馬拉維查松柏和池祖瑪水電方案的設計

［法國］F.費雷拉羅

馬拉維共和國政府通過其能源和礦業部(原能源環境與國土資源部)聘請阿特利亞(原法國索格立咨詢公司)公司承擔馬拉維布阿河上的查松柏和池祖瑪水電項目可行性研究的工程咨詢服務。該工程有2座梯級大壩，離馬拉維湖不遠(位于恩科塔科塔行政區)。查松柏壩是蓄水建筑物，提供流量調節和最大保證出力;池祖瑪壩的規模稍小，主要是將水引到取水口。池祖瑪壩的水庫蓄水區非常小，從而限制了單庫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物保護區內，因此，應盡量減少大壩建設及施工給野生動物和旅游業帶來的影響。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灌溉系統。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(其軸線沿著馬拉維湖)，且剛好位于裂谷的西部山脊內。壩址處的基巖是前寒武紀片麻巖，上面覆蓋一薄層粉質砂粘土(風化的片麻巖)。

查松柏壩的壩址位于丘陵地帶，這有利于建設一座重力壩。相反，池祖瑪壩位于平坦地區，更適合于在河床上修建堰型結構。為此，針對每座壩開展了方案比選。為有助于確定初步設計參數，開展了地形和巖土工程研究。

2 現場查勘

地形研究包括在地面以上約300 m處航拍的圖片判讀，高分辯率的壩區及庫區和隧洞區的地形圖;地形數值模型，每隔2 m一條等高線(每隔30 cm一個測點)的測圖，以及根據南非ADC公司2012年9月份的地形測繪產生的正射影像。

地質勘測工作非常復雜。馬拉維的鉆井機數量極少，在利隆圭的中央材料實驗室有3臺機器可供使用，這3臺機器已經使用了30多年。鉆探工作于2012年8月開始，于2013年2月完成。此外，還進行了實驗室試驗(包括UCS、堿性反應和巖相分析)和呂榮試驗。

與此同時，還進行了一項調查研究，以查明是否有細粒材料(紅土)采料場，挖掘了30個實驗探坑并進行了許多實驗，以確定壩址附近細粒土的特征。

3 電力生產

使用Hillplan軟件對項目開展經濟性研究，優化水庫管理和電力生產，同時也考慮了所需的發電類型(基荷或峰荷)。此外，還進行了能源需求和供應的網絡研究，并使用Hillmix軟件制訂了改進的能源發展規劃。國家發展計劃包括的幾個水電項目中，大部分位于該國南部和北部的希雷河上部區域。查松柏和池祖瑪項目是馬拉維中部地區僅有的水電計劃。電力生產結果被綜合在項目的經濟研究中。研究結果表明，這些項目的主要效益是能夠提供基本負荷。

4 查松柏項目

4.1 壩型選擇

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

根據技術和經濟研究成果，由于該項目壩肩處岸坡陡峭，最初認為修建堆石壩是最佳方案。側面溢洪道的開挖將會形成大量的材料，這些材料可以先運到采石場，供建壩時重復利用。詳細的航測圖顯示，壩址處的山坡沒有預期的陡峭。由于堆石壩頂的長度比原計劃長，側邊溢洪道不得不移位，會造成大量的額外開挖量。因此，碾壓混凝土壩的方案變成了最經濟的選擇。此外，該方案允許對項目規劃進行重要優化。混凝土面板堆石壩在經濟上似乎并不可行，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。滿蓄水位線的標高應該在730 m，其容積為96 000萬m3，大約相當于年平均徑流量加上死庫容(預計為2 000萬m3)。在野生動物保護區內，淹沒面積將達到31 km2。上游壩面為垂直，下游壩面坡度為0.8H/1V。標高782 m處的壩頂總長度包括溢洪道，將達到814 m。防浪墻標高733.1 m，能防止大壩免遭可能最大洪水流量16 000 m3/s時的漫頂。需要建2座小型副壩以便在滿蓄水位線和可能最大洪水位時封閉水庫，其最大高度為8 m，并且壩頂的總長度為360 m，標高為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 基礎處理

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

4.4 溢洪道及其他導流設施

10 000 a一遇洪水的洪峰流量為12 000 m3/s。查松柏水庫由于受地形限制，已在大壩的壩頂設計了一個帶閘門的溢洪道，共有7個弧形閘門(加了一個備用閘門)，在下游面有一個混凝土泄槽。跌水池位于壩趾處，深20 m，長85 m。在設計洪水期間，庫水位將達到高程730 m;在可能最大洪水期間，水庫的最大水位將會達到732.9 m。這樣允許可能最大洪水流量通過溢洪道下泄，大壩有充足的超高以保持水位線在水庫內而不致漫頂。

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

對將導流隧洞作為泄水底孔的可能性開展了討論。根據該工程的實際情況，提出了一個替換方案，即在碾壓混凝土壩的下部設置一個中位排水孔，其設計標準是水庫能夠在一個月的時段內順利排水。對應的泄水孔寬為3.0×3.5 m，配備有幾個弧形閘門和一個定輪安全閘門。

4.5 進水口和引水隧洞

地下發電站的輸水系統位于壩的左岸，有一條長2.16 km的隧道和一口上游調壓井，最小運行水位為690 m，進水口高40 m，配備一個尺寸為2.6 m×3.8 m的定輪閘門。

直徑為3.6 m的引水隧洞將采用混凝土襯砌(厚35 cm)。調壓井位于廠房洞室上游90 m處，立管直徑為2.5 m。為了穩定，將立管的長度定為10 m，豎井的高度為73 m，頂部有一個擴展的水庫。

4.6 發電站和尾水渠隧洞

發電站將裝備2臺混流式機組，按基荷發電釋放流量40 m3/s(每臺機組流量為20 m3/s)設計。計劃保證發量容量是23 MW，總裝機容量是40.6 MW。變壓器位于地面，通過一個45°傾斜的隧道與廠房洞室連接。開關站位于變壓器旁邊，變壓器位于河的左岸。

無襯砌尾水洞直徑為5.1 m，長290 m。不設下游調壓井，布阿河出口處的水位標高為610 m。

5 池祖瑪項目

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、一個取水口、一條長2 km的渠道、一個中間蓄水區、一條長5 km的隧洞和一個地下發電洞室。另外，還有一個備選方案: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，標高為590 m。滿蓄水位標高為610 m，壩的超高為6 m。長1 200 m的壩頂標高將達到616 m，在發生可能最大洪水期間，最高水位值將達到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，設計了一個長為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，以方便工作人員來往于取水口與發電廠房。

5.2 臨時導流工程和泄水底孔

池祖瑪壩的壩址位于一條蜿蜒伸展、水域寬闊的河段上。因此有可能利用該地形設置導流隧洞及泄水底孔。在施工過程中，導流隧洞將穿過長150 m的河段。大壩竣工后，導流隧洞將作為泄水底孔而被重新利用，且在壩的軸線位置安裝閘門。

5.3 地下輸水系統和發電站

和查松柏方案中的情況一樣，池祖瑪工程的輸水系統將完全布置在地下。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房洞室，該洞室中裝備有2臺機組，每臺機組的泄流量為20 m3/s。地下電廠的保證發電容量為23 MW。一個直徑為8 m的豎井將廠房洞室與位于該洞室上方的地面變壓器和開關站平臺相連。

尾水洞長6 600 m，為了保持水力通道的穩定性，需要設置一口下游調壓井。它由1個豎井(高31 m，直徑10 m)和2個側室(截面8 m×8 m，長度20 m)組成。直徑4.4 m，長度達6.5 km的尾水洞將無襯砌。在隧洞的出口處，有一條長250 m的尾水渠將該隧洞與布阿河相連。

對于這2個工程來說，在施工期間，將采用噴射混凝土(厚為10～15 cm)和錨桿支護(每2 m2用3 m長的錨桿)的方法，對其隧洞進行加固處理。