馬拉維查松柏和池祖瑪水電方案的設(shè)計(jì)

［法國(guó)］F.費(fèi)雷拉羅

馬拉維共和國(guó)政府通過(guò)其能源和礦業(yè)部(原能源環(huán)境與國(guó)土資源部)聘請(qǐng)阿特利亞(原法國(guó)索格立咨詢(xún)公司)公司承擔(dān)馬拉維布阿河上的查松柏和池祖瑪水電項(xiàng)目可行性研究的工程咨詢(xún)服務(wù)。該工程有2座梯級(jí)大壩，離馬拉維湖不遠(yuǎn)(位于恩科塔科塔行政區(qū))。查松柏壩是蓄水建筑物，提供流量調(diào)節(jié)和最大保證出力;池祖瑪壩的規(guī)模稍小，主要是將水引到取水口。池祖瑪壩的水庫(kù)蓄水區(qū)非常小，從而限制了單庫(kù)方案的最大保證出力。迄今為止，池祖瑪壩之所以可行，僅因有一座上游蓄水壩。

查松柏和池祖瑪壩都在恩科塔科塔野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)內(nèi)，因此，應(yīng)盡量減少大壩建設(shè)及施工給野生動(dòng)物和旅游業(yè)帶來(lái)的影響。另外需要提供取水口用于下游灌溉取水，以確保有足夠的水到達(dá)灌溉系統(tǒng)。需要在左岸修建一條新的交通道路，以及一座跨越布阿河的橋。

1 壩址地質(zhì)和地形

查松柏和池祖瑪壩的壩址位于東非大裂谷左岸(其軸線(xiàn)沿著馬拉維湖)，且剛好位于裂谷的西部山脊內(nèi)。壩址處的基巖是前寒武紀(jì)片麻巖，上面覆蓋一薄層粉質(zhì)砂粘土(風(fēng)化的片麻巖)。

查松柏壩的壩址位于丘陵地帶，這有利于建設(shè)一座重力壩。相反，池祖瑪壩位于平坦地區(qū)，更適合于在河床上修建堰型結(jié)構(gòu)。為此，針對(duì)每座壩開(kāi)展了方案比選。為有助于確定初步設(shè)計(jì)參數(shù)，開(kāi)展了地形和巖土工程研究。

2 現(xiàn)場(chǎng)查勘

地形研究包括在地面以上約300 m處航拍的圖片判讀，高分辯率的壩區(qū)及庫(kù)區(qū)和隧洞區(qū)的地形圖;地形數(shù)值模型，每隔2 m一條等高線(xiàn)(每隔30 cm一個(gè)測(cè)點(diǎn))的測(cè)圖，以及根據(jù)南非ADC公司2012年9月份的地形測(cè)繪產(chǎn)生的正射影像。

地質(zhì)勘測(cè)工作非常復(fù)雜。馬拉維的鉆井機(jī)數(shù)量極少，在利隆圭的中央材料實(shí)驗(yàn)室有3臺(tái)機(jī)器可供使用，這3臺(tái)機(jī)器已經(jīng)使用了30多年。鉆探工作于2012年8月開(kāi)始，于2013年2月完成。此外，還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)(包括UCS、堿性反應(yīng)和巖相分析)和呂榮試驗(yàn)。

與此同時(shí)，還進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查研究，以查明是否有細(xì)粒材料(紅土)采料場(chǎng)，挖掘了30個(gè)實(shí)驗(yàn)探坑并進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)，以確定壩址附近細(xì)粒土的特征。

3 電力生產(chǎn)

使用Hillplan軟件對(duì)項(xiàng)目開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性研究，優(yōu)化水庫(kù)管理和電力生產(chǎn)，同時(shí)也考慮了所需的發(fā)電類(lèi)型(基荷或峰荷)。此外，還進(jìn)行了能源需求和供應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)研究，并使用Hillmix軟件制訂了改進(jìn)的能源發(fā)展規(guī)劃。國(guó)家發(fā)展計(jì)劃包括的幾個(gè)水電項(xiàng)目中，大部分位于該國(guó)南部和北部的希雷河上部區(qū)域。查松柏和池祖瑪項(xiàng)目是馬拉維中部地區(qū)僅有的水電計(jì)劃。電力生產(chǎn)結(jié)果被綜合在項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)研究中。研究結(jié)果表明，這些項(xiàng)目的主要效益是能夠提供基本負(fù)荷。

4 查松柏項(xiàng)目

4.1 壩型選擇

對(duì)于查松柏項(xiàng)目，研究了3種方案:①粘土心墻堆石壩(帶側(cè)邊溢洪道);②碾壓混凝土壩(帶壩頂溢洪道);③混凝土面板堆石壩。

根據(jù)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)研究成果，由于該項(xiàng)目壩肩處岸坡陡峭，最初認(rèn)為修建堆石壩是最佳方案。側(cè)面溢洪道的開(kāi)挖將會(huì)形成大量的材料，這些材料可以先運(yùn)到采石場(chǎng)，供建壩時(shí)重復(fù)利用。詳細(xì)的航測(cè)圖顯示，壩址處的山坡沒(méi)有預(yù)期的陡峭。由于堆石壩頂?shù)拈L(zhǎng)度比原計(jì)劃長(zhǎng)，側(cè)邊溢洪道不得不移位，會(huì)造成大量的額外開(kāi)挖量。因此，碾壓混凝土壩的方案變成了最經(jīng)濟(jì)的選擇。此外，該方案允許對(duì)項(xiàng)目規(guī)劃進(jìn)行重要優(yōu)化?；炷撩姘宥咽瘔卧诮?jīng)濟(jì)上似乎并不可行，且山谷的幾何形狀不利于修建混凝土面板堆石壩。

4.2 壩庫(kù)布置

查松柏壩為高110 m的碾壓混凝土壩，其上游混凝土表面的基巖為片麻巖體。滿(mǎn)蓄水位線(xiàn)的標(biāo)高應(yīng)該在730 m，其容積為96 000萬(wàn)m3，大約相當(dāng)于年平均徑流量加上死庫(kù)容(預(yù)計(jì)為2 000萬(wàn)m3)。在野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)內(nèi)，淹沒(méi)面積將達(dá)到31 km2。上游壩面為垂直，下游壩面坡度為0.8H/1V。標(biāo)高782 m處的壩頂總長(zhǎng)度包括溢洪道，將達(dá)到814 m。防浪墻標(biāo)高733.1 m，能防止大壩免遭可能最大洪水流量16 000 m3/s時(shí)的漫頂。需要建2座小型副壩以便在滿(mǎn)蓄水位線(xiàn)和可能最大洪水位時(shí)封閉水庫(kù)，其最大高度為8 m，并且壩頂?shù)目傞L(zhǎng)度為360 m，標(biāo)高為733 m。這2座壩均被建成粘土心墻堆石壩。另外，還將建一座橋梁連接大壩左岸與右岸。

4.3 基礎(chǔ)處理

在實(shí)施大壩基礎(chǔ)加固修整之前，必須挖除風(fēng)化基巖。片麻狀巖體是斷裂的但非常密實(shí)。在壩基以下將采用接觸固結(jié)方式局部處理，使碾壓混凝土和基礎(chǔ)的性質(zhì)均勻一致。將從位于大壩上游部分的排水廊道內(nèi)進(jìn)行灌漿，灌漿深為滿(mǎn)蓄水位的0.8倍。

4.4 溢洪道及其他導(dǎo)流設(shè)施

10 000 a一遇洪水的洪峰流量為12 000 m3/s。查松柏水庫(kù)由于受地形限制，已在大壩的壩頂設(shè)計(jì)了一個(gè)帶閘門(mén)的溢洪道，共有7個(gè)弧形閘門(mén)(加了一個(gè)備用閘門(mén))，在下游面有一個(gè)混凝土泄槽。跌水池位于壩趾處，深20 m，長(zhǎng)85 m。在設(shè)計(jì)洪水期間，庫(kù)水位將達(dá)到高程730 m;在可能最大洪水期間，水庫(kù)的最大水位將會(huì)達(dá)到732.9 m。這樣允許可能最大洪水流量通過(guò)溢洪道下泄，大壩有充足的超高以保持水位線(xiàn)在水庫(kù)內(nèi)而不致漫頂。

導(dǎo)流建筑物是為了能通過(guò)20 a一遇的施工洪水。施工導(dǎo)流洞在山谷底部，因此建議通過(guò)導(dǎo)流隧洞(直徑為11 m)排泄施工洪水。

對(duì)將導(dǎo)流隧洞作為泄水底孔的可能性開(kāi)展了討論。根據(jù)該工程的實(shí)際情況，提出了一個(gè)替換方案，即在碾壓混凝土壩的下部設(shè)置一個(gè)中位排水孔，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是水庫(kù)能夠在一個(gè)月的時(shí)段內(nèi)順利排水。對(duì)應(yīng)的泄水孔寬為3.0×3.5 m，配備有幾個(gè)弧形閘門(mén)和一個(gè)定輪安全閘門(mén)。

4.5 進(jìn)水口和引水隧洞

地下發(fā)電站的輸水系統(tǒng)位于壩的左岸，有一條長(zhǎng)2.16 km的隧道和一口上游調(diào)壓井，最小運(yùn)行水位為690 m，進(jìn)水口高40 m，配備一個(gè)尺寸為2.6 m×3.8 m的定輪閘門(mén)。

直徑為3.6 m的引水隧洞將采用混凝土襯砌(厚35 cm)。調(diào)壓井位于廠(chǎng)房洞室上游90 m處，立管直徑為2.5 m。為了穩(wěn)定，將立管的長(zhǎng)度定為10 m，豎井的高度為73 m，頂部有一個(gè)擴(kuò)展的水庫(kù)。

4.6 發(fā)電站和尾水渠隧洞

發(fā)電站將裝備2臺(tái)混流式機(jī)組，按基荷發(fā)電釋放流量40 m3/s(每臺(tái)機(jī)組流量為20 m3/s)設(shè)計(jì)。計(jì)劃保證發(fā)量容量是23 MW，總裝機(jī)容量是40.6 MW。變壓器位于地面，通過(guò)一個(gè)45°傾斜的隧道與廠(chǎng)房洞室連接。開(kāi)關(guān)站位于變壓器旁邊，變壓器位于河的左岸。

無(wú)襯砌尾水洞直徑為5.1 m，長(zhǎng)290 m。不設(shè)下游調(diào)壓井，布阿河出口處的水位標(biāo)高為610 m。

5 池祖瑪項(xiàng)目

池祖瑪壩壩址處的巖石壩肩適合于修建碾壓混凝土壩。所推薦的方案中，包括一座大壩、一個(gè)取水口、一條長(zhǎng)2 km的渠道、一個(gè)中間蓄水區(qū)、一條長(zhǎng)5 km的隧洞和一個(gè)地下發(fā)電洞室。另外，還有一個(gè)備選方案:只修建一條隧洞。

5.1 大壩和溢洪道布置

池祖瑪工程中包含一座高26 m的混凝土面板堆石壩，該壩修建在河床露出的片麻巖巖體上，標(biāo)高為590 m。滿(mǎn)蓄水位標(biāo)高為610 m，壩的超高為6 m。長(zhǎng)1 200 m的壩頂標(biāo)高將達(dá)到616 m，在發(fā)生可能最大洪水期間，最高水位值將達(dá)到615.7 m。和查松柏壩壩址情況一樣，一些馬鞍形地形位于標(biāo)高617 m處，因而限制了壩的高度。為此，在碾壓混凝土壩的中央部分高程610 m處，設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)為550 m的自流式溢洪道。

另外，有必要在壩址下游修建一座小橋，以方便工作人員來(lái)往于取水口與發(fā)電廠(chǎng)房。

5.2 臨時(shí)導(dǎo)流工程和泄水底孔

池祖瑪壩的壩址位于一條蜿蜒伸展、水域?qū)掗煹暮佣紊稀Ｒ虼擞锌赡芾迷摰匦卧O(shè)置導(dǎo)流隧洞及泄水底孔。在施工過(guò)程中，導(dǎo)流隧洞將穿過(guò)長(zhǎng)150 m的河段。大壩竣工后，導(dǎo)流隧洞將作為泄水底孔而被重新利用，且在壩的軸線(xiàn)位置安裝閘門(mén)。

5.3 地下輸水系統(tǒng)和發(fā)電站

和查松柏方案中的情況一樣，池祖瑪工程的輸水系統(tǒng)將完全布置在地下。位于壩左岸的取水口直接將水流輸送到一個(gè)混凝土豎井中，該豎井高122 m，直徑3.8 m。一段鋼襯的平面洞段直接通向地下廠(chǎng)房洞室，該洞室中裝備有2臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的泄流量為20 m3/s。地下電廠(chǎng)的保證發(fā)電容量為23 MW。一個(gè)直徑為8 m的豎井將廠(chǎng)房洞室與位于該洞室上方的地面變壓器和開(kāi)關(guān)站平臺(tái)相連。

尾水洞長(zhǎng)6 600 m，為了保持水力通道的穩(wěn)定性，需要設(shè)置一口下游調(diào)壓井。它由1個(gè)豎井(高31 m，直徑10 m)和2個(gè)側(cè)室(截面8 m×8 m，長(zhǎng)度20 m)組成。直徑4.4 m，長(zhǎng)度達(dá)6.5 km的尾水洞將無(wú)襯砌。在隧洞的出口處，有一條長(zhǎng)250 m的尾水渠將該隧洞與布阿河相連。

對(duì)于這2個(gè)工程來(lái)說(shuō)，在施工期間，將采用噴射混凝土(厚為10～15 cm)和錨桿支護(hù)(每2 m2用3 m長(zhǎng)的錨桿)的方法，對(duì)其隧洞進(jìn)行加固處理。