马拉维查松柏和池祖玛水电方案的设计

［法国］F.费雷拉罗

马拉维共和国政府通过其能源和矿业部(原能源环境与国土资源部)聘请阿特利亚(原法国索格立咨询公司)公司承担马拉维布阿河上的查松柏和池祖玛水电项目可行性研究的工程咨询服务。该工程有2座梯级大坝，离马拉维湖不远(位于恩科塔科塔行政区)。查松柏坝是蓄水建筑物，提供流量调节和最大保证出力;池祖玛坝的规模稍小，主要是将水引到取水口。池祖玛坝的水库蓄水区非常小，从而限制了单库方案的最大保证出力。迄今为止，池祖玛坝之所以可行，仅因有一座上游蓄水坝。

查松柏和池祖玛坝都在恩科塔科塔野生动物保护区内，因此，应尽量减少大坝建设及施工给野生动物和旅游业带来的影响。另外需要提供取水口用于下游灌溉取水，以确保有足够的水到达灌溉系统。需要在左岸修建一条新的交通道路，以及一座跨越布阿河的桥。

1 坝址地质和地形

查松柏和池祖玛坝的坝址位于东非大裂谷左岸(其轴线沿着马拉维湖)，且刚好位于裂谷的西部山脊内。坝址处的基岩是前寒武纪片麻岩，上面覆盖一薄层粉质砂粘土(风化的片麻岩)。

查松柏坝的坝址位于丘陵地带，这有利于建设一座重力坝。相反，池祖玛坝位于平坦地区，更适合于在河床上修建堰型结构。为此，针对每座坝开展了方案比选。为有助于确定初步设计参数，开展了地形和岩土工程研究。

2 现场查勘

地形研究包括在地面以上约300 m处航拍的图片判读，高分辩率的坝区及库区和隧洞区的地形图;地形数值模型，每隔2 m一条等高线(每隔30 cm一个测点)的测图，以及根据南非ADC公司2012年9月份的地形测绘产生的正射影像。

地质勘测工作非常复杂。马拉维的钻井机数量极少，在利隆圭的中央材料实验室有3台机器可供使用，这3台机器已经使用了30多年。钻探工作于2012年8月开始，于2013年2月完成。此外，还进行了实验室试验(包括UCS、碱性反应和岩相分析)和吕荣试验。

与此同时，还进行了一项调查研究，以查明是否有细粒材料(红土)采料场，挖掘了30个实验探坑并进行了许多实验，以确定坝址附近细粒土的特征。

3 电力生产

使用Hillplan软件对项目开展经济性研究，优化水库管理和电力生产，同时也考虑了所需的发电类型(基荷或峰荷)。此外，还进行了能源需求和供应的网络研究，并使用Hillmix软件制订了改进的能源发展规划。国家发展计划包括的几个水电项目中，大部分位于该国南部和北部的希雷河上部区域。查松柏和池祖玛项目是马拉维中部地区仅有的水电计划。电力生产结果被综合在项目的经济研究中。研究结果表明，这些项目的主要效益是能够提供基本负荷。

4 查松柏项目

4.1 坝型选择

对于查松柏项目，研究了3种方案:①粘土心墙堆石坝(带侧边溢洪道);②碾压混凝土坝(带坝顶溢洪道);③混凝土面板堆石坝。

根据技术和经济研究成果，由于该项目坝肩处岸坡陡峭，最初认为修建堆石坝是最佳方案。侧面溢洪道的开挖将会形成大量的材料，这些材料可以先运到采石场，供建坝时重复利用。详细的航测图显示，坝址处的山坡没有预期的陡峭。由于堆石坝顶的长度比原计划长，侧边溢洪道不得不移位，会造成大量的额外开挖量。因此，碾压混凝土坝的方案变成了最经济的选择。此外，该方案允许对项目规划进行重要优化。混凝土面板堆石坝在经济上似乎并不可行，且山谷的几何形状不利于修建混凝土面板堆石坝。

4.2 坝库布置

查松柏坝为高110 m的碾压混凝土坝，其上游混凝土表面的基岩为片麻岩体。满蓄水位线的标高应该在730 m，其容积为96 000万m3，大约相当于年平均径流量加上死库容(预计为2 000万m3)。在野生动物保护区内，淹没面积将达到31 km2。上游坝面为垂直，下游坝面坡度为0.8H/1V。标高782 m处的坝顶总长度包括溢洪道，将达到814 m。防浪墙标高733.1 m，能防止大坝免遭可能最大洪水流量16 000 m3/s时的漫顶。需要建2座小型副坝以便在满蓄水位线和可能最大洪水位时封闭水库，其最大高度为8 m，并且坝顶的总长度为360 m，标高为733 m。这2座坝均被建成粘土心墙堆石坝。另外，还将建一座桥梁连接大坝左岸与右岸。

4.3 基础处理

在实施大坝基础加固修整之前，必须挖除风化基岩。片麻状岩体是断裂的但非常密实。在坝基以下将采用接触固结方式局部处理，使碾压混凝土和基础的性质均匀一致。将从位于大坝上游部分的排水廊道内进行灌浆，灌浆深为满蓄水位的0.8倍。

4.4 溢洪道及其他导流设施

10 000 a一遇洪水的洪峰流量为12 000 m3/s。查松柏水库由于受地形限制，已在大坝的坝顶设计了一个带闸门的溢洪道，共有7个弧形闸门(加了一个备用闸门)，在下游面有一个混凝土泄槽。跌水池位于坝趾处，深20 m，长85 m。在设计洪水期间，库水位将达到高程730 m;在可能最大洪水期间，水库的最大水位将会达到732.9 m。这样允许可能最大洪水流量通过溢洪道下泄，大坝有充足的超高以保持水位线在水库内而不致漫顶。

导流建筑物是为了能通过20 a一遇的施工洪水。施工导流洞在山谷底部，因此建议通过导流隧洞(直径为11 m)排泄施工洪水。

对将导流隧洞作为泄水底孔的可能性开展了讨论。根据该工程的实际情况，提出了一个替换方案，即在碾压混凝土坝的下部设置一个中位排水孔，其设计标准是水库能够在一个月的时段内顺利排水。对应的泄水孔宽为3.0×3.5 m，配备有几个弧形闸门和一个定轮安全闸门。

4.5 进水口和引水隧洞

地下发电站的输水系统位于坝的左岸，有一条长2.16 km的隧道和一口上游调压井，最小运行水位为690 m，进水口高40 m，配备一个尺寸为2.6 m×3.8 m的定轮闸门。

直径为3.6 m的引水隧洞将采用混凝土衬砌(厚35 cm)。调压井位于厂房洞室上游90 m处，立管直径为2.5 m。为了稳定，将立管的长度定为10 m，竖井的高度为73 m，顶部有一个扩展的水库。

4.6 发电站和尾水渠隧洞

发电站将装备2台混流式机组，按基荷发电释放流量40 m3/s(每台机组流量为20 m3/s)设计。计划保证发量容量是23 MW，总装机容量是40.6 MW。变压器位于地面，通过一个45°倾斜的隧道与厂房洞室连接。开关站位于变压器旁边，变压器位于河的左岸。

无衬砌尾水洞直径为5.1 m，长290 m。不设下游调压井，布阿河出口处的水位标高为610 m。

5 池祖玛项目

池祖玛坝坝址处的岩石坝肩适合于修建碾压混凝土坝。所推荐的方案中，包括一座大坝、一个取水口、一条长2 km的渠道、一个中间蓄水区、一条长5 km的隧洞和一个地下发电洞室。另外，还有一个备选方案:只修建一条隧洞。

5.1 大坝和溢洪道布置

池祖玛工程中包含一座高26 m的混凝土面板堆石坝，该坝修建在河床露出的片麻岩岩体上，标高为590 m。满蓄水位标高为610 m，坝的超高为6 m。长1 200 m的坝顶标高将达到616 m，在发生可能最大洪水期间，最高水位值将达到615.7 m。和查松柏坝坝址情况一样，一些马鞍形地形位于标高617 m处，因而限制了坝的高度。为此，在碾压混凝土坝的中央部分高程610 m处，设计了一个长为550 m的自流式溢洪道。

另外，有必要在坝址下游修建一座小桥，以方便工作人员来往于取水口与发电厂房。

5.2 临时导流工程和泄水底孔

池祖玛坝的坝址位于一条蜿蜒伸展、水域宽阔的河段上。因此有可能利用该地形设置导流隧洞及泄水底孔。在施工过程中，导流隧洞将穿过长150 m的河段。大坝竣工后，导流隧洞将作为泄水底孔而被重新利用，且在坝的轴线位置安装闸门。

5.3 地下输水系统和发电站

和查松柏方案中的情况一样，池祖玛工程的输水系统将完全布置在地下。位于坝左岸的取水口直接将水流输送到一个混凝土竖井中，该竖井高122 m，直径3.8 m。一段钢衬的平面洞段直接通向地下厂房洞室，该洞室中装备有2台机组，每台机组的泄流量为20 m3/s。地下电厂的保证发电容量为23 MW。一个直径为8 m的竖井将厂房洞室与位于该洞室上方的地面变压器和开关站平台相连。

尾水洞长6 600 m，为了保持水力通道的稳定性，需要设置一口下游调压井。它由1个竖井(高31 m，直径10 m)和2个侧室(截面8 m×8 m，长度20 m)组成。直径4.4 m，长度达6.5 km的尾水洞将无衬砌。在隧洞的出口处，有一条长250 m的尾水渠将该隧洞与布阿河相连。

对于这2个工程来说，在施工期间，将采用喷射混凝土(厚为10～15 cm)和锚杆支护(每2 m2用3 m长的锚杆)的方法，对其隧洞进行加固处理。