英布鲁水电站土石坝选型与断面设计

时铁城 席燕林 吴桂兰 张 晓

刚果共和国英布鲁水电枢纽工程位于刚果河支流莱菲尼河下游巴泰凯高原地区,坝址区为南纬2°,东经16°,距刚果河汇合口14 km,距首都布拉柴维尔215 km。坝址处年径流总量152.4×108m3,年平均流量484m3/s,工程总库容为5.84×108m3,电站装机容量为120 MW。枢纽主要建筑物由左岸土石坝,泄水闸,河床式电站厂房、右岸接头土坝、开关站和生活管理区建筑物组成。英布鲁水电站主要任务是发电,承担刚果电力系统调峰、调频和骨干电站作用。工程等别为一等,大 (Ⅰ)型规模。

英布鲁水电站是刚果共和国水利能源矿产部与中国机械设备进出口总公司签定的综合交钥匙工程,按合同要求,根据2001年合同 《技术报告》的基本要求进行详细初步设计和施工图设计。拦河坝为土质防渗体分区坝,随着设计阶段的进展和对筑坝材料的试验研究不断深入,土石坝断面由二分区调整为三分区,由三分区优化为四分区,最后按四分区断面进行施工。

1 气象、水文

莱菲尼河流域属于苏丹—几内亚的赤道几内亚气候,全年分旱、雨两季,5月中旬～9月底为旱季,10月初～次年5月中旬为雨季。雨季受东部印度洋的水汽影响,经常发生降雨,雨量充沛。距离坝址较近的姆布亚气象站实测气象要素:近期1981-2002年的多年平均降雨量为1 598 mm；多年平均水面蒸发量为769.6 mm；多年平均最大相对湿度为97%；多年平均气温为26.3℃,极端最高气温为37.6℃(3月份),极端最低气温为14.5℃(7月份)。坝址处年径流总量152.4×108m3,年平均流量484 m3/s,多年平均径流深为978 mm。

2 坝址地形、地质情况

2.1 坝址地形

莱菲尼河在坝轴线上游800 m处流向近南北,而后急转弯呈近东西向流经坝址。坝址附近河床宽约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。平均坡降约为1/700。河床左岸漫滩宽50 m,右岸漫滩宽约150 m。漫滩高程290 m左右,形成较平坦的沼泽地。两岸均为平缓的斜坡,平均坡度小于10°。左岸山顶高程470 m,右岸山顶高程570 m,左岸稍陡于右岸。

2.2 坝址地质情况及当地筑坝材料

坝址区分布的巨厚陆相沉积自下而上分别为白垩系 (K)、第三系 (E、N)和第四系 (Q)地层。

2.2.1 白垩系 (K2)

坝址区揭露厚度100 m,尚未揭穿。根据岩体工程地质特征,将其自下而上分为3层:薄层软弱砂岩 (K2i-l)、中厚层软弱砂岩 (K2i-2)、薄层软弱砂岩 (K2i-3)。砂岩呈浅肉红色、棕黄色、黄白色,主要矿物成分为石英,含有少量长石、玉髓等。岩层倾角接近水平,3层软弱砂岩物质组成、胶结形式等基本相同,岩体均较软弱,组成相对较均匀,局部地段3层间的界线往往不明显,呈逐渐过渡状态。相对而言,中厚层软弱砂岩岩体较完整、密实,而其上、下分布的薄层软弱砂岩尤其是下部薄层软弱砂岩明显较松软。从压水试验成果看,岩体普遍为中等—强透水性,渗透系数1.3×10-2～2.55×10-2cm/s,允许渗透比降0.3。

2.2.2 第三系 (E、N)

坝址两岸斜坡段及其以上,均主要分布为第三系地层。

老第三系 (E):地表没有出露,坝址钻孔揭露最大厚度20 m,最小仅3～5 m。为黄白色中、细砂。

新第三系 (N):根据颜色及颗粒组成分为2层,下部为棕红色砂壤土 (N1),上部为棕黄色砂壤土 (N2)。自上部棕黄色砂壤土至下部棕红色砂壤土,黏粒含量一般略有增加,结构渐变密实。棕黄色砂壤土表部土壤层厚1～1.5 m,呈灰黑色,结构疏松。

2.2.3 第四系 (Q)

第四系松散堆积物仅在河床、漫滩及漫滩与斜坡接界附近分布,厚度不大。主要有冲积中、细砂夹卵砾石 (Q4al)、坡积砂壤土 (Q4dl)和坡洪积砂壤土 (Q4dl+pl)。土坝清基要求:河床、漫滩中分布的第四系松散堆积物全部清除,左岸土坝坝基大部分坐落在白垩系砂岩上,左岸坝肩和右岸土坝坝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

料场位于坝址西南约7 km的两条林带间的空地上,平均可开采厚度为10 m,有效储量1 020×104m3,土料天然含水率9.7%～16.5%,黏粒含量11.3%～17.9%。最优含水率11.29%,最大干密度1.93 g/cm3,天然含水率较最优含水率高2%～3%。击实后最大干密度1.90 g/cm3时,击实后渗透系数平均值为2.04×10-6cm/s。土料质量满足防渗土料的技术要求,可作为土坝防渗料料源。

2.2.4.2 开挖料

坝基白垩系地层为巨厚的砂岩沉积,由薄层、中厚及厚层胶结不良砂岩岩层组成。砂岩呈浅肉红、黄白色,主要矿物成分为石英,含有少量高岭石、方解石等。石英颗粒有一定程度的磨圆度,呈圆粒状；砂岩呈孔隙式点接触胶结,胶结差,普遍为弱胶结,开挖扰动后呈松散砂状,以中、细颗粒为主,砂粒偏细,粒度模数1.45左右,碾压后渗透系数为1×10-3cm/s,允许渗透比降0.3,可作为坝壳填筑用料和混凝土细骨料。

2.2.4.3 贡贝石料场

贡贝石料场距工程区215 km,位于首都布拉柴维尔西南郊约15 km处的刚果河右岸岸边,呈南北向的长条形,面积约1 km2。岩层为前寒武系长石石英砂岩和含砾砂岩等,岩石坚硬,完整性较好,可作为坝体反滤料和排水料料源。

3 坝型选择

英布鲁水电站工程坝址附近缺少石料和砂砾料,但有丰富的土料,因而拦河坝不宜采用混凝土坝或堆石坝,而选用土质防渗体分区坝。

3.1 合同 《技术报告》推荐坝型

针对坝基为深厚强透水白垩系砂岩基础且容易产生渗透变形,合同 《技术报告》推荐二分区土坝。坝体上游为防渗土料,下游水下部分为防渗土料,水上部分为开挖料,在防渗土料和开挖料之间设竖向排水和水平排水。竖向排水和水平排水的设置能有效地降低坝体的浸润线,且使开挖料位于坝壳干燥区。此设计思路利用了部分开挖料,分区设置比较合理,坝体断面见图1。

图1 二分区土坝断面图

3.2 详细初步设计推荐坝型

详细初步设计阶段刚方提出了必须考虑快速放空水库的设计工况。经计算,库水位从308.5 m快速放空至293.5 m,上游坝坡抗滑稳定安全系数为0.95,远小于规范规定的最小安全系数1.3。为了保证上游坝坡的稳定,合同 《技术报告》推荐二分区土坝必须放缓上游坝坡,这样势必增加防渗土料的用量,工程的投资增多,且受降雨影响土坝施工将更为不利。

鉴于以上原因,详细初步设计阶段对合同 《技术报告》中推荐的坝体断面进行了调整。在不改变原方案断面基本控制尺寸的基础上,调整了土坝坝体分区结构,增加坝体上游开挖料填筑区,以增强上游坝坡在水位骤降的稳定性,下游坝体全部用开挖料填筑,取消竖向排水和水平排水,改为下游贴坡排水,减少了施工干扰。调整后的土坝断面为三分区,坝体上游和下游为基坑开挖料,坝体中部和上游坝体的底部为防渗土料,坝体断面见图2。调整后的土坝断面大大减少了防渗土料的填筑量,减少了雨季对土坝施工的影响,同时也降低了工程造价,水位骤降工况下上游坝坡的最小抗滑稳定安全系数为1.31,满足规范要求。

图2 三分区土坝断面图

3.3 施工阶段选用坝型

3.3.1 当地筑坝材料试验研究

工程开工后,由于砂石料运距较远,开挖料作为掺合料和人工骨料配合使用,用于混凝土拌合和制造水泥砂砖。到土坝施工准备时,开挖料存量约15×104m3,而土坝上下游坝壳总共填筑量约为33.1×104m3,开挖料存量不足,需要一定数量的替代料来补充。

在项目区周围经过勘测找到左岸砂类土料料场。料场位于英布鲁坝址左岸,距坝址2.7～3.3,4.1,5.8 km(直线距离2.1 km)的7#,8#,9#三个地段。地层为新第三系棕黄、棕红色含细粒土砂,土质不均。在勘察范围内,有用层土料勘察储量约为42.38×104m3,满足设计用量要求。

经过现场及室内试验研究,料场上下部土层的物理力学性质相近,开挖填筑时可以混合使用。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%,最优含水率14.24%,击实后渗透系数为3.7×10-5～1.75×10-4cm/s,临界渗透坡降0.43～0.88。

防渗土料、坝基开挖料及左岸砂类土料的级配对比曲线见图3。

左岸砂类土料与坝基开挖料的力学指标接近,满足坝壳料的力学指标要求。

现场碾压试验表明:坝基开挖料碾压后容易扰动松散,其物理力学指标满足设计要求。左岸砂类土料粒径范围比开挖料范围大得多,碾压施工简单,适应快速碾压施工,作为心墙坝的坝壳料渗透性偏低。综合分析左岸砂类土料可以替代坝基开挖料。作为心墙坝的坝壳料渗透性偏低。

图3 坝基开挖料、左岸砂类土料及防渗土料的级配曲线

3.3.2 施工阶段土坝分区调整

根据当地3种筑坝材料的储量、力学指标、渗透特性、施工难易程度和设计筑坝材料用量要求,对土坝设计断面进行土料平衡调整,在确保工程安全的前提下,针对不同材料的不同特性进行分区使用,以降低工程造价,减少施工难度。调整后的土坝为四分区,坝体中部和上游坝体的底部为防渗土料,坝壳料由左岸砂类土料和坝基砂岩开挖料两部分组成。左岸砂类土料用于土坝上游区和下游区水下部分,坝基砂岩开挖料用于土坝下游区水上部分。为提高上游区左岸砂类土料的透水性,在该区利用透水性较好的坝基开挖料设置两层水平排水,以增强坝壳料的透水性能。这样调整分区后,3种筑坝材料的储量和力学指标均能满足设计要求。

经计算复核,水库放空情况下,由于上游坝壳料的渗透系数减小,坝体浸润线的降落比原分区坝缓慢,对上游坝坡稳定不利；为了使上游坝坡在水位骤降工况稳定满足要求,在高程297.0 m设2 m宽马道,高程297 m以下坝坡减缓为1∶4。调整后四分区土坝上、下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数在各种工况下均满足规范要求。四分区土坝坝体断面见图4。

图4 四分区土坝断面图

3.3.3 帷幕作用的论证

巴泰凯高原自中生代以来堆积了巨厚的陆相沉积物,莱菲尼河流域沉积厚度约为600 m,坝址区揭露厚度100m,尚未揭穿。从地质资料看,本工程基础下部较大深度范围内未见相对不透水层,坝基下K2i-2和K2i-1两层的透水性没有随埋置深度的加大而减弱的趋势,两层白垩系砂岩的渗透系数均在10-2cm/s左右,本工程基础属无限深透水基础。

为确定设置坝基帷幕的作用,采用不同帷幕深度对坝体和坝基渗漏量及坝趾处渗流比降的影响进行了分析计算,计算结果见表1。

计算结果表明:坝基为深厚强透水基础,8 m深的帷幕对减小坝基渗漏量和出逸比降作用不显著。现场灌浆试验也表明:基础可灌性差,基本不吃浆。与业主和咨询工程师商议后,取消帷幕、保留齿槽,把内铺盖向上游延伸20 m,铺盖由上游向下游逐渐加厚,前端最小厚度1.5 m,末端最小厚度3 m,施工中严格控制齿槽内填土的碾压质量。

表1 不同帷幕深度对渗漏量和出逸比降影响计算结果表

4 土坝断面设计

针对坝基为深厚强透水白垩系砂岩基础,最后选定坝型为厚心墙内铺盖四分区土石坝。坝体中部和上游坝体的底部为防渗土料,内铺盖最小厚度为5 m,坝壳料由左岸砂类土料和坝基砂岩开挖料两部分组成。左岸砂类土料用于土坝上游区和下游区水下部分 (293.50 m高程以下),坝基砂岩开挖料用于土坝下游区水上部分。上游坝壳设置两层水平排水,以增强坝壳料的透水性能。此种分区设计,坝体渗透性由中部向上游和下游逐步增大,各土层之间满足反滤要求。

考虑坝体后期沉降,土坝坝顶高程311.70 m,最大坝高约32.5 m。坝顶宽度为7 m,向下游侧放坡,坡度2%。坝顶上游侧设1.2 m高的混凝土防浪墙。

上游坝坡从上往下为 1∶3、1∶4,在高程297.00 m设2 m宽的马道；下游坝坡从上往下分别为 1∶2.5,1∶2.75,1∶3,1∶3.5, 在高程 303.50 m设3 m宽的马道,贴坡排水顶部高程297.50 m设4.6 m宽的马道。

心墙顶部宽5.7 m,在高程291.0 m宽34 m,心墙上、下游坡度均为1∶0.7；心墙顶部局部扩宽使防浪墙和防渗体紧密接触。

心墙和坝壳之间满足反滤要求,不设反滤层,下游坝壳和基础亦满足反滤要求。

为防止渗流在出逸处发生渗透变形,在坝体下游设贴坡排水,贴坡排水顶高程297.50 m,超出浸润线出逸点2 m,满足波浪爬高要求。

上游坡为抵御风浪和保证水位骤降时上游坡的稳定采用干砌石护坡,高程304m以上干砌石厚度40 cm,下设40 cm厚的反滤；高程304 m以下干砌石厚度2 0 cm,下设30 cm厚的反滤。下游坡采用草皮护坡。

5 结 语

(1)英布鲁水电工程坝址附近石料和砂砾料匮乏,考虑坝址附近有丰富的土料,坝基开挖中有大量胶结较差的砂岩开挖料,工程选择土质防渗体分区坝作为推荐坝型是合适的。

(2)随着设计阶段的进展、对筑坝材料的试验研究不断深入及施工现场情况的变化,土石坝断面由二分区调整为三分区,由三分区优化为四分区,最后按四分区施工。

(3)优化后的四分区土坝在一个旱季内完成施工,缩短了土坝的工期。2010年1月份水库蓄水以来,土坝运行正常。

(4)土坝选型及分区优化的整个过程综合考虑了坝址地质条件、当地筑坝材料的种类、分布情况、性质、蕴藏量、气候条件等因素,四分区土坝降低了工程造价和施工难度,减少了雨季对土料施工的影响,是一个既经济又安全的设计方案。