南非?？怂刮榈聣慰尚行匝芯?/h1>
2018-09-06 10:29:44J.
水利水電快報(bào) 2018年8期
[] J.
1 水文條件
?？怂刮榈?Foxwood)壩壩址控制流域面積1 091 km2，占庫納普(Koonap)河流域總面積(3 334 km2)的33%。 庫納普河主要支流包括布拉姆博斯普魯特(Braambospruit)河、曼加扎納(Mankazana)河、瓦特克盧夫(Waterkloof)河和思雅拉(Enyara)河。
類似于庫納普河下游，福克斯伍德庫區(qū)是典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，以農(nóng)作物種植為主。 庫納普河流域?qū)儆跂|開普省，流域內(nèi)的阿德萊德小鎮(zhèn)和貝德福德小鎮(zhèn)均位于庫納普河流域下游。流域內(nèi)涉水的基礎(chǔ)設(shè)施大多是河流抽水或引水設(shè)施，主要用于居民生活用水以及牧場(chǎng)、柑橘類水果灌溉用水。
1.1 生態(tài)用水要求
為貫徹1998年南非(RSA)政府第36號(hào)法令《國家水法》中生態(tài)用水需求(EWR)的規(guī)定，同時(shí)滿足日益增長的用水需求，將水對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)面影響降到最低，在日常下泄流量的基礎(chǔ)上必須定期額外增加下泄流量，以調(diào)節(jié)下游河道水量。
庫納普河推薦生態(tài)類別(REC)為C類，與建壩前的生態(tài)現(xiàn)狀(PES)相同。研究中評(píng)估了流域內(nèi)用水量，計(jì)算了相應(yīng)流量減少的幅度。
研究提出的?？怂刮榈聣紊鷳B(tài)流量運(yùn)行規(guī)則是，高生態(tài)流量需由?？怂刮榈聣卧黾酉滦沽繚M足，而壩址下游流域來水就可以完全滿足其低生態(tài)流量。該運(yùn)行規(guī)則要求定期下泄生態(tài)流量，最大下泄生態(tài)流量6 m3/s，對(duì)?？怂刮榈聨烊萦杏绊憽?/p>
1.2 水文分析
庫納普河流域位于夏季雨帶內(nèi)，又處于沿海全年降水區(qū)附近，意味著全年任何時(shí)段都可能發(fā)生降雨。在溫特貝格(Winterberg)山水源區(qū)北部，年均降水量(MAP)662 mm，往南逐漸減少，南部恩雅拉河流域平均年降水量為446 mm。
基于前期研究和東開普省水利衛(wèi)生局搜集到的有關(guān)降雨資料，使用標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)庫納普河流域內(nèi)及附近的21個(gè)雨量站進(jìn)行了鑒定和篩選，得到1920～2011年(92 a)降雨量成果。
庫納普河流域設(shè)有兩個(gè)流量測(cè)站：Q9H030測(cè)站位于福克斯伍德大壩上游水源區(qū)，Q9H002測(cè)站正好位于推薦壩址下游。
對(duì)全流域內(nèi)的流量進(jìn)行了計(jì)算，并與以前的研究結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明徑流量始終相似，?？怂刮榈聣瓮扑]壩址年均徑流量為4 761萬m3。
在水資源研究中，通過延伸?？怂刮榈聣魏蛶旒{普河研究區(qū)子流域的水文過程線，建立了水資源模型，確定了?？怂刮榈聣螝v史的和隨機(jī)的水資源量。分別模擬了調(diào)節(jié)庫容2 380萬，4 760萬m3和9 520萬m3，依次相當(dāng)于天然年均徑流量的50%，100%和200%。對(duì)以下3種需水情況進(jìn)行了分析。
(1)情況1：福克斯伍德壩開發(fā)水平;
(2)情況2：?？怂刮榈聣伍_發(fā)水平，考慮高生態(tài)流量;
(3)情形3：福克斯伍德壩開發(fā)水平，考慮低生態(tài)流量。
模型分析表明，當(dāng)庫容大于等于1.5倍年均徑流量時(shí)，隨著庫容的增加，獲得的收益是微不足道的。因此，建議?？怂刮榈聣伟?倍年均徑流量的庫容建設(shè)。死庫容為611萬m3，相當(dāng)于未來50 a水庫泥沙淤積量。因此，正常蓄水位615 m的庫容為5 490萬m3。
確定了高、低生態(tài)流量以及壩址下游農(nóng)民取用水量之后，在未來20 a內(nèi)，采納1倍年均徑流量作為庫容，大壩的年均輸水量將為1 590萬m3。
表1 洪水頻率分析成果對(duì)比
注：*表示根據(jù)流域面積進(jìn)行調(diào)整。
表2 不同規(guī)模大壩可能最大洪水(D)與淹沒深度(H)關(guān)系成果
1.3 洪 水
采用幾種方法對(duì)福克斯伍德壩洪水頻率進(jìn)行了分析，結(jié)果見表1。
從表1中可以看出，對(duì)5 a一遇洪水，基于調(diào)整后的Q9H002法得到的流量與單位流量線和基于理論公式計(jì)算的結(jié)果接近，其他3種方法得到的流量均較大。所有重現(xiàn)期中，基于科瓦奇法得到的流量最大，而其他方法，對(duì)于重現(xiàn)期超過50 a，除了HRU區(qū)域方法外，峰值較低。
基于Q9H002法得到的流量在基于其他方法得到的流量范圍內(nèi)，因此可以用來估算?？怂刮榈聣魏樗l率關(guān)系。推薦設(shè)計(jì)下泄流量2 063 m3/s，但應(yīng)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化。
不同暴雨持續(xù)時(shí)間和大壩規(guī)模條件下，可能最大洪水計(jì)算結(jié)果列于表2。建議1倍天然年均徑流量、4 h暴雨持續(xù)時(shí)間的大壩安全評(píng)估流量(可能最大洪水)應(yīng)采用6 200 m3/s。
2 地 質(zhì)
2013年8月開展了壩址區(qū)地質(zhì)和巖土工程勘察，主要包括：
(1)試坑開挖及試坑內(nèi)非固結(jié)土取樣;
(2)鉆孔和孔內(nèi)取樣;
(3)孔內(nèi)原位試驗(yàn);
(4)地球物理勘探(地震法);
(5)室內(nèi)試驗(yàn)。
根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，壩址和水庫區(qū)分布上卡魯組、博福特組、阿德萊德組、巴爾福組沉積巖，巖石主要由灰色泥巖和頁巖組成，次為砂巖，泥巖約占80%，砂巖約占20%。
河床沖積層厚3～14 m，主要為粉土、砂、卵石和大石塊，下伏泥巖或粉砂巖。鉆孔揭露巖體風(fēng)化帶厚達(dá)27 m，部分屬于強(qiáng)風(fēng)化,下伏微新巖石。
泥巖多含橄欖石，呈灰色，有時(shí)砂質(zhì)含量高而接近于粉砂巖，與砂巖呈互層狀。砂巖厚度從不足1 m至數(shù)十米不等，呈淺灰(灰色)，為細(xì)粒長石砂巖，具水平層理、交錯(cuò)層理和微交錯(cuò)層理，大部分呈塊狀。
上卡魯組主要為輝綠巖，分布廣泛，以層狀產(chǎn)出，分布范圍廣，一直延續(xù)到壩址以北約5 km。微新輝綠巖呈深灰色、堅(jiān)硬，為侵入到沉積巖中的淺成巖漿巖。
地震法地球物理勘探揭示大壩軸線下的泥巖中存在許多古河道，大部分古河道與當(dāng)前庫納普河道平行，應(yīng)該是曾經(jīng)流入庫納普河的古支流。左岸北側(cè)發(fā)現(xiàn)一斷層，壩址鉆孔巖芯中裂隙發(fā)育的砂巖可能與此有關(guān)。地質(zhì)平面圖上并沒有標(biāo)示斷層，但可能局部存在斷層。
表3列出了水庫區(qū)、重力壩和土石壩基以及填筑用巖土的設(shè)計(jì)參數(shù)。
表3 巖土設(shè)計(jì)參數(shù)
非洲板塊的大部分地區(qū)，特別是南非地區(qū)，屬于地震不活躍區(qū)，這并不意味著這個(gè)地區(qū)完全沒有地震活動(dòng)，只是風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。
南非地震危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告指出，地震危險(xiǎn)性分區(qū)從小于0.05g到最大值0.24g。由國際大壩委員會(huì)推薦的用于穩(wěn)定性分析的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
(1)運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE)0.05g；
(2)安全評(píng)估地震(SEE)0.24g。
3 壩型和壩頂高程選擇
3.1 壩型選擇
根據(jù)當(dāng)時(shí)在南非修建了一座大壩的一家大型承包商提供的預(yù)估成本，考慮了4種壩型。
(1)方案1：左岸邊溢洪道分區(qū)土石壩。
(2)方案2：岸邊溢洪道心墻堆石壩。
(3)方案3：混凝土重力壩。
(4)方案4：河床溢流混凝土重力壩、右岸土石壩的混合壩方案。
?？怂刮榈聣瓮扑]采用方案4(見圖1)，水庫庫容為1倍天然年均徑流量，理由如下。
圖1 泄洪壩段典型剖面圖
(1)考慮水庫庫容為1倍天然年均徑流量的4個(gè)方案，其中，河床溢流混凝土重力壩加右岸土石壩的混合壩方案的單位參考值最低。
(2)混凝土重力壩最適合排泄可能最大洪水和設(shè)計(jì)洪水。
(3)在方案3和方案4中，泄洪建筑物與重力壩結(jié)合，可有效下泄洪水至下游河道。而方案1和方案2需要單獨(dú)布置進(jìn)水塔和泄洪洞，基礎(chǔ)埋深與防滲墻相同。
(4)在方案3和方案4中，導(dǎo)流建筑物布置在混凝土泄洪壩段內(nèi)，比較靈活，將設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)降低到10 a一遇，考慮通過重力壩段壩頂安全泄洪。
(5)方案1和方案2岸邊溢洪道消能比較復(fù)雜，水流方向和流量變化明顯。
(6)由于左岸地質(zhì)條件復(fù)雜，方案1和方案2溢洪道開挖深度大，需長期維護(hù)。
3.2 壩頂高程選擇
根據(jù)超高要求確定壩頂高程。按照大壩安全規(guī)定，?？怂刮榈聣螢槿?jí)建筑物。根據(jù)南非大壩委員會(huì)(SANCOLD)大壩超高指南，按三級(jí)建筑物估算?？怂刮榈聣纬咧怠?/p>
根據(jù)正常蓄水位615 m和設(shè)計(jì)下泄流量2 063 m3/s，計(jì)算出如下參數(shù)：
洪水超高
2.57 m
100 a一遇風(fēng)浪爬高
1.32 m
風(fēng)壅水高度
0.08 m
潮汐
1.00 m
地震涌浪
0.20 m
考慮以上因素，計(jì)算總超高5.2 m，對(duì)于可能最大洪水工況，壩頂超高為5.4 m，最終確定壩頂高程620.4 m。
4 大壩設(shè)計(jì)
大壩壩頂長485 m，最大壩高48.9 m。設(shè)計(jì)包括：
(1)混凝土重力壩溢流壩段，長250 m，上部布置交通橋；
(2)左岸混凝土重力壩非溢流壩段，長45 m；
(3)右岸土石壩，長190 m；
(4)進(jìn)出口建筑物。
混凝土重力壩基巖體為泥巖，大壩上游面直立，下游壩坡1 ∶0.6(豎向 ∶水平)。溢洪道堰頂為弧形，下游壩坡高1.2 m臺(tái)階兼具消能，頂部布置交通橋，見圖2。
右岸布置黏土心墻土壩，壩體下游側(cè)布置濾水管和排水墊層。大壩填筑料為重力壩段開挖的河床沖積粉土、黏土和砂土。大壩上游面拋石護(hù)坡，岸頂下地基為沖積層，黏土心墻進(jìn)入泥巖深度不小于3 m，典型斷面如圖2所示。
4.1 穩(wěn)定性分析
4.1.1 混凝土壩段
混凝土壩段的整體穩(wěn)定性分析，包括壩體與壩基泥巖的接觸抗滑穩(wěn)定性、抗傾穩(wěn)定性和承載能力，壩基巖體設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。穩(wěn)定性分析采用美國墾務(wù)局重力壩設(shè)計(jì)指南中的荷載、荷載組合和安全系數(shù)(FOS)。分析結(jié)果表明，各種荷載組合的安全系數(shù)均滿足要求。如果下階段設(shè)計(jì)改變大壩幾何尺寸或筑壩材料，則需要重新評(píng)估大壩的整體穩(wěn)定性。此外，一旦確定施工方案，層間穩(wěn)定性也需要進(jìn)行評(píng)估。
4.1.2 土壩段
對(duì)以下幾種工況下土壩上下游壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。
(1)最高洪水位620.4 m，穩(wěn)定滲流情況下的上、下游壩坡穩(wěn)定性；
(2)庫水位從正常蓄水位615 m驟降至580 m情況下的上游壩坡穩(wěn)定性；
(3)完建期上、下游壩坡穩(wěn)定性；
(4)地震工況：正常蓄水位615 m、安全評(píng)估地震(SEE)0.24 g。
荷載條件和安全系數(shù)的采用遵循美國墾務(wù)局土壩設(shè)計(jì)指南要求。
分析結(jié)果表明，土壩穩(wěn)定性受完建期工況控制，上游壩坡坡比1 ∶4，下游壩坡比1 ∶3，如圖2所示。上、下游壩坡比由地形條件決定，下游天然地面沿整個(gè)壩軸線均比上游高出約13 m。
4.2 滲流分析
大壩滲流分析需要確定土壩壩體滲漏量和土壩、混凝土壩基滲漏量，以及帷幕灌漿范圍，采用加拿大卡爾加里Geo-Slope International Ltd的SEEP / W軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流分析。
4.2.1 土壩滲流分析
分析結(jié)果表明，土壩壩體滲流受壩體下游濾水管和排水墊層控制，推薦的大壩剖面滲流量和水力梯度均處于可接受范圍，截水槽下的灌漿帷幕似乎 對(duì)滲流分析結(jié)果影響不大。然而，鉆孔揭示在風(fēng)化 巖體內(nèi)可能存在接觸滲漏通道，深度27 m 處壓水試 驗(yàn)呂榮值較高。因此建議，該階段土壩和右壩肩灌 漿帷幕應(yīng)深入地面以下27 m。
圖2 土壩典型斷面圖(上游坡比1 ∶4, 下游坡比1 ∶3)
4.2.2 混凝土重力壩滲流分析
混凝土重力壩左壩肩附近滲流分析表明，為了降低混凝土重力壩基和左壩肩出逸比降，所需帷幕灌漿深度約27 m。
5 出口工程
出口工程設(shè)計(jì)采用雙管系統(tǒng)，以便為維護(hù)作業(yè)提供100%的冗余，并滿足最大生態(tài)流量6 m3/s的要求，同時(shí)設(shè)有多個(gè)下游出水口，確保水質(zhì)符合要求。雖然單條管道可滿足下泄全部流量的要求，但管道設(shè)計(jì)約束條件為流速8 m3/s。
6 大壩安全計(jì)劃
大壩建筑物等級(jí)為三級(jí)，其中包括一座鐵路橋和下游公路橋，以及經(jīng)過阿德萊德市附近的庫納普河大橋。還需制訂詳細(xì)的安全計(jì)劃，包括完整的潰壩分析。
曹艷輝馬貴生譯
(譯者簡介：曹艷輝 ，男，高級(jí)工程師，長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司。)
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類似于庫納普河下游，福克斯伍德庫區(qū)是典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，以農(nóng)作物種植為主。 庫納普河流域?qū)儆跂|開普省，流域內(nèi)的阿德萊德小鎮(zhèn)和貝德福德小鎮(zhèn)均位于庫納普河流域下游。流域內(nèi)涉水的基礎(chǔ)設(shè)施大多是河流抽水或引水設(shè)施，主要用于居民生活用水以及牧場(chǎng)、柑橘類水果灌溉用水。
1.1 生態(tài)用水要求
為貫徹1998年南非(RSA)政府第36號(hào)法令《國家水法》中生態(tài)用水需求(EWR)的規(guī)定，同時(shí)滿足日益增長的用水需求，將水對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)面影響降到最低，在日常下泄流量的基礎(chǔ)上必須定期額外增加下泄流量，以調(diào)節(jié)下游河道水量。
庫納普河推薦生態(tài)類別(REC)為C類，與建壩前的生態(tài)現(xiàn)狀(PES)相同。研究中評(píng)估了流域內(nèi)用水量，計(jì)算了相應(yīng)流量減少的幅度。
研究提出的?？怂刮榈聣紊鷳B(tài)流量運(yùn)行規(guī)則是，高生態(tài)流量需由?？怂刮榈聣卧黾酉滦沽繚M足，而壩址下游流域來水就可以完全滿足其低生態(tài)流量。該運(yùn)行規(guī)則要求定期下泄生態(tài)流量，最大下泄生態(tài)流量6 m3/s，對(duì)?？怂刮榈聨烊萦杏绊憽?/p>
1.2 水文分析
庫納普河流域位于夏季雨帶內(nèi)，又處于沿海全年降水區(qū)附近，意味著全年任何時(shí)段都可能發(fā)生降雨。在溫特貝格(Winterberg)山水源區(qū)北部，年均降水量(MAP)662 mm，往南逐漸減少，南部恩雅拉河流域平均年降水量為446 mm。
基于前期研究和東開普省水利衛(wèi)生局搜集到的有關(guān)降雨資料，使用標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)庫納普河流域內(nèi)及附近的21個(gè)雨量站進(jìn)行了鑒定和篩選，得到1920～2011年(92 a)降雨量成果。
庫納普河流域設(shè)有兩個(gè)流量測(cè)站：Q9H030測(cè)站位于福克斯伍德大壩上游水源區(qū)，Q9H002測(cè)站正好位于推薦壩址下游。
對(duì)全流域內(nèi)的流量進(jìn)行了計(jì)算，并與以前的研究結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明徑流量始終相似，?？怂刮榈聣瓮扑]壩址年均徑流量為4 761萬m3。
在水資源研究中，通過延伸?？怂刮榈聣魏蛶旒{普河研究區(qū)子流域的水文過程線，建立了水資源模型，確定了?？怂刮榈聣螝v史的和隨機(jī)的水資源量。分別模擬了調(diào)節(jié)庫容2 380萬，4 760萬m3和9 520萬m3，依次相當(dāng)于天然年均徑流量的50%，100%和200%。對(duì)以下3種需水情況進(jìn)行了分析。
(1)情況1：福克斯伍德壩開發(fā)水平;
(2)情況2：?？怂刮榈聣伍_發(fā)水平，考慮高生態(tài)流量;
(3)情形3：福克斯伍德壩開發(fā)水平，考慮低生態(tài)流量。
模型分析表明，當(dāng)庫容大于等于1.5倍年均徑流量時(shí)，隨著庫容的增加，獲得的收益是微不足道的。因此，建議?？怂刮榈聣伟?倍年均徑流量的庫容建設(shè)。死庫容為611萬m3，相當(dāng)于未來50 a水庫泥沙淤積量。因此，正常蓄水位615 m的庫容為5 490萬m3。
確定了高、低生態(tài)流量以及壩址下游農(nóng)民取用水量之后，在未來20 a內(nèi)，采納1倍年均徑流量作為庫容，大壩的年均輸水量將為1 590萬m3。
表1 洪水頻率分析成果對(duì)比
注：*表示根據(jù)流域面積進(jìn)行調(diào)整。
表2 不同規(guī)模大壩可能最大洪水(D)與淹沒深度(H)關(guān)系成果
1.3 洪 水
采用幾種方法對(duì)福克斯伍德壩洪水頻率進(jìn)行了分析，結(jié)果見表1。
從表1中可以看出，對(duì)5 a一遇洪水，基于調(diào)整后的Q9H002法得到的流量與單位流量線和基于理論公式計(jì)算的結(jié)果接近，其他3種方法得到的流量均較大。所有重現(xiàn)期中，基于科瓦奇法得到的流量最大，而其他方法，對(duì)于重現(xiàn)期超過50 a，除了HRU區(qū)域方法外，峰值較低。
基于Q9H002法得到的流量在基于其他方法得到的流量范圍內(nèi)，因此可以用來估算?？怂刮榈聣魏樗l率關(guān)系。推薦設(shè)計(jì)下泄流量2 063 m3/s，但應(yīng)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化。
不同暴雨持續(xù)時(shí)間和大壩規(guī)模條件下，可能最大洪水計(jì)算結(jié)果列于表2。建議1倍天然年均徑流量、4 h暴雨持續(xù)時(shí)間的大壩安全評(píng)估流量(可能最大洪水)應(yīng)采用6 200 m3/s。
2 地 質(zhì)
2013年8月開展了壩址區(qū)地質(zhì)和巖土工程勘察，主要包括：
(1)試坑開挖及試坑內(nèi)非固結(jié)土取樣;
(2)鉆孔和孔內(nèi)取樣;
(3)孔內(nèi)原位試驗(yàn);
(4)地球物理勘探(地震法);
(5)室內(nèi)試驗(yàn)。
根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，壩址和水庫區(qū)分布上卡魯組、博福特組、阿德萊德組、巴爾福組沉積巖，巖石主要由灰色泥巖和頁巖組成，次為砂巖，泥巖約占80%，砂巖約占20%。
河床沖積層厚3～14 m，主要為粉土、砂、卵石和大石塊，下伏泥巖或粉砂巖。鉆孔揭露巖體風(fēng)化帶厚達(dá)27 m，部分屬于強(qiáng)風(fēng)化,下伏微新巖石。
泥巖多含橄欖石，呈灰色，有時(shí)砂質(zhì)含量高而接近于粉砂巖，與砂巖呈互層狀。砂巖厚度從不足1 m至數(shù)十米不等，呈淺灰(灰色)，為細(xì)粒長石砂巖，具水平層理、交錯(cuò)層理和微交錯(cuò)層理，大部分呈塊狀。
上卡魯組主要為輝綠巖，分布廣泛，以層狀產(chǎn)出，分布范圍廣，一直延續(xù)到壩址以北約5 km。微新輝綠巖呈深灰色、堅(jiān)硬，為侵入到沉積巖中的淺成巖漿巖。
地震法地球物理勘探揭示大壩軸線下的泥巖中存在許多古河道，大部分古河道與當(dāng)前庫納普河道平行，應(yīng)該是曾經(jīng)流入庫納普河的古支流。左岸北側(cè)發(fā)現(xiàn)一斷層，壩址鉆孔巖芯中裂隙發(fā)育的砂巖可能與此有關(guān)。地質(zhì)平面圖上并沒有標(biāo)示斷層，但可能局部存在斷層。
表3列出了水庫區(qū)、重力壩和土石壩基以及填筑用巖土的設(shè)計(jì)參數(shù)。
表3 巖土設(shè)計(jì)參數(shù)
非洲板塊的大部分地區(qū)，特別是南非地區(qū)，屬于地震不活躍區(qū)，這并不意味著這個(gè)地區(qū)完全沒有地震活動(dòng)，只是風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。
南非地震危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告指出，地震危險(xiǎn)性分區(qū)從小于0.05g到最大值0.24g。由國際大壩委員會(huì)推薦的用于穩(wěn)定性分析的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
(1)運(yùn)行基準(zhǔn)地震(OBE)0.05g；
(2)安全評(píng)估地震(SEE)0.24g。
3 壩型和壩頂高程選擇
3.1 壩型選擇
根據(jù)當(dāng)時(shí)在南非修建了一座大壩的一家大型承包商提供的預(yù)估成本，考慮了4種壩型。
(1)方案1：左岸邊溢洪道分區(qū)土石壩。
(2)方案2：岸邊溢洪道心墻堆石壩。
(3)方案3：混凝土重力壩。
(4)方案4：河床溢流混凝土重力壩、右岸土石壩的混合壩方案。
?？怂刮榈聣瓮扑]采用方案4(見圖1)，水庫庫容為1倍天然年均徑流量，理由如下。
圖1 泄洪壩段典型剖面圖
(1)考慮水庫庫容為1倍天然年均徑流量的4個(gè)方案，其中，河床溢流混凝土重力壩加右岸土石壩的混合壩方案的單位參考值最低。
(2)混凝土重力壩最適合排泄可能最大洪水和設(shè)計(jì)洪水。
(3)在方案3和方案4中，泄洪建筑物與重力壩結(jié)合，可有效下泄洪水至下游河道。而方案1和方案2需要單獨(dú)布置進(jìn)水塔和泄洪洞，基礎(chǔ)埋深與防滲墻相同。
(4)在方案3和方案4中，導(dǎo)流建筑物布置在混凝土泄洪壩段內(nèi)，比較靈活，將設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)降低到10 a一遇，考慮通過重力壩段壩頂安全泄洪。
(5)方案1和方案2岸邊溢洪道消能比較復(fù)雜，水流方向和流量變化明顯。
(6)由于左岸地質(zhì)條件復(fù)雜，方案1和方案2溢洪道開挖深度大，需長期維護(hù)。
3.2 壩頂高程選擇
根據(jù)超高要求確定壩頂高程。按照大壩安全規(guī)定，?？怂刮榈聣螢槿?jí)建筑物。根據(jù)南非大壩委員會(huì)(SANCOLD)大壩超高指南，按三級(jí)建筑物估算?？怂刮榈聣纬咧怠?/p>
根據(jù)正常蓄水位615 m和設(shè)計(jì)下泄流量2 063 m3/s，計(jì)算出如下參數(shù)：
洪水超高
2.57 m
100 a一遇風(fēng)浪爬高
1.32 m
風(fēng)壅水高度
0.08 m
潮汐
1.00 m
地震涌浪
0.20 m
考慮以上因素，計(jì)算總超高5.2 m，對(duì)于可能最大洪水工況，壩頂超高為5.4 m，最終確定壩頂高程620.4 m。
4 大壩設(shè)計(jì)
大壩壩頂長485 m，最大壩高48.9 m。設(shè)計(jì)包括：
(1)混凝土重力壩溢流壩段，長250 m，上部布置交通橋；
(2)左岸混凝土重力壩非溢流壩段，長45 m；
(3)右岸土石壩，長190 m；
(4)進(jìn)出口建筑物。
混凝土重力壩基巖體為泥巖，大壩上游面直立，下游壩坡1 ∶0.6(豎向 ∶水平)。溢洪道堰頂為弧形，下游壩坡高1.2 m臺(tái)階兼具消能，頂部布置交通橋，見圖2。
右岸布置黏土心墻土壩，壩體下游側(cè)布置濾水管和排水墊層。大壩填筑料為重力壩段開挖的河床沖積粉土、黏土和砂土。大壩上游面拋石護(hù)坡，岸頂下地基為沖積層，黏土心墻進(jìn)入泥巖深度不小于3 m，典型斷面如圖2所示。
4.1 穩(wěn)定性分析
4.1.1 混凝土壩段
混凝土壩段的整體穩(wěn)定性分析，包括壩體與壩基泥巖的接觸抗滑穩(wěn)定性、抗傾穩(wěn)定性和承載能力，壩基巖體設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。穩(wěn)定性分析采用美國墾務(wù)局重力壩設(shè)計(jì)指南中的荷載、荷載組合和安全系數(shù)(FOS)。分析結(jié)果表明，各種荷載組合的安全系數(shù)均滿足要求。如果下階段設(shè)計(jì)改變大壩幾何尺寸或筑壩材料，則需要重新評(píng)估大壩的整體穩(wěn)定性。此外，一旦確定施工方案，層間穩(wěn)定性也需要進(jìn)行評(píng)估。
4.1.2 土壩段
對(duì)以下幾種工況下土壩上下游壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。
(1)最高洪水位620.4 m，穩(wěn)定滲流情況下的上、下游壩坡穩(wěn)定性；
(2)庫水位從正常蓄水位615 m驟降至580 m情況下的上游壩坡穩(wěn)定性；
(3)完建期上、下游壩坡穩(wěn)定性；
(4)地震工況：正常蓄水位615 m、安全評(píng)估地震(SEE)0.24 g。
荷載條件和安全系數(shù)的采用遵循美國墾務(wù)局土壩設(shè)計(jì)指南要求。
分析結(jié)果表明，土壩穩(wěn)定性受完建期工況控制，上游壩坡坡比1 ∶4，下游壩坡比1 ∶3，如圖2所示。上、下游壩坡比由地形條件決定，下游天然地面沿整個(gè)壩軸線均比上游高出約13 m。
4.2 滲流分析
大壩滲流分析需要確定土壩壩體滲漏量和土壩、混凝土壩基滲漏量，以及帷幕灌漿范圍，采用加拿大卡爾加里Geo-Slope International Ltd的SEEP / W軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)滲流分析。
4.2.1 土壩滲流分析
分析結(jié)果表明，土壩壩體滲流受壩體下游濾水管和排水墊層控制，推薦的大壩剖面滲流量和水力梯度均處于可接受范圍，截水槽下的灌漿帷幕似乎 對(duì)滲流分析結(jié)果影響不大。然而，鉆孔揭示在風(fēng)化 巖體內(nèi)可能存在接觸滲漏通道，深度27 m 處壓水試 驗(yàn)呂榮值較高。因此建議，該階段土壩和右壩肩灌 漿帷幕應(yīng)深入地面以下27 m。
圖2 土壩典型斷面圖(上游坡比1 ∶4, 下游坡比1 ∶3)
4.2.2 混凝土重力壩滲流分析
混凝土重力壩左壩肩附近滲流分析表明，為了降低混凝土重力壩基和左壩肩出逸比降，所需帷幕灌漿深度約27 m。
5 出口工程
出口工程設(shè)計(jì)采用雙管系統(tǒng)，以便為維護(hù)作業(yè)提供100%的冗余，并滿足最大生態(tài)流量6 m3/s的要求，同時(shí)設(shè)有多個(gè)下游出水口，確保水質(zhì)符合要求。雖然單條管道可滿足下泄全部流量的要求，但管道設(shè)計(jì)約束條件為流速8 m3/s。
6 大壩安全計(jì)劃
大壩建筑物等級(jí)為三級(jí)，其中包括一座鐵路橋和下游公路橋，以及經(jīng)過阿德萊德市附近的庫納普河大橋。還需制訂詳細(xì)的安全計(jì)劃，包括完整的潰壩分析。
曹艷輝馬貴生譯
(譯者簡介：曹艷輝 ，男，高級(jí)工程師，長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司。)
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