時鐵城 席燕林 吳桂蘭 張 曉

剛果共和國英布魯水電樞紐工程位于剛果河支流萊菲尼河下游巴泰凱高原地區(qū),壩址區(qū)為南緯2°,東經(jīng)16°,距剛果河匯合口14 km,距首都布拉柴維爾215 km。壩址處年徑流總量152.4×108m3,年平均流量484m3/s,工程總庫容為5.84×108m3,電站裝機容量為120 MW。樞紐主要建筑物由左岸土石壩,泄水閘,河床式電站廠房、右岸接頭土壩、開關站和生活管理區(qū)建筑物組成。英布魯水電站主要任務是發(fā)電,承擔剛果電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和骨干電站作用。工程等別為一等,大 (Ⅰ)型規(guī)模。

英布魯水電站是剛果共和國水利能源礦產(chǎn)部與中國機械設備進出口總公司簽定的綜合交鑰匙工程,按合同要求,根據(jù)2001年合同 《技術報告》的基本要求進行詳細初步設計和施工圖設計。攔河壩為土質防滲體分區(qū)壩,隨著設計階段的進展和對筑壩材料的試驗研究不斷深入,土石壩斷面由二分區(qū)調(diào)整為三分區(qū),由三分區(qū)優(yōu)化為四分區(qū),最后按四分區(qū)斷面進行施工。

1 氣象、水文

萊菲尼河流域屬于蘇丹—幾內(nèi)亞的赤道幾內(nèi)亞氣候,全年分旱、雨兩季,5月中旬～9月底為旱季,10月初～次年5月中旬為雨季。雨季受東部印度洋的水汽影響,經(jīng)常發(fā)生降雨,雨量充沛。距離壩址較近的姆布亞氣象站實測氣象要素:近期1981-2002年的多年平均降雨量為1 598 mm；多年平均水面蒸發(fā)量為769.6 mm；多年平均最大相對濕度為97%；多年平均氣溫為26.3℃,極端最高氣溫為37.6℃(3月份),極端最低氣溫為14.5℃(7月份)。壩址處年徑流總量152.4×108m3,年平均流量484 m3/s,多年平均徑流深為978 mm。

2 壩址地形、地質情況

2.1 壩址地形

萊菲尼河在壩軸線上游800 m處流向近南北,而后急轉彎呈近東西向流經(jīng)壩址。壩址附近河床寬約80 m,河水位290 m,最大水深8.5 m。河床最低高程281.5 m,最高287.4 m,一般285 m左右。平均坡降約為1/700。河床左岸漫灘寬50 m,右岸漫灘寬約150 m。漫灘高程290 m左右,形成較平坦的沼澤地。兩岸均為平緩的斜坡,平均坡度小于10°。左岸山頂高程470 m,右岸山頂高程570 m,左岸稍陡于右岸。

2.2 壩址地質情況及當?shù)刂尾牧?/h3>

壩址區(qū)分布的巨厚陸相沉積自下而上分別為白堊系 (K)、第三系 (E、N)和第四系 (Q)地層。

2.2.1 白堊系 (K2)

壩址區(qū)揭露厚度100 m,尚未揭穿。根據(jù)巖體工程地質特征,將其自下而上分為3層:薄層軟弱砂巖 (K2i-l)、中厚層軟弱砂巖 (K2i-2)、薄層軟弱砂巖 (K2i-3)。砂巖呈淺肉紅色、棕黃色、黃白色,主要礦物成分為石英,含有少量長石、玉髓等。巖層傾角接近水平,3層軟弱砂巖物質組成、膠結形式等基本相同,巖體均較軟弱,組成相對較均勻,局部地段3層間的界線往往不明顯,呈逐漸過渡狀態(tài)。相對而言,中厚層軟弱砂巖巖體較完整、密實,而其上、下分布的薄層軟弱砂巖尤其是下部薄層軟弱砂巖明顯較松軟。從壓水試驗成果看,巖體普遍為中等—強透水性,滲透系數(shù)1.3×10-2～2.55×10-2cm/s,允許滲透比降0.3。

2.2.2 第三系 (E、N)

壩址兩岸斜坡段及其以上,均主要分布為第三系地層。

老第三系 (E):地表沒有出露,壩址鉆孔揭露最大厚度20 m,最小僅3～5 m。為黃白色中、細砂。

新第三系 (N):根據(jù)顏色及顆粒組成分為2層,下部為棕紅色砂壤土 (N1),上部為棕黃色砂壤土 (N2)。自上部棕黃色砂壤土至下部棕紅色砂壤土,黏粒含量一般略有增加,結構漸變密實。棕黃色砂壤土表部土壤層厚1～1.5 m,呈灰黑色,結構疏松。

2.2.3 第四系 (Q)

第四系松散堆積物僅在河床、漫灘及漫灘與斜坡接界附近分布,厚度不大。主要有沖積中、細砂夾卵礫石 (Q4al)、坡積砂壤土 (Q4dl)和坡洪積砂壤土 (Q4dl+pl)。土壩清基要求:河床、漫灘中分布的第四系松散堆積物全部清除,左岸土壩壩基大部分坐落在白堊系砂巖上,左岸壩肩和右岸土壩壩基坐落在第三系砂壤土上。

2.2.4 天然建筑材料

2.2.4.1 林中空地土料

料場位于壩址西南約7 km的兩條林帶間的空地上,平均可開采厚度為10 m,有效儲量1 020×104m3,土料天然含水率9.7%～16.5%,黏粒含量11.3%～17.9%。最優(yōu)含水率11.29%,最大干密度1.93 g/cm3,天然含水率較最優(yōu)含水率高2%～3%。擊實后最大干密度1.90 g/cm3時,擊實后滲透系數(shù)平均值為2.04×10-6cm/s。土料質量滿足防滲土料的技術要求,可作為土壩防滲料料源。

2.2.4.2 開挖料

壩基白堊系地層為巨厚的砂巖沉積,由薄層、中厚及厚層膠結不良砂巖巖層組成。砂巖呈淺肉紅、黃白色,主要礦物成分為石英,含有少量高嶺石、方解石等。石英顆粒有一定程度的磨圓度,呈圓粒狀；砂巖呈孔隙式點接觸膠結,膠結差,普遍為弱膠結,開挖擾動后呈松散砂狀,以中、細顆粒為主,砂粒偏細,粒度模數(shù)1.45左右,碾壓后滲透系數(shù)為1×10-3cm/s,允許滲透比降0.3,可作為壩殼填筑用料和混凝土細骨料。

2.2.4.3 貢貝石料場

貢貝石料場距工程區(qū)215 km,位于首都布拉柴維爾西南郊約15 km處的剛果河右岸岸邊,呈南北向的長條形,面積約1 km2。巖層為前寒武系長石石英砂巖和含礫砂巖等,巖石堅硬,完整性較好,可作為壩體反濾料和排水料料源。

3 壩型選擇

英布魯水電站工程壩址附近缺少石料和砂礫料,但有豐富的土料,因而攔河壩不宜采用混凝土壩或堆石壩,而選用土質防滲體分區(qū)壩。

3.1 合同 《技術報告》推薦壩型

針對壩基為深厚強透水白堊系砂巖基礎且容易產(chǎn)生滲透變形,合同 《技術報告》推薦二分區(qū)土壩。壩體上游為防滲土料,下游水下部分為防滲土料,水上部分為開挖料,在防滲土料和開挖料之間設豎向排水和水平排水。豎向排水和水平排水的設置能有效地降低壩體的浸潤線,且使開挖料位于壩殼干燥區(qū)。此設計思路利用了部分開挖料,分區(qū)設置比較合理,壩體斷面見圖1。

圖1 二分區(qū)土壩斷面圖

3.2 詳細初步設計推薦壩型

詳細初步設計階段剛方提出了必須考慮快速放空水庫的設計工況。經(jīng)計算,庫水位從308.5 m快速放空至293.5 m,上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.95,遠小于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)1.3。為了保證上游壩坡的穩(wěn)定,合同 《技術報告》推薦二分區(qū)土壩必須放緩上游壩坡,這樣勢必增加防滲土料的用量,工程的投資增多,且受降雨影響土壩施工將更為不利。

鑒于以上原因,詳細初步設計階段對合同 《技術報告》中推薦的壩體斷面進行了調(diào)整。在不改變原方案斷面基本控制尺寸的基礎上,調(diào)整了土壩壩體分區(qū)結構,增加壩體上游開挖料填筑區(qū),以增強上游壩坡在水位驟降的穩(wěn)定性,下游壩體全部用開挖料填筑,取消豎向排水和水平排水,改為下游貼坡排水,減少了施工干擾。調(diào)整后的土壩斷面為三分區(qū),壩體上游和下游為基坑開挖料,壩體中部和上游壩體的底部為防滲土料,壩體斷面見圖2。調(diào)整后的土壩斷面大大減少了防滲土料的填筑量,減少了雨季對土壩施工的影響,同時也降低了工程造價,水位驟降工況下上游壩坡的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.31,滿足規(guī)范要求。

圖2 三分區(qū)土壩斷面圖

3.3 施工階段選用壩型

3.3.1 當?shù)刂尾牧显囼炑芯?/p>

工程開工后,由于砂石料運距較遠,開挖料作為摻合料和人工骨料配合使用,用于混凝土拌合和制造水泥砂磚。到土壩施工準備時,開挖料存量約15×104m3,而土壩上下游壩殼總共填筑量約為33.1×104m3,開挖料存量不足,需要一定數(shù)量的替代料來補充。

在項目區(qū)周圍經(jīng)過勘測找到左岸砂類土料料場。料場位于英布魯壩址左岸,距壩址2.7～3.3,4.1,5.8 km(直線距離2.1 km)的7#,8#,9#三個地段。地層為新第三系棕黃、棕紅色含細粒土砂,土質不均。在勘察范圍內(nèi),有用層土料勘察儲量約為42.38×104m3,滿足設計用量要求。

經(jīng)過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗研究,料場上下部土層的物理力學性質相近,開挖填筑時可以混合使用。土料粉粒含量 0.20%～5.80%,黏粒含量 1.2%～2.5%,天然密度1.51 g/cm3,天然含水率13.01%,最優(yōu)含水率14.24%,擊實后滲透系數(shù)為3.7×10-5～1.75×10-4cm/s,臨界滲透坡降0.43～0.88。

防滲土料、壩基開挖料及左岸砂類土料的級配對比曲線見圖3。

左岸砂類土料與壩基開挖料的力學指標接近,滿足壩殼料的力學指標要求。

現(xiàn)場碾壓試驗表明:壩基開挖料碾壓后容易擾動松散,其物理力學指標滿足設計要求。左岸砂類土料粒徑范圍比開挖料范圍大得多,碾壓施工簡單,適應快速碾壓施工,作為心墻壩的壩殼料滲透性偏低。綜合分析左岸砂類土料可以替代壩基開挖料。作為心墻壩的壩殼料滲透性偏低。

圖3 壩基開挖料、左岸砂類土料及防滲土料的級配曲線

3.3.2 施工階段土壩分區(qū)調(diào)整

根據(jù)當?shù)?種筑壩材料的儲量、力學指標、滲透特性、施工難易程度和設計筑壩材料用量要求,對土壩設計斷面進行土料平衡調(diào)整,在確保工程安全的前提下,針對不同材料的不同特性進行分區(qū)使用,以降低工程造價,減少施工難度。調(diào)整后的土壩為四分區(qū),壩體中部和上游壩體的底部為防滲土料,壩殼料由左岸砂類土料和壩基砂巖開挖料兩部分組成。左岸砂類土料用于土壩上游區(qū)和下游區(qū)水下部分,壩基砂巖開挖料用于土壩下游區(qū)水上部分。為提高上游區(qū)左岸砂類土料的透水性,在該區(qū)利用透水性較好的壩基開挖料設置兩層水平排水,以增強壩殼料的透水性能。這樣調(diào)整分區(qū)后,3種筑壩材料的儲量和力學指標均能滿足設計要求。

經(jīng)計算復核,水庫放空情況下,由于上游壩殼料的滲透系數(shù)減小,壩體浸潤線的降落比原分區(qū)壩緩慢,對上游壩坡穩(wěn)定不利；為了使上游壩坡在水位驟降工況穩(wěn)定滿足要求,在高程297.0 m設2 m寬馬道,高程297 m以下壩坡減緩為1∶4。調(diào)整后四分區(qū)土壩上、下游壩坡的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各種工況下均滿足規(guī)范要求。四分區(qū)土壩壩體斷面見圖4。

圖4 四分區(qū)土壩斷面圖

3.3.3 帷幕作用的論證

巴泰凱高原自中生代以來堆積了巨厚的陸相沉積物,萊菲尼河流域沉積厚度約為600 m,壩址區(qū)揭露厚度100m,尚未揭穿。從地質資料看,本工程基礎下部較大深度范圍內(nèi)未見相對不透水層,壩基下K2i-2和K2i-1兩層的透水性沒有隨埋置深度的加大而減弱的趨勢,兩層白堊系砂巖的滲透系數(shù)均在10-2cm/s左右,本工程基礎屬無限深透水基礎。

為確定設置壩基帷幕的作用,采用不同帷幕深度對壩體和壩基滲漏量及壩趾處滲流比降的影響進行了分析計算,計算結果見表1。

計算結果表明:壩基為深厚強透水基礎,8 m深的帷幕對減小壩基滲漏量和出逸比降作用不顯著?，F(xiàn)場灌漿試驗也表明:基礎可灌性差,基本不吃漿。與業(yè)主和咨詢工程師商議后,取消帷幕、保留齒槽,把內(nèi)鋪蓋向上游延伸20 m,鋪蓋由上游向下游逐漸加厚,前端最小厚度1.5 m,末端最小厚度3 m,施工中嚴格控制齒槽內(nèi)填土的碾壓質量。

表1 不同帷幕深度對滲漏量和出逸比降影響計算結果表

4 土壩斷面設計

針對壩基為深厚強透水白堊系砂巖基礎,最后選定壩型為厚心墻內(nèi)鋪蓋四分區(qū)土石壩。壩體中部和上游壩體的底部為防滲土料,內(nèi)鋪蓋最小厚度為5 m,壩殼料由左岸砂類土料和壩基砂巖開挖料兩部分組成。左岸砂類土料用于土壩上游區(qū)和下游區(qū)水下部分 (293.50 m高程以下),壩基砂巖開挖料用于土壩下游區(qū)水上部分。上游壩殼設置兩層水平排水,以增強壩殼料的透水性能。此種分區(qū)設計,壩體滲透性由中部向上游和下游逐步增大,各土層之間滿足反濾要求。

考慮壩體后期沉降,土壩壩頂高程311.70 m,最大壩高約32.5 m。壩頂寬度為7 m,向下游側放坡,坡度2%。壩頂上游側設1.2 m高的混凝土防浪墻。

上游壩坡從上往下為 1∶3、1∶4,在高程297.00 m設2 m寬的馬道；下游壩坡從上往下分別為 1∶2.5,1∶2.75,1∶3,1∶3.5, 在高程 303.50 m設3 m寬的馬道,貼坡排水頂部高程297.50 m設4.6 m寬的馬道。

心墻頂部寬5.7 m,在高程291.0 m寬34 m,心墻上、下游坡度均為1∶0.7；心墻頂部局部擴寬使防浪墻和防滲體緊密接觸。

心墻和壩殼之間滿足反濾要求,不設反濾層,下游壩殼和基礎亦滿足反濾要求。

為防止?jié)B流在出逸處發(fā)生滲透變形,在壩體下游設貼坡排水,貼坡排水頂高程297.50 m,超出浸潤線出逸點2 m,滿足波浪爬高要求。

上游坡為抵御風浪和保證水位驟降時上游坡的穩(wěn)定采用干砌石護坡,高程304m以上干砌石厚度40 cm,下設40 cm厚的反濾；高程304 m以下干砌石厚度2 0 cm,下設30 cm厚的反濾。下游坡采用草皮護坡。

5 結 語

(1)英布魯水電工程壩址附近石料和砂礫料匱乏,考慮壩址附近有豐富的土料,壩基開挖中有大量膠結較差的砂巖開挖料,工程選擇土質防滲體分區(qū)壩作為推薦壩型是合適的。

(2)隨著設計階段的進展、對筑壩材料的試驗研究不斷深入及施工現(xiàn)場情況的變化,土石壩斷面由二分區(qū)調(diào)整為三分區(qū),由三分區(qū)優(yōu)化為四分區(qū),最后按四分區(qū)施工。

(3)優(yōu)化后的四分區(qū)土壩在一個旱季內(nèi)完成施工,縮短了土壩的工期。2010年1月份水庫蓄水以來,土壩運行正常。

(4)土壩選型及分區(qū)優(yōu)化的整個過程綜合考慮了壩址地質條件、當?shù)刂尾牧系姆N類、分布情況、性質、蘊藏量、氣候條件等因素,四分區(qū)土壩降低了工程造價和施工難度,減少了雨季對土料施工的影響,是一個既經(jīng)濟又安全的設計方案。