用了传感器，大坝内部被安置了电阻温度计、张力计和测点。在20世纪20年代里，垦务局在薄拱坝领域取得了很好的成就，不过他们在接下来的几十年里又继续研究了更薄更大型的结构。图3 建设中的格柏大坝胡佛大坝工程规模的飞跃毫无疑问，胡佛大坝代表着美国垦务局闻名世界的混凝土大坝设计和建造技术的最高成就（图4）。221.6m（727英尺）高的胡佛大坝在相当长的时间里是世界最高，后来仍然位居第二，而最高的混凝土坝仍在美国。在初期，胡佛大坝的设计是世界最高，而重量则是阿罗洛克坝的两倍多。因此从一开始就很明显，必须妥善解决设计和建造中的许多新问题后，大坝才能上马。经过透彻的研究，工程师们对大坝设计的几乎每一方面都做了改进，包括航道和辅助结构。这一工作刊登在一系列垦务局的综合性最高和最有价值的报告中（美国垦务局，19381948），其之庞大程度不可能通过像本文这样篇幅短小的文章来论述完全。胡佛大坝的设计工作所涉及的分析和物理模型费用昂贵。基于在奥怀希大坝所获得的数据，热力学分析和拱梁分载法逐步发展成熟，并在胡佛大坝的设计中被用于昂贵的分析工作，这些计算又用二维和三维的物理模型来检验。由于薄板中的应力与其在所加荷载下的扭曲程度是成比例的，所以用薄板做了悬臂梁和拱的二维类比试验以获得拱梁分载法中所需的应力函数。三维模型研究则显示了拱厚有所变化的坝顶处的应力集中，因此，在大坝的接触处设置了平边用以增加大坝的厚度。对于在大坝中使用的水泥和混凝土，同样做了昂贵的研究。工作人员浇注了直径0.9m（3英尺）高1.8m（6英尺）的柱状混凝土试块用以测定229mm（9英寸）大体积混凝土的相应性能。由于过快的建设速度和空前的大坝体积而产生的温度控制成了一个主要问题，这些热量如果要想靠他们自己完全消散将需要100多年，为解决这一问题人们研制了了低热混凝土并用于该坝大部分的建设中。尽管如此，庞大的混凝土体仍需要用通过冷却管道的循环冷水进行人工冷却，这些管道设置在15.2m（50英尺）见方的建设平台顶部1.5m（5英尺）高的起重设备上，而在大坝的中部下方为这一巨额的冷却系统设置有一个2.4m（8英尺）宽的露天冷却水槽。冷却水槽充满了水，伸缩缝将在大坝冷却完成后进行灌浆。由于该坝的体积，工作人员们建造了巨大的施工厂用以巨量的砂石料开采和混凝土拌合。2，485，000m（3，250，000yd3）的混凝土从1933年6月储存至1935年5月，累计23个月。图4混凝土浇注15个月之后的胡佛大坝碾压混凝土重力坝的快速建设方法碾压混凝土是通过推土机摊铺干贫混凝土然后用碾滚碾压而制成的。干贫混凝土可以降低水化热，而且应用机械化建设可以大大提高生产率。垦务局在1980年开始高强碾压混凝土的试验，最终得到一种强度和硬度都较高的并与常态混凝土具有相同性质的材料粉煤灰，他们用常态混凝土的方法将其应用于重力坝。1985年，垦务局首座也是当时世界上最大的碾压混凝土坝上斯蒂尔沃特坝开工建设。这座轴线为直线的重力坝高约85.3m（280英尺），长823m（2700英尺），使用了超过1,220,000m（1，600,00yd3）的混凝土。在大坝上、下游面的混凝土铺填中应用了激光制导的模板，碾压混凝土被铺填在相邻模板之间。工程中所使用的碾压混凝土中，粉煤灰的含量是水泥的两倍多。在1986年的五个月内完成了超过547,000m（715,000yd）的碾压混凝土的施工，最大日施工量4100m（5400yd）。上斯蒂尔沃特坝的最大成就是不再需要伸缩缝了，不过这导致了结构中的竖向裂缝的出现很大的渗流量需要补救措施。随后碾压混凝土结构陆续发展了包括伸缩缝和止水的施工工艺。后记我们希望美国垦务局在过去一个世纪的时间里在混凝土大坝的设计、分析和建设方面的发展轨迹能够引起您的兴趣。毫无疑问，那些早期的拓荒者是极富天才的，他们的工作为后来人类在工程领域的一些重大成就奠定了基础。像胡佛大坝和格力大坝等不朽的工程至今仍然是工程界的奇迹。在美国水坝事业的全盛时期，美国垦务局在混凝土大坝工艺上引领了全世界。经历了一个世纪的快速发展，巨坝建设的风潮在美国正在减弱。美国垦务局在混凝土坝的设计和建设领域给它的祖国和整个世界留下了数量巨大的水坝及其专业的知识和技术，而这些正是最令美国垦务局自豪的东西。参看文献1.鲍格斯，H.L.(1975).拱坝初级设计手册，工程专著No.36，第二次印刷，美国垦务局内政部，政府印刷局，华盛顿，DC.2.布兰德里，J.N.（1952）.非常规溢洪道的流量系数，工程专著No.9，美国垦务局内政部，丹佛，科罗拉多.3.美国垦务局（19381948）.波尔德峡谷工程的最后报告，美国垦务局内政部，美国政府印刷局，华盛顿，DC.4. 美国垦务局（1945）.大坝及其控制，美国垦务局内政部，美国政府印刷局，华盛顿，DC.第三版.5. 美国垦务局（19771978）.奥本大坝的设计与分析，美国垦务局内政部，丹佛，科罗拉多.6.法尔维，H.T.（1