波多黎各波图格斯碾压混凝土坝施工挑战.pdf

2 0 1 6年 6月 水利 水 电快 报 E WR H I 第 3 7卷第 6期 文章编 号： 1 0 0 6 4 9 0 8 1 ( 2 0 1 6 ) 0 6 4 ) 0 1 7 - 0 4 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X - 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 Y - 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X - ； 高温季节； 浇筑混凝土； 施工经验； 波图格斯坝； 波多黎各 中图法分 类号 ： T V 5 4 2 2 文献标 志码 ： A 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 k m 处， 靠近南加勒比海岸， 距离波图格 斯河人海 口约 1 3 k m。该工程由美 国陆军工程师团 ( U S A C E ) 设 计 ， 由 U S A C E和该 国 自然与环境 资源 部 ( D N E R ) 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 m 碾压混 凝土( R C C) 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。 U S A C E初期设计 的波 图格 斯坝为三 圆心双 曲 薄拱坝。2 l 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 U S AC E最终选择 了当前 的拱形 R C C重力坝 方案。 1 9 7 0年 ， 波图格斯河和布卡那 ( B u c a n a ) 河防洪 工程获得批准。该工程包括 2座大坝 ， 其 中波图格 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 2 0 5 斯坝为最后 1座 ， 另 1座为色力罗( C e r r i l l o s ) 大坝 ， 1 9 9 2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人海 口之间的河道改造工 程 。D N E R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 R C C重力坝 ， 最大坝 高 6 7 m， 坝顶长 3 7 5 m。坝体 R C C总量超过 2 7万 m ， 溢洪 道 、 进 水 口和坝 顶 常态 混凝 土 方量 超 过 7 6 00 IT 。 ，基础处理 回填 大体积混凝土约1 5 万 m ， 阀室的基础支墩浇筑 R C C超过 1 8 万 I n 。 。大坝上 游面垂直， 下游面呈 台阶状 ， 综合坡 比为 1 ： 0 3 5 ( V ：H) 。通过设置间距 2 1 3 m的接触缝 ， 将 坝体 分 成 1 8个坝段。宽 2 1 m、 高 3 7 m的 R C C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 4 2 7 n l 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 R C C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 R C C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 3 1 MP a ， l 7 2 0 1 6年 6月 水 利 水 电 快 报 E WR H I 第 3 7卷第 6期 但通常超过 4 1 MP a 。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 R C C连续 浇筑在 “ 热” 的层 间缝上 ， 层 间浇筑 间隙期最 长延长至 2 4 h 。对于部分 混 凝 土 面 即 “ 暖 ” 缝 面 ( 达 7 2 h ) 和 “ 冷” 缝面( 超过 7 2 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 ： 5 0 ， 2 0 m m 和 1 0 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 m R C C 、 常态混凝土或砂浆 ， 辅以 2个 1 0 0 0 t 水泥 筒仓 ， 1 个 1 0 0 0 t 粉煤灰筒仓 ， 3个 2 0 0 0 t 粗骨料筒 仓 ， 以及 2个 1 0 0 0 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 2 0 0 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 1 2 0 m 的“ 湿式皮带 ” 可使粗骨料温度降 至 1 0 C以下 ， 从而满足 R C C浇筑平均最高温度不超 过l 5 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 2 9 8 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 k m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 1 8 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 U S A C E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 R C C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。 R C C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 ( D r a g a d o s ) 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 2 4 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 ， R C C浇筑需满 足下列规定 ： 必须在平均温度1 5 5 C以下浇筑； 只允许在 1 a 中较冷的月份跳仓浇筑 ； 必须 在 2 4 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 ； 必须在 4 5 mi n之内完成生产 、 运输和浇筑 ； 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 R C C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 美国 R I 艾德考安 等波多黎各波图格斯碾压混凝土坝施工挑战 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 0 0 0 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 R C C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、 R C C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 。R C C对 骨料湿度变化非常敏感 ， 湿度的微小 变 化对于 R C C的稠度均会造成影 响。为优化 R C C生 产 ， 往往要求 部分砂在处理 23遍后存储 至棚屋 内 ， 以保持湿度一致 。 合 同要求 R C C应在 日平均温度 1 5 5 以下浇 筑 ， 即使在冬季月份 ， 庞塞 的平均气 温也超过2 4 C。 为满足施工要求 ， 所有用于 R C C生产 的粗骨料均应 预冷至 1 0 C以下 ， 同时在混凝 土用水 中加入冰块 ， 以降低 R C C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 R C C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 R C C坝施工是一个连续 的过程 ， 必须保持不 问 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 8 0 0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 R C C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。 R C C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 R C C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： 混凝土缺陷处理； 钻孔和灌浆； R C C生产、 运输 、 浇筑和碾压 ； R C C层面清理、 准备 及湿度 控制； 模板 提升和准备 ； 外表 面富胶凝 R C C碾压； 接触缝切割； 监测仪器安装及监测； 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 R C C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 U S AC E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。 R C C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。U S A C E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 ( Q c) ， U S A C E负 责 品质保 证 ( Q A) 。在施工高峰期 ， 有超过 3 0名 Q C人员和 2 0 名 Q A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 5 0 0 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 1 9 2 0 1 6年 6月 水 利水 电快 报 E WR H I 第 3 7卷第 6期 3 2 mm以 内。 ( 3 )测试频次。在大坝施工期 间， V e b e稠度、 R C C浇筑温度 、 R C C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 0 0 0 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 R C C坝方 面 的经验 ， 大坝施工采用 U S A C E的 3步 Q C和 Q A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 Q A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 R C C浇筑开始前 ， 该公 司通 过 R C C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 R C C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 R C C重力 坝 ， 也是波多黎各的第 1座 R C C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 。2 0 0 8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 2 0 1 3年 1 2月完工 ， 2 0 1 4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 U S A C E下一代大坝 工程师 的培训基地 。通过该项 目，U S A C E不仅 培 训 了许多 自己的工程师 ， 还将 R C C知识传授 给了当 地 的工程师团体。 曹艳辉 孙言译 ( 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。 ) ( 编辑 ： 唐 湘茜 ) ( 上接第 1 3页) 满足要求 ， 为此 R WH应用而生。科瓦贝亚和新伯狄 安诺社区家庭 中9 o 以上使用 R WH。在加纳 ， R WH 技术古老 ， 然而调查中仅 1 3家庭投入了大量资金收 集和储存可供使用 7 d以上 的雨水。租赁合 同是决 定投资 R WH设施最重要 的一个因素 。房客提到房 东可随时解约 ， 理由是拒绝投资 R WH设施 。当时加 纳有一些租赁法律， 但因租房远远供不应求 ， 通常执 行不力。因此房客利益实际上受不到保护， 随时可被 房东驱逐。应将支持长期租赁协议和保护被驱逐房 客的利益列人 租赁法 ， 并加以实施 ， 这有益于阿克 拉市鼓励投资 R WH设施。也建议政府对房东提 出 建设 R WH设施 的要求， 这将确保雨水 收集设施 如厕 所和浴室同其他设施一样 ， 供房客使用。 雨水收集系统 ， 尤其是蓄水设施高昂的成本 ， 是 R WH面临的主要挑战。加纳一些城市 ， 许多贫 困租 户无能力支出当前建设大型地下储存设施 的费用 。 政府正设法解决这一 问题 ， 正在努力开发相关技术 易掌握 、 成本低且经久耐用的贮水池。 研究结果还表 明， 研究社区居民雨水水质感知 严重阻碍 了对 R WH设施的投资。鉴于居 民的担忧 在很大程度上是基于感知， 而非科学证据 ， 因此需要 对城市雨水水质进行全面科学调查。调查工作应该 20 在不同的集水区进行 ， 因为历史研究表明 ， 雨水水质 可能因屋顶类型和位置的不同而发生变化 。这样 的 调查结果可用于公共教育 ， 以推进 R WH的安装使 用。然而必须指出 ， 即使雨水水质感 知没有显著改 善 ， 仍然要推进雨水 收集 和使用工作 的开展。这是 因为 目前多数 家庭 使用雨水清洗 和冲厕不存 在 问 题。这两方面消耗 的水量 大约 占到家庭用水 量 的 4 0 。因此 ， 以上两种雨水用途将长期存在 ， 可缓解 阿克拉市周边地 区水资源压力 。同时 ， 加强公共教 育 ， 减少污染 ， 也有利于改善雨水水质 。进水 口处的 雨水杂质过滤器和污秽冲刷设备可以防止碎片进入 蓄水池 ， 因此必须鼓励家庭使用这 些过滤设施。另 外 ， 在所有雨水进水 口和出水 口处应布置防止动物 进入的屏蔽设施 ， 以提高雨水水质 。 研究也表明， 阿克拉和加纳东南部沿海平原气候 独特 ， 其年均雨量小， 年迹雨量变化大 ， 这成为抑制投 资 R WH设施的因素。年雨量小和年际雨量变化大， 导致大型 R WH设施 的投资成本增加 ， 这受到财政和 土地可用性的约束 。需要研究当代降雨趋势 以及未 来预测 ， 以决定阿克拉平原 R WH设施的投资。 邱训平 吴建译 ( 编辑 ： 朱晓红 )