马来西亚沙捞越河本欧坝的研究与设计

［英国］A.C.莫里森 ［马来西亚］R.K.W.林 D.A.然谷

夏智翼 译自英刊《水电与大坝》2010年第2期

古晋市位于西婆罗洲的北部海岸，靠近沙捞越河的河口，该河与中国南海在这里形成三角洲。2003年，在对本欧坝水源进行研究时，古晋市区的人口已达到50万以上，并且预期至2030年将超100万。古晋市区旅游业和工业的有计划发展预计需要更多的净化水。水的需求量正在迅速增长，年增长率超过8%，这是因为个体用水量的增加，以及更多外围地区也连接到供水系统上来。

沙捞越地区的供水是一种政府职能，由古晋水利委员会(KWB)及公共工程管理局(JKR)来管理。早已认识到该市需要额外的水资源供应，自20世纪80年代以来，已经进行了一系列研究，1997年的总体规划研究达到高潮，这项研究旨在开发新的水资源，以满足该市对水的计划需求。

供水工程的一个重要组成部分是古晋以南约40km处现正在兴建的本欧坝。本文讨论了该坝的规划和设计情况。

1 古晋市区供水工程的开发情况

古晋市区最早供水来自现已废弃的市内水库，其主要供应对象是公园，后来被马登(Matang)供水工程所取代，1957年马登供水工程又得到了补充，从古晋市上游沙捞越河的支流沙捞越基里河取水，水处理工作在巴图基堂水处理厂(WTW)进行。该厂位于沙捞越基里河和沙捞越卡南河交汇点的紧上游，并处在沙捞越河盐水侵入指标达到正常限度处的上游。

沙捞越基里河流域被指定为受保护的供水流域，该流域的开发受到限制以防止水源受到污染。沙捞越卡南河的情况则并非如此，当地高浓度的砷，以及沙捞越卡南河流域一黄金开采点存在的氰化物意外泄漏的潜在风险曾一度受到关注。

1997年建成的古晋拦河坝横跨沙捞越河河口，旨在减少潮汐的波动，使沙捞越河至古晋河段形成一座淡水水库，并减小极端潮汐期间潮洪淹没程度。实际上，已经发现因水质方面的原因，在自然河川径流量较低时必须先泄放该水库中的水，然后再给水库充水。由于拦蓄水质量差并且盐分高，因此更加重了对建坝以来从沙捞越河到供水工程进水口的潜在回流的担心。

2 先前的开发研究

1983年，实施了一项对古晋及周边地区至2010年的供水发展总体规划。向更加广阔地区供水的水源包括一些小型水处理厂。然而，主要的水源来自于巴图基堂水处理厂，在该处的取水量已逐渐增多，并且根据河流的自然产水量，该水处理厂规模扩大，以满足日益增长的用水需求。人们意识到，这个水源是有限的，应采取如下措施来补充水源:

(1)考虑从其他河流流域额外供水;

(2)限制当地地下水开发的潜力;

(3)在沙捞越基里河河道中的堰后提供调节蓄水量;

(4)考虑在沙捞越基里河流域修建一座调节水库，并建议将本欧坝作为河流调节水库的一个合适的地点;

(5)在沙捞越卡南河上建紧急抽水取水口以便抽水供应巴图基堂水处理厂。

这些研究结果已被纳入“古晋供水总体规划研究”。建议的补充水源发展计划包括在2005年之前在巴图基堂进水口的下游修建一座堰，以及在2010年之前修建本欧坝。

1997年就强调需要建设这些工程，从沙捞越河到供水水源进水口的回流导致盐水入侵到进水口和对巴图基堂水处理厂水质的担心。这一年为接近50a一遇的干旱年。

作为KWB巴图基堂地区原水资源安全产量研究的一部分，该总体规划已于2000年经过审查。总体规划评述了古晋拦河坝的运行情况，并指出由于水质问题坝后蓄水不能用来供水，以及为防止盐水入侵应在巴图基堂取水口下游修建一座堰。同时也评述了沙捞越卡南河的水质，并建议由于目前没有实际的黄金开采行动，由氰化物污染所带来的风险小到可以接受，而且通过开发这一水资源，包括在河上修一座堰，2020年以前都不需要修建本欧坝。然而，出于对水质的担心，以及在河上建堰有加剧沙捞越卡南河泛洪的风险，最终决定在2010年以前将继续推进本欧坝的开发。

2003年，公共工程管理局授予得到英国合乐集团(Halcrow Group)支持的科索沃信托局(KTA，沙捞越)一份本欧坝的评估研究、大纲和详细设计合同。其目的是开发水资源以满足古晋市区到2030年的用水需求。

3 水资源需求预测

评估报告考虑到了先前研究中提出的对水资源的需求预测与实际的水资源需求增长不符。记录显示，1990～2002年，由KWB提供的水量平均年增长率为8.2%，从1990年的11000万L/d增长到2002年的28200万L/d。在此期间，供水连接次数几近翻倍，而每次连接的需求均增长了26%，达到1910L/d(每次连接供水量)。1997年的总体规划对未来可得到的需水量做了最详尽的研究。这次规划虽然只涵盖KWB地区，但专门为按计划的工业增长以及生活供水连接和人均需水量随时间增加留有余地。它也包括到2010年以前为古晋周边郊区农村地区提供经过处理的水的已有计划。

该项目采纳了由1997年供水总体规划中提出的KWB辖区中等增长的预测，并加上了向不受KWB市区管辖的古晋周边其他地区供水(约为古晋市区需求水量的10%)，并留有5%的余地，以满足预期需求量。根据预测，从2005年至2030年水需求量将增加4.6倍，而且这还是保守估计。

4 沙捞越基里河流域水资源状况

巴图基堂水处理厂进水口以上的沙捞越基里河流域面积约633 km2，其中大部分属农业区，且是陡坡和草木茂密的次生林和木本作物，而非固定的农业。部分上游流域是原始森林，沙捞越河流域降雨记录显示，平均年降雨量约4000mm。

沙捞越基里河流量数据的主要来源是位于基特村(Kg Git)的测量站，它拥有440km2流域面积28 a的有用记录。这是所有过去评估该流域水量研究的主要数据来源。

本欧河是位于基特村上游的沙捞越基里河的一条支流，流域面积约127 km2。2000年，曾经打算在本欧河上紧靠该河与沙捞越基里河汇合处上游设立一个测量站，但是从该处的水位记录没有得到任何可用的流量数据。

将基特村测站的流量记录用于巴图基堂水处理厂后经分析得出，若遇50a一遇干旱年，7a的平均流量约为40000万L/d，这是建议的直接提取供水水源的马来西亚标准。在2004年所建进水口的下游设堰蓄水就会增加取水量。

将基特村测站的流量数据按面积比例换算以便为本欧坝和巴图基堂以上剩余的流域提供合成流量，并用一个水资源联合模型来评估本欧坝水库的蓄水量，该蓄水量是为巴图基堂地区假定在2030年时遭遇50a一遇的干旱时提供用水需求所必须的。满足这一要求的蓄水量为13300万m3。要求从大坝下泄的最大流量为21 m3/s。

水资源模型假定水库在干旱周期初始已蓄满，对于不属于这种假设情况的风险通过考虑由其自然集水区的水重新蓄满水库所需要的时间来加以评估。这一分析得出如下结论:大约在2025年以后，存在水库在正常雨季后蓄不满的很大风险，而重新蓄满水库则需要在沙捞越基里河和本欧河的汇流处回抽沙捞越基里河的洪水流量。预计一旦明了未来用水需求的增长情况，即会详细考虑这一开发计划。

本欧坝址处水库的水位－蓄水量曲线根据现有的1∶10000比例尺地图的等高线绘制。坝址处的河床高程约为24 m，最小运行水位约在53 m高程(相应库容约1000万m3，或为死库容的7%)，水库最高水位高程为80m时，可提供流量调节所需的库容，总蓄水量为14400万m3，正常蓄水位(FSL)的库面面积为8.87 km2。

5 大坝开发研究

5.1 本欧河流域

本欧河与三宝垄河(Sg Semadang)在本欧村汇合形成沙捞越基里河。汇流处河床高程约为18 m，距河口约70km。从汇流处开始，本欧河的河床经过2 km上升到约30m高程。本欧河的这一河段是两岸陡峭的深V形河谷、其特点是深潭与险滩交替出现，在河岸以及河床处岩石露头清晰可见，是典型的山区河段。在其上游，地形较为平坦，在上升到高地之前，扩展成一个不太深切的盆地，这种高地形成了与印度尼西亚的国际边界。该库区以及现有村庄周围地区由交替栽培的次生林所覆盖，然而在高地主要是原始雨林。

因为坝址狭窄，上游盆地较为开阔，通过修建一个相对较小的坝就能够提供一个蓄水量巨大的很经济的水库。

5.2 通 道

对于此工程来说，进出交通是个特别的挑战。尽管通向本欧村的道路较为畅通，但再往前通向大坝的道路一开始就被河流所阻断。所有早期的进场，包括现场调查，都是靠步行。

进入坝址的通路一直是该工程设计要考虑的一个主要方面，包括一座新建桥梁和大约1.95 km长的道路，其中一部分建在非常陡峭的山坡上，需要进行大范围的边坡支护，但仍旧没有通向集水区或者库区的道路。

5.3 地质情况

本欧河流域的峡谷河段贯穿了下游的加央(Kayan)构造，包括沉积砂岩夹层和交错层，卵石砾岩和泥岩。坝址附近，岩层倾向上游方向，倾角约为45°～65°，与选择的坝轴斜交约45°。单个岩层厚度范围从几毫米到几十米不定。砂岩是最硬的岩层，形成河流陡峭的截面。泥岩或者软弱的页岩岩层趋向于很快地风化并控制着岩体的滑动性能。河谷两侧风化深度通常为20m。未风化的区域，以砂岩为主，适合于修建大多数类型大坝。

地质调查包括地表测绘，钻孔勘测以及两地实验测试，包括所选坝址处12个最深达80m的钻孔。初步的地质评价包含在2003年KTA发布的评价报告中，更深层次的调查研究和地质解译包括在2004年和2009年KTA发布的工程设计报告中。这些地质勘测和试验证实了混凝土重力坝的选址合适，并为大坝基础设计提供了数据。

5.4 地震活动

地震记录表明该地区为弱地震活动区。在大坝设计中采用0.1 g的地震标称峰值地面加速度，但事实证明这并非是关键的设计标准。

5.5 地形测量

为大坝和交通道路选址的详细地形测量已完成。此外，为了确定水库面积，对FSL和最大设计洪水位上的等高线进行了测量，并对库区范围内一系列选定的横断面进行了测量。对坝址所做的详细测量表明:一些地方在1∶10000的地图上的等高线要比其实际地面高程高出10m以上。据称，出版的地图以航空照片为基础，差异反映了植被覆盖密度。坝址和库区测量已经通过地面测量方法完成，并需要减掉茂盛的次生林对视线的影响。

测量结果表明，FSL为80m时的水库水面面积为10.2 km2，与根据地图等高线计算出的面积相比增加了15%。但蓄水容量不止增加这么多，虽然所完成的测量工作还不足以确定准确的蓄水容量。这项详细测量工作将在清除库区植物后完成。已经决定不降低水库的FSL，而是留出预计的附加的蓄水容量作为坝址和巴图基堂之间河流生态环境需水和输水损失的一个余裕量，这些生态环境用水和输水损失并没有被包含在资源模型中。因此，FSL被维持在高程80m处。

5.6 环境影响

2007年3月，马来西亚沙捞越大学发布了该项目的环境影响评估(ELA)。在此基础上，2008年2月该项目获得了环境审批。环境问题涉及如下几个方面:

(1)大坝设计和安全;

(2)土壤侵蚀和泥沙淤积;

(3)空气和水污染控制;

(4)废物管理;

(5)生物资源保护;

(6)水库准备工作;

(7)社会经济、卫生和安全方面;

(8)环境监测和审核，以及场地清理。

水库蓄水前生物量清除和处理以及控制水土流失是一项特殊要求，也是开展溃坝影响评估和拟定大坝下游区应急响应预案所做的一项准备工作。

5.7 移民安置

移民安置被认为是该项目的重大问题。经确定，4个村庄在集水区内，其中两个基本上位于水库内，一个部分在水库内。这3个村庄都将因修建水库而失去高程较低的农业土地，这使当地居民可能不能再继续进行农业生产。第4个村庄远离水库，基本上不受影响。估计表明，大概1100人将需要被重新安置。所有这些村庄都没有道路，只有一些步行小道可以出入，有小学、教堂及其他社区服务。

移民安置是沙捞越州政府的责任。在项目开发过程中，有关重新安置和补偿的广泛讨论和谈判一直在进行。将一个安置点设在相邻的流域内已经达成了协议，道路和房屋正在修建中。但是，移民安置似乎是水库蓄水计划中的控制因素。

5.8 水力发电

最初设想将水电作为本欧坝开发中的一部分。经评价研究得出，3 MW的装机容量最初能够使24 h的电力输出有95%的保证率。然而，由于供水需求量向着预期目标发展，枯水年的水电可靠性将近减少50%，因为尽管在水库水位下降到很深以后，水库能得以抽水回灌，但已没有流量可用于水力发电。需要有一条新的高压输电线路将产生的电力输送到古晋的电力系统。在项目的设计阶段，KWB和沙捞越供电公司(SESCO)都对水电开发项目不感兴趣，因而在大坝设计中不包括水电这一项。但是，拟定了一个改造最初泄水管道中3 MW装机的临时方案。

最近的审查确认，利用相同的资源，6 MW装机，12 h峰荷发电开发方案有着明显的优势，下泄流量经巴图基堂取水堰调节后用于供水。这种方案本来能够在需水量增加的情况下更好地利用设想的较大调节流量，但这将需要有比供水输水量所需要的更大的进水和出水管道。增加进水口的方案在经济方面对SESCO并无吸引力，因而并未被采纳。

6 工程设计

6.1 坝型和选址

对本欧峡谷中的4个坝址考虑了碾压混凝土重力坝、土坝、粘土心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝4个选择方案。其中两个选点位置的特点是，溢洪道、泄水孔和导流设施可以建在河流的弯段，这更适合于土石坝。通向大坝道路的建设成本已在评估这些方案时加以考虑。最远的上游坝址可修建一座高度较低、成本稍微低廉的坝，但是道路成本明显较高，因而，这些工程即使被建设也会推迟。

选定的坝址位于可行性研究中确认的选点的上游约250m处。该坝址最经济的选择方案是碾压混凝土重力坝。坝基最低高程为23 m。溢洪道堰顶高程为80.0m，坝顶高程为86.2 m，最大坝高和坝顶长分别为63.2 m和267.0m。

6.2 河道导流

最初设计中河道导流采用了每箱宽4 m、高4.5 m的双箱涵洞的形式，位于大坝左坝肩处的基岩上。这一导流方案再加上位于42 m高程处15 m高的上游围堰可以抵御10a一遇365 m3/s的洪水。当河道导流完成时，在导流涵洞内必须设置泄水管道。

施工期间，在坝体中增设了第3个类似的孔口，以防止在坝体筑高到超出围堰高度后遭到最大100a一遇洪水时回流洪水淹没坝上游现有的村庄。

6.3 溢洪道

采用了一种具有台阶下游面的坝顶溢洪道，旨在洪水不漫过坝顶的情况下通过可能最大洪水(PMF)。PMF的峰值流量确定为2420m3/s。在62 m长的溢洪道堰顶上演算这种洪水，演算得出的溢流流量为1800m3/s，堰顶以上洪水上涨5.8 m。阶梯溢洪道有望在10a一遇洪水时削减75%的水头，通过PMF时，其消能率减少到45%。

该处河谷不对称，溢洪道堰顶长大于下游河道的宽度。因此，在设计阶梯溢洪道时，要考虑位于大坝下游两个坝肩上的不对称边渠，以便将下泄流量输送到河道中。该方案的最终布置由一个1∶35比例的物理模型试验所确定。下游导流墙高度的选取要能保证抵御1000a一遇洪水，并在应对PMF时仍有较小的裕度。在下游混凝土护坦上设置了消力墩，以保证在坝趾处形成稳定的水跃。

6.4 泄水孔

设计取水系统以便通过一个多级进水口下泄最大达21 m3/s的流量到大坝下游的河流中，取水系统的最小运行水位为55 m。进水建筑物采用五级进口的干井形式，输送给位于其中一条导流涵洞上面的一个单独的1.6 m直径的竖管。该管道通过一个有罩盖的固定喷口锥形阀泄水到下游的涵洞。进水建筑物的每个进水口由提供给上游检修门的闸阀所控制。一个提升式D型拦污栅设置在操作进水口的闸门轨道上。

除了上述取水孔以外，在第2条导流涵洞中还设置了一个直径为1.6 m的底孔，利用与上述取水孔类似的布置泄水。该泄水底孔也有一个提供给检修门的1.6 m的上游闸阀。通到底孔的孔口位于围堰的下游，包括一个固定的拦污栅。环境流量出水口设置在取水孔和底孔管道上，每一个都能在最低运行水位时通过针型阀下泄1 m3/s的流量。

取水孔排放和底部泄水孔联合运行，针对最大的(1月份)月平均入流量能够使水库水位从最初的正常水位每天降落约0.4 m，并能在45 d内排空90%的库容，达到最低运行水位。

6.5 大坝结构设计

大坝设计成重力坝断面以保证在正常和极端洪水以及地震荷载作用下保持稳定。坝体有一个上游垂直面，上部坡比为0.78∶1，下部坡比0.9∶1，以减小坝基接触部位的拉伸荷载。非溢流坝段做成8 m宽以保证碾压混凝土施工方便。截面的应力和挠度的校核是利用ANSYS软件进行了有限元分析。

在上游坝踵处规定进行固结灌浆，一道倾斜帷幕灌浆深入到大坝上游面基础之下约40m。基础和坝体内的排水帷幕与坝段的廊道系统相连接。大坝和相关建筑物需要大体积混凝土和碾压混凝土的总量约为160000m3，另外还有15000m3钢筋混凝土用于河道导流建筑物、泄水孔建筑物和溢洪道。

7 项目实施

2007年8月，一份实施项目的交钥匙合同由JKR授予奈姆萨德让私人有限公司(NCSB)。在合乐集团提供的援助下，KTA负责工程设计和施工监理。桥梁和进场交通道路的选址工作于2007年9月开始。NCSB与中国水利水电建设集团公司(Sinohydro)签订了大坝建设合同，2008年3月进行了大坝清基工作。由于2008年8月和9月异常的洪水，导流施工被迫延迟，采石场的开发也因进场路线受到法律的约束而一度中断。然而，这些问题已经成功得到克服，大坝碾压混凝土浇筑于2009年6月开始。

选定的碾压混凝土骨料是巴乌石灰石，在距坝址3 km的范围内建了一个新的采石场和骨料加工厂为大坝施工加工和提供骨料。取用古晋的水泥和粉煤灰作碾压混凝土混合料试验以确定碾压混凝土的设计配合比，这种配合比含有60kg的水泥、120kg的粉煤灰，以及0.6%的减水剂，水与胶结材料的比约为0.5。试验有较小的分离度，修正后的贝氏值达8～15 s，在指定的91 d里，平均抗压强度达35 MPa(N/mm2)，这明显高于指定的15 MPa的特征强度，但由于减少水泥用量，提高粉煤灰水泥含量以保持胶结材料总量不变，这样几乎没有节约成本，水化热指标在规定的范围内，承包商选择了不改变经批准的设计配合比。初凝时间为10～14 h，终凝时间为24～36 h，以便于大多数浇筑层在“热”缝或“暖”缝的情况下进行浇筑。在规定的最高浇筑温度(30℃)情况下实测的最大温升约为14℃。碾压混凝土的平均密度约为2450kg/m3。

截止到2009年12月，该工程施工已完成55%以上，超过50%的碾压混凝土已浇筑到坝体中。最近的平均施工速度一直保持在大约20000m3/月。在自然资源和环境局批准“生物量去除方案”(Biomass Removal Plan)后才能开始库区植被的清理工作。该项目的建设计划于2010年12月大体完成，但蓄水很可能因库区清理和导流涵洞中泄水孔工程的竣工而延迟，这项工作要等到移民安置工作就位以后才能完成。