崔玉柱 杜華冬 賈寧霄

摘要：沫若水電站位于馬來西亞沙撈越州沐若河上，地處熱帶雨林土著地區(qū)，環(huán)境敏感、交通不便。工程設計中需要考慮當?shù)赝林用竦娜宋男枨?，對“圣石”加以保護;還需要結合當?shù)貜碗s的地質(zhì)條件，對工程技術問題進行專門研究。結合工程特點，總結了項目設計過程中遇到的技術問題。通過開創(chuàng)性的研究，解決了復雜地質(zhì)條件和人文要求下的大壩布置、碾壓混凝土壩體防滲、復雜地質(zhì)條件下高壩消能、軟弱巖體條件下大型調(diào)壓井布置及開挖支護、混凝土骨料石粉含量超標、高溫多雨條件下混凝土施工及溫控等技術難題。研究成果為工程的順利建設提供了保障，縮短工期1a，節(jié)約工程投資1億元，經(jīng)濟效益顯著。可為類似工程提供技術支撐與參照范例。

關鍵詞：大壩布置;碾壓混凝土壩;調(diào)壓井;混凝土骨料;混凝土施工;沐若水電站;馬來西亞

中圖法分類號：TV642 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.008

文章編號：1006-0081（2020）01-0042-06

1 工程概況

沐若水電站工程位于馬來西亞沙撈越州拉讓（Rajang）河源頭沐若河上，為拉讓河流域第一梯級，距下一梯級巴貢水電站約70km，距民都魯市約200km[1]。壩址屬熱帶雨林地區(qū)，植被茂密，人跡罕至。壩址控制流域面積約為2750km²[1]。

沐若水電站主要任務是發(fā)電，電站裝機容量944MW;水庫正常蓄水位540m，相應庫容120.43億m³，死水位515m，調(diào)節(jié)庫容54.75億m³;設計洪水位541.91m，校核洪水位542.46m。最大可能洪水（PMF）洪水位545.79m，相應庫容139.69億m³。

沐若水電站工程由碾壓混凝土重力壩、壩身無閘控泄洪表孔、壩后生態(tài)電站以及右岸進水口、引水隧洞、地面廠房等建筑物組成，如圖1所示。右岸進水口與壩址直線距離約7km，引水隧洞長約2.5km，廠房位于大壩下游約12km（沿河道的距離）。工程采用河床一次性斷流、隧洞泄流、圍堰全年擋水的導流方案。

2 工程主要特點及難點

沐若河流域?qū)贌釒в炅謿夂颍畹蜏囟雀哂?8℃，年平均氣溫26.5℃，季節(jié)性溫度變化不大;相對濕度平均在86%以上;流域降雨呈微弱季節(jié)性，年降雨量4456mm，年徑流雨量2777mm，年蒸發(fā)量1679mm[2]。

電站地處深山老林，位置偏僻，且臨近當?shù)赝林幼^(qū)，使工程與自然環(huán)境的關系十分敏感。加上當?shù)鼐用窠逃潭绕毡椴桓?，運行管理人才十分缺乏，因此在設計時應以人為本，提高工程的安全性和運行的自動化程度。

大壩所在河段兩岸谷坡大體對稱，巖層走向與河谷近正交，為橫向谷。壩軸線處兩岸雜砂巖山脊，被斜穿河床斷層在順河流方向錯開約40m。河床高程約418m，谷底寬30～60m。山脊硬巖處岸坡陡立，左岸坡度43°，右岸坡度55°;其余地段山坡較緩，左岸坡度約為20°～25°，右岸坡度約為25°～30°[2]。壩址右岸為當?shù)赝林用癯莸摹笆ナ?，必須加以保護，如圖2所示。綜上所述，壩址河谷狹窄，兩岸硬巖錯位，而右岸又有需要保護的“圣石”，因此大壩總體布置難度大。

壩區(qū)基巖屬于早第三紀始新世濱海相地層，為第三系貝拉加（Belaga）組的Pelagus段，巖層陡傾，由老至新（上游至下游）劃分為16個亞段。大壩基巖軟硬相間，主要為第10亞段厚層砂巖，部分為第9亞段與第11亞段砂、頁巖互層巖體[，]。壩基巖體軟硬相間，對壩體受力和變形不利。地質(zhì)構造主要包括褶皺、斷層、層間剪切帶及裂隙，沒有區(qū)域性大斷裂通過。壩區(qū)褶皺強烈;順軟弱巖層剪切破壞明顯，泥化強烈;裂隙較為發(fā)育，傾向河流上游或下游，壩基抗滑穩(wěn)定問題突出。

壩址所在河谷狹窄，縱坡較陡，壩后地質(zhì)條件較差。大壩最大高度146m，泄洪水頭達130m以上，且上游來水量年內(nèi)分布均勻，壩身常年泄洪。泄洪消能設計難度大。

引水發(fā)電系統(tǒng)沿線巖層陡傾，總體走向290°～310°。地層主要為砂巖、頁巖及砂頁巖互層。引水隧洞與巖層大角度相交，有利于開挖洞室穩(wěn)定;但洞室圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，裂隙及地下水發(fā)育，對穩(wěn)定不利。進水口、調(diào)壓井及廠房后邊坡主要為逆向坡，與巖層交角較小或近平行，巖層主要為砂頁巖互層，邊坡巖體風化較嚴重、風化深度大，其次地表徑流及地下水豐富，因此邊坡穩(wěn)定問題突出。電站布置有兩座直徑28m、深75m的調(diào)壓井，調(diào)壓井所處位置山體單薄，布置場地狹小，巖體為砂頁巖互層、風化深厚，地下水豐富，調(diào)壓井布置難度大，圍巖穩(wěn)定問題突出。

電站料場砂巖骨料呈微弱風化，吸水率大，表觀密度值偏小，大壩砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的細骨料細度模數(shù)偏小，石粉含量偏高。

電站所處地區(qū)屬熱帶雨林氣候，全年均為高溫多雨天氣。高溫環(huán)境對碾壓混凝土溫控、連續(xù)施工和層間結合等均有非常不利的影響。

綜上所述，沐若水電站設計中存在以下主要難點：①以人為本、環(huán)境協(xié)調(diào)的樞紐布置;②“圣石”保護;③軟硬相間壩基處理;④碾壓混凝土壩壩體防滲;⑤高水頭消能;⑥單薄山體軟弱狹小空間下大型調(diào)壓井布置及結構設計;⑦石粉超標骨料利用;⑧高溫多雨條件下混凝土溫控。

3 主要研究內(nèi)容及研究成果

3.1 復雜地質(zhì)條件和人文要求下的大壩布置

沐若水電站大壩基礎為橫河向陡傾砂、頁巖互層巖體，大壩穩(wěn)定主要依托第10亞段厚層砂巖。但該層砂巖分布范圍有限，且被河床斷層在上、下游方向錯開40m以上。同時，壩址右岸為當?shù)赝林用癯莸摹笆ナ?，必須加以保護;且“圣石”產(chǎn)狀略傾上游，開挖擾動后穩(wěn)定性受影響。地質(zhì)條件和人文要求的雙重限制，使得大壩布置難度十分大。

沐若水電站大壩布置應考慮以下因素：充分利用P₃Pel₁₀亞段的硬砂巖;保留右岸“圣石”;盡量利用兩岸山脊，減少開挖和混凝土工程量;溢流壩段應布置在河床，泄洪中心線與河床方向大體一致，以便下泄水流歸槽。

目前，國內(nèi)外重力壩中，部分為利用較好巖體、避開不良地質(zhì)條件，采用了折線或曲線布置，尚無橫河向陡傾軟弱相間巖層上的重力壩布置，亦無為滿足當?shù)厝宋囊蟮闹亓尾贾?，更無同時滿足上述條件的重力壩布置案例。

為盡可能利用砂巖，以利于大壩穩(wěn)定，并保護右岸“圣石”，經(jīng)多方案比較研究，突破傳統(tǒng)思維，采用了“弧線+直線”的大壩軸線布置方案。左岸及河床部位采用弧線布置，使得壩基主要受力部位落在條件較好的砂巖上，確保大壩穩(wěn)定。右岸采用直線布置，大壩緊貼“圣石”，與之融為一體，聯(lián)合受力，既保留了“圣石”，加強了“圣石”的穩(wěn)定性，又減少了大壩的工程量。

大壩選擇碾壓混凝土重力壩方案，解決了可研報告中選擇面板壩方案的各種擔憂問題，且安全性更高;壩基軟硬相間巖體受力及右岸“圣石”保護問題可以通過巧妙的大壩布置予以解決，骨料用量少，對環(huán)境影響小;可布置壩身開敞式無閘控泄洪表孔，實現(xiàn)無人值守，運行方便，且不會造成人工洪水。充分體現(xiàn)了“以人為本，保護環(huán)境”的理念，大壩最終的布置形式如圖3所示。

3.2 前壩后石“圣石”保護

右岸“圣石”上游陡傾砂巖厚度僅十幾米。該砂巖上游巖層軟弱，地形急劇降低，且覆蓋層深厚。若按常規(guī)設計重力壩體形，在保留“圣石”的前提下，則砂巖范圍不足以布置全部壩基，須延伸至上游軟弱巖層，不僅工程量巨大，而且施工期大壩穩(wěn)定和運行期壩基不均勻變形問題突出。

設計過程中經(jīng)過多方案比選，提出了前壩后石“圣石”保護方案，即混凝土壩采用非典型斷面（下游部分不完整），壩基全部落在“圣石”上游砂巖范圍內(nèi)，承擔上游水壓力。

壩體斷面隨大壩高度、建基面地形、受力條件變化而變化，通過調(diào)整壩基開挖面傾角和上游壩坡傾角，使大壩混凝土與“圣石”上游巖體始終處于“正壓力”結合為主的狀態(tài)。對于較高的壩段，上部與“圣石”分離，下部與“圣石”結合，充分利用“圣石”下部體積大、穩(wěn)定性高的部分，而“圣石”上部既不受上游水壓力，也不受壩體結構重力等荷載，如圖4所示。對于較低的壩段，放緩上游坡比，壩體重心下移，壩體對“圣石”的傳力傾向地下，利于“圣石”穩(wěn)定。

該設計理念的成功實施，保護了“圣石”，且較常規(guī)體形方案顯著減少了工程量。沐若水電站建成運行以來，大壩與“圣石”穩(wěn)定狀態(tài)良好。

3.3 軟硬相間巖體橋式擴大基礎

對于沐若水電站軟硬相間裂隙發(fā)育巖體基礎處理研究，通過分析軟硬相間巖體具體分布和裂隙切割塊體的大小及產(chǎn)狀，以及大壩布置范圍，研究不同處理措施的效果，選定合適的基礎處理方案。

大壩基礎巖體存在上下游巖體軟弱易風化，中部巖體較堅硬但裂隙發(fā)育的特點，并存在河床斜交斷層可能引起的滲透問題。若按常規(guī)處理思路，將對軟弱易風化的頁巖和河床斷層破碎帶進行掏挖并換填填塘混凝土處理，并清除砂巖中被切割的塊體。同時，建基面還須保證一定的平整度。對于沐若大壩而言，上述情況幾乎存在于整個壩基，若按常規(guī)思路處理，開挖量、混凝土量都將很大，工期也會很長。

沐若大壩壩基第9亞段頁巖上游存在較為堅硬完整的砂巖，應突破傳統(tǒng)思路，研究對該部分巖體的利用，改善大壩基礎受力，減少基礎開挖及處理工程量。

通過對壩基地質(zhì)條件的分析和對大壩受力計算研究認為：①可以通過將壩踵向上游拓展，對第9亞段頁巖上游的砂巖予以利用，在第9亞段頁巖部位形成一座搭接第9亞段砂巖和第10亞段巖體的混凝土“橋”，降低第9亞段頁巖承載的壓力;②因第9亞段承受荷載較小，其掏挖深度以清除風化破碎巖體即可;③由于軟硬相間基巖對壓縮變形的允許量較大，因此第9亞段掏槽部位回填常態(tài)混凝土，回填后直接澆筑碾壓混凝土即可，不必按填塘混凝土要求長間歇養(yǎng)護;④河床斷層及其風化破碎帶厚度幾十厘米，與大壩順流向小夾角相交，占各壩段壩基面積比例較小，對壩基應力及變形影響小，將風化物掏槽并回填混凝土即可。

綜上所述，工程提出“以‘橋式擴大基礎為核心的軟硬相間及裂隙發(fā)育的硬質(zhì)巖體上大壩建基面因地制宜的綜合處理”設計理念，滿足地基承載力和抗滑穩(wěn)定要求，克服此類情況下大規(guī)模開挖基礎處理的弊端，為拓展建基面可利用基巖采用標準開創(chuàng)新的篇章，設計理念先進，工程經(jīng)濟效益顯著。

3.4 碾壓混凝土壩體防滲設計

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有碾壓混凝土壩壩體防滲技術經(jīng)驗的分析總結，根據(jù)該工程特點和大壩壩體防滲設計具體要求，提出施工方便高效、經(jīng)濟性高、防滲效果優(yōu)的工程措施。

碾壓混凝土重力壩的防滲結構型式有：二級配碾壓混凝土防滲、變態(tài)混凝土防滲、常態(tài)混凝土“金包銀”式防滲、常態(tài)混凝土薄層防滲等[4]。各種形式均有應用，其中，二級配碾壓混凝土防滲型式施工快、造價低、應用多。目前，國內(nèi)的江婭、棉花灘、高壩洲等水利水電工程，在施工防滲層時采用二級配碾壓混凝土和變態(tài)混凝土現(xiàn)場拌制振搗，積累了成功的經(jīng)驗。但該型式通常還配有輔助防滲層，且須打孔檢查并補強灌漿，工序較多。經(jīng)研究，該工程采用二級配碾壓混凝土防滲方案，完全依靠混凝土壩體防滲，可靠性高，壽命長。同時，經(jīng)試驗探索，取消了其他工程中通常采用的輔助防滲層，并提出了排水孔周邊不加漿振搗，保證排水通暢的新措施。

在沐若水電站大壩防滲設計中，首次提出了“設置壩體上游防滲區(qū)+強化碾壓層面施工質(zhì)量+利用壩面排水孔全面壓水檢查澆筑缺陷十灌漿強化處理澆筑缺陷”的先進壩體防滲設計理念。該技術完全依靠壩體本身防滲，可靠性更高，壽命更長。沐若水電站水庫蓄水后，大壩滲漏量很小，監(jiān)測成果顯示大壩全部滲漏（含壩基）僅2.81L/s，表明這一先進技術和設計理念在沐若水電站項目中的應用取得了成功。

3.5 高壩壩面臺階消能技術

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有類似工程消能技術經(jīng)驗的分析總結，根據(jù)該工程特點和消能設計具體要求，擬定消能設計方案，并經(jīng)水工模型試驗驗證后修改完善，使消能工效果好，經(jīng)濟性高。

隨著碾壓混凝土筑壩技術的發(fā)展，壩面臺階消能被廣泛應用，壩面臺階與寬尾墩及前置摻氣坎聯(lián)合運用，能夠有效減免在高壩工程中單純使用階梯壩面容易導致的空化水流與控制破壞[5]。國內(nèi)外工程利用該技術泄洪消能的最大臺階壩面高度為90m，沐若水電站碾壓混凝土壩高146m，上下游水頭差超過130m，壩址所在河谷狹窄，縱坡較陡，壩后地質(zhì)條件較差，高水頭泄洪消能問題突出，遠遠超出現(xiàn)有技術水平。在沐若水電站消能工設計中，應通過多種壩面臺階形式及其它摻氣減蝕措施比較，充分重視水工模型試驗，提出合適的消能措施。

設計中考慮沐若水庫庫容大、調(diào)蓄能力強、下泄洪量小的特點，經(jīng)過充分論證，創(chuàng)造性地提出了“寬尾墩+前置摻氣挑坎十壩面臺階”的綜合消能方式，如圖5所示。壩面臺階單級高1m，共120級，總高差120m，是目前碾壓混凝土壩臺階消能中高差最大的。采用該技術可以充分利用壩身消能，消能率在80%以上，大大減輕了下游河道的消能防沖難度，減少了下游防護工程量。寬尾墩結合摻氣挑坎可有效提高臺階壩面前段的水流摻氣濃度，保護臺階壩面全程免遭空蝕破壞。運行結果表明臺階消能設計應用非常成功。

3.6 軟弱地層狹小空間大型調(diào)壓井布置及結構設計

根據(jù)引水系統(tǒng)總體布置及調(diào)保要求，沐若水電站設兩座上游調(diào)壓井，其井筒開挖直徑28m、井深75m。調(diào)壓井所處部位的外側(cè)山體單薄，布置場地狹小。井周圍巖為陡傾砂頁巖互層，巖體軟弱、全強風化層深厚，地表降雨強度大、地下水發(fā)育深，相對于該處軟弱巖體的不利地質(zhì)條件而言，常規(guī)設計條件下的井筒間距難以滿足洞間圍巖穩(wěn)定及施工期安全要求。調(diào)壓井設計具有規(guī)模大、建造條件復雜、工程風險控制難度大的特點。為此，設計采取了以下措施及對策。

（1）在調(diào)壓井布置上，根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)條件，提出了大型地面調(diào)壓井連通升管與上部井筒偏心布置、增加兩相鄰井筒間距的布置型式，解決了調(diào)壓井井筒間圍巖間距不足的問題。

（2）在施工保障措施方面，為保證直徑28m的兩個調(diào)壓井在全強風化的砂頁巖互層巖體中的開挖穩(wěn)定，采用了分層開挖、分層初期襯砌（初期鋼筋混凝土襯砌厚0.5m，高3m）的逆作工法。在井筒自上而下完成開挖后，再進行自下而上的井筒二次襯砌，以保證施工安全及施工質(zhì)量，圖6為調(diào)壓井開挖施工期照片。

（3）在襯砌結構設計上，研究采用了“永臨結合、分期支護、分段實施”的多層環(huán)復合襯砌結構的設計思路，充分利用先期實施的0.5m厚初期襯砌，在保障井筒開挖施工安全的同時，減少后期襯砌結構的厚度及配筋，以取得技術及經(jīng)濟效益。

3.7 混凝土細骨料超量石粉替代部分粉煤灰

微弱風化砂巖骨料在大體積碾壓混凝土（RCC）的應用，沐若水電站屬首例。工程進行RCC配合比設計時，開展砂巖人工砂石粉含量對碾壓混凝土性能影響研究與試驗，對石粉在混凝土中的作用重新認識，并通過施工工藝論證，超量石粉替代粉煤灰方案在沐若水電站中成功應用。

試驗研究表明，沐若水電站工程的砂巖石粉顆粒較粗，需水比較大，但以一定比例進行摻加時，需水量比、細度以及各齡期水泥膠砂強度比均達到Ⅱ級粉煤灰及以上的要求，等效于摻入Ⅱ級粉煤灰。

不同石粉摻量對混凝土強度影響的試驗研究表明，混凝土抗壓強度隨石粉摻量的增大而減小。綜合考慮沐若水電站工程人工砂石粉含量及沐若工程技術標準要求，沐若水電站工程碾壓混凝土石粉摻量宜為人工砂質(zhì)量的3%～5%。相應地，為合理經(jīng)濟地進行微弱風化砂巖骨料的生產(chǎn)和使用，沐若水電站工程碾壓混凝土人工砂石粉含量按22%～27%控制，混凝土性能可滿足設計要求。

室內(nèi)試驗結果表明，按合適比例摻加石粉的混凝土各項性能均可以滿足設計指標要求，部分指標甚至稍有提升，結果如表1所示?，F(xiàn)場實際澆筑表明，按當前配合比生產(chǎn)的混凝土工作度良好，取出的混凝土芯樣表面光滑、骨料分布均勻，結構致密，混凝土質(zhì)量優(yōu)良。

超量石粉替代粉煤灰方案的實施，不僅節(jié)省了粉煤灰用量，還使工程避免了另選料場增加征地或水洗骨料工藝對環(huán)境破壞等不利影響，同時工程質(zhì)量亦得到保證，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，為后續(xù)類似工程積累了豐富經(jīng)驗。

3.8 熱帶雨林地區(qū)碾壓混凝土施工及溫控防裂

沐若水電站碾壓混凝土大壩壩址地區(qū)屬典型的熱帶雨林氣候，全年均為高溫多雨天氣。為了解決高溫多雨環(huán)境對碾壓混凝土施工帶來的不利影響，經(jīng)大量溫控計算分析和對當?shù)亟涤曩Y料的分析，提出了一套適用于高溫多雨地區(qū)的施工措施和溫控防裂措施，包括：①根據(jù)氣溫和降雨情況及時調(diào)整拌和樓VC值;②采用斜層平推法澆筑，盡可能減小混凝土澆筑倉面面積;③加強天氣預報，制定不同降雨條件下的針對性措施;④采取風冷骨料，運輸設備和倉面保溫，倉面噴霧等措施減少混凝土溫度回升。

上述系列創(chuàng)新措施最大程度降低了高溫多雨環(huán)境對碾壓混凝土施工的影響，保證了沐若碾壓混凝土大壩的施工質(zhì)量和施工進度。

4 結語

沫若水電站項目面臨復雜的地質(zhì)和自然條件，并且作為EPC項目，需要綜合考慮工程的經(jīng)濟性，這對設計單位提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。本文結合項目實際，針對項目的特殊人文需求、地質(zhì)條件以及經(jīng)濟性等要求，通過深入的分析研究，提出了解決方案。其中，適應地質(zhì)條件和人文要求的大壩布置、混凝土壩體與壩后高聳巖體聯(lián)合受力、碾壓混凝土壩防滲新工藝、高水頭壩面臺階消能、調(diào)壓井偏心布置及組合襯砌等技術在沐若水電站成功應用，縮短工期1a，節(jié)約工程投資1億元，取得了巨大的經(jīng)濟效益。而超量石粉代替粉煤灰方案的實施，在保證工程質(zhì)量的同時，減少了對自然環(huán)境的影響，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。在混凝土施工中，采用了高溫多雨地區(qū)的施工措施和溫控防裂措施，最大程度降低了當?shù)丨h(huán)境對碾壓混凝土施工的影響，保證了大壩的施工質(zhì)量和施工進度。上述研究成果在沐若水電站得到了成功應用，適合同類工程進行推廣借鑒。

參考文獻：

[1]楊啟貴，胡進華，崔玉柱.馬來西亞沐若水電站勘察設計綜述[J].人民長江，2013，44（8）：4-8.

[2]胡中平，吳效紅，杜華冬.馬來西亞沐若水電站大壩布置研究[J].人民長江，2009，40（23）：12-14.

[3]胡進華，劉暉，崔玉柱，等.沐若水電站重力壩布置與設計[J].人民長江，2013，44（8）：19-22.

[4]高春媚.高碾壓混凝土重力壩防滲結構型式研究[J].科技與創(chuàng)新，2016（22）：120.

[5]魯娜.碾壓混凝土重力壩臺階消能設計探討[J].黑龍江水利科技，2019，47（8）：144-145.

（編輯：李慧）

收稿日期：2019-09-30

作者簡介：崔玉柱，男，高級工程師，博士，主要從事水利水電工程設計工作。E-mail：cuiyuzhu@cjwsjy.com.cn