南非福克斯伍德坝可行性研究

[] J.

1 水文条件

福克斯伍德(Foxwood)坝坝址控制流域面积1 091 km2，占库纳普(Koonap)河流域总面积(3 334 km2)的33%。 库纳普河主要支流包括布拉姆博斯普鲁特(Braambospruit)河、曼加扎纳(Mankazana)河、瓦特克卢夫(Waterkloof)河和思雅拉(Enyara)河。

类似于库纳普河下游，福克斯伍德库区是典型的农业区，以农作物种植为主。 库纳普河流域属于东开普省，流域内的阿德莱德小镇和贝德福德小镇均位于库纳普河流域下游。流域内涉水的基础设施大多是河流抽水或引水设施，主要用于居民生活用水以及牧场、柑橘类水果灌溉用水。

1.1 生态用水要求

为贯彻1998年南非(RSA)政府第36号法令《国家水法》中生态用水需求(EWR)的规定，同时满足日益增长的用水需求，将水对该地区社会经济负面影响降到最低，在日常下泄流量的基础上必须定期额外增加下泄流量，以调节下游河道水量。

库纳普河推荐生态类别(REC)为C类，与建坝前的生态现状(PES)相同。研究中评估了流域内用水量，计算了相应流量减少的幅度。

研究提出的福克斯伍德坝生态流量运行规则是，高生态流量需由福克斯伍德坝增加下泄量满足，而坝址下游流域来水就可以完全满足其低生态流量。该运行规则要求定期下泄生态流量，最大下泄生态流量6 m3/s，对福克斯伍德库容有影响。

1.2 水文分析

库纳普河流域位于夏季雨带内，又处于沿海全年降水区附近，意味着全年任何时段都可能发生降雨。在温特贝格(Winterberg)山水源区北部，年均降水量(MAP)662 mm，往南逐渐减少，南部恩雅拉河流域平均年降水量为446 mm。

基于前期研究和东开普省水利卫生局搜集到的有关降雨资料，使用标准验证试验对库纳普河流域内及附近的21个雨量站进行了鉴定和筛选，得到1920～2011年(92 a)降雨量成果。

库纳普河流域设有两个流量测站：Q9H030测站位于福克斯伍德大坝上游水源区，Q9H002测站正好位于推荐坝址下游。

对全流域内的流量进行了计算，并与以前的研究结果进行了比较，结果表明径流量始终相似，福克斯伍德坝推荐坝址年均径流量为4 761万m3。

在水资源研究中，通过延伸福克斯伍德坝和库纳普河研究区子流域的水文过程线，建立了水资源模型，确定了福克斯伍德坝历史的和随机的水资源量。分别模拟了调节库容2 380万，4 760万m3和9 520万m3，依次相当于天然年均径流量的50%，100%和200%。对以下3种需水情况进行了分析。

(1)情况1：福克斯伍德坝开发水平;

(2)情况2：福克斯伍德坝开发水平，考虑高生态流量;

(3)情形3：福克斯伍德坝开发水平，考虑低生态流量。

模型分析表明，当库容大于等于1.5倍年均径流量时，随着库容的增加，获得的收益是微不足道的。因此，建议福克斯伍德坝按1倍年均径流量的库容建设。死库容为611万m3，相当于未来50 a水库泥沙淤积量。因此，正常蓄水位615 m的库容为5 490万m3。

确定了高、低生态流量以及坝址下游农民取用水量之后，在未来20 a内，采纳1倍年均径流量作为库容，大坝的年均输水量将为1 590万m3。

表1 洪水频率分析成果对比

注：*表示根据流域面积进行调整。

表2 不同规模大坝可能最大洪水(D)与淹没深度(H)关系成果

1.3 洪 水

采用几种方法对福克斯伍德坝洪水频率进行了分析，结果见表1。

从表1中可以看出，对5 a一遇洪水，基于调整后的Q9H002法得到的流量与单位流量线和基于理论公式计算的结果接近，其他3种方法得到的流量均较大。所有重现期中，基于科瓦奇法得到的流量最大，而其他方法，对于重现期超过50 a，除了HRU区域方法外，峰值较低。

基于Q9H002法得到的流量在基于其他方法得到的流量范围内，因此可以用来估算福克斯伍德坝洪水频率关系。推荐设计下泄流量2 063 m3/s，但应在详细设计阶段进行优化。

不同暴雨持续时间和大坝规模条件下，可能最大洪水计算结果列于表2。建议1倍天然年均径流量、4 h暴雨持续时间的大坝安全评估流量(可能最大洪水)应采用6 200 m3/s。

2 地 质

2013年8月开展了坝址区地质和岩土工程勘察，主要包括：

(1)试坑开挖及试坑内非固结土取样;

(2)钻孔和孔内取样;

(3)孔内原位试验;

(4)地球物理勘探(地震法);

(5)室内试验。

根据地质调查，坝址和水库区分布上卡鲁组、博福特组、阿德莱德组、巴尔福组沉积岩，岩石主要由灰色泥岩和页岩组成，次为砂岩，泥岩约占80%，砂岩约占20%。

河床冲积层厚3～14 m，主要为粉土、砂、卵石和大石块，下伏泥岩或粉砂岩。钻孔揭露岩体风化带厚达27 m，部分属于强风化,下伏微新岩石。

泥岩多含橄榄石，呈灰色，有时砂质含量高而接近于粉砂岩，与砂岩呈互层状。砂岩厚度从不足1 m至数十米不等，呈浅灰(灰色)，为细粒长石砂岩，具水平层理、交错层理和微交错层理，大部分呈块状。

上卡鲁组主要为辉绿岩，分布广泛，以层状产出，分布范围广，一直延续到坝址以北约5 km。微新辉绿岩呈深灰色、坚硬，为侵入到沉积岩中的浅成岩浆岩。

地震法地球物理勘探揭示大坝轴线下的泥岩中存在许多古河道，大部分古河道与当前库纳普河道平行，应该是曾经流入库纳普河的古支流。左岸北侧发现一断层，坝址钻孔岩芯中裂隙发育的砂岩可能与此有关。地质平面图上并没有标示断层，但可能局部存在断层。

表3列出了水库区、重力坝和土石坝基以及填筑用岩土的设计参数。

表3 岩土设计参数

非洲板块的大部分地区，特别是南非地区，属于地震不活跃区，这并不意味着这个地区完全没有地震活动，只是风险相对较低。

南非地震危险性评估报告指出，地震危险性分区从小于0.05g到最大值0.24g。由国际大坝委员会推荐的用于稳定性分析的抗震设计参数如下：

(1)运行基准地震(OBE)0.05g；

(2)安全评估地震(SEE)0.24g。

3 坝型和坝顶高程选择

3.1 坝型选择

根据当时在南非修建了一座大坝的一家大型承包商提供的预估成本，考虑了4种坝型。

(1)方案1：左岸边溢洪道分区土石坝。

(2)方案2：岸边溢洪道心墙堆石坝。

(3)方案3：混凝土重力坝。

(4)方案4：河床溢流混凝土重力坝、右岸土石坝的混合坝方案。

福克斯伍德坝推荐采用方案4(见图1)，水库库容为1倍天然年均径流量，理由如下。

图1 泄洪坝段典型剖面图

(1)考虑水库库容为1倍天然年均径流量的4个方案，其中，河床溢流混凝土重力坝加右岸土石坝的混合坝方案的单位参考值最低。

(2)混凝土重力坝最适合排泄可能最大洪水和设计洪水。

(3)在方案3和方案4中，泄洪建筑物与重力坝结合，可有效下泄洪水至下游河道。而方案1和方案2需要单独布置进水塔和泄洪洞，基础埋深与防渗墙相同。

(4)在方案3和方案4中，导流建筑物布置在混凝土泄洪坝段内，比较灵活，将设计洪水标准降低到10 a一遇，考虑通过重力坝段坝顶安全泄洪。

(5)方案1和方案2岸边溢洪道消能比较复杂，水流方向和流量变化明显。

(6)由于左岸地质条件复杂，方案1和方案2溢洪道开挖深度大，需长期维护。

3.2 坝顶高程选择

根据超高要求确定坝顶高程。按照大坝安全规定，福克斯伍德坝为三级建筑物。根据南非大坝委员会(SANCOLD)大坝超高指南，按三级建筑物估算福克斯伍德坝超高值。

根据正常蓄水位615 m和设计下泄流量2 063 m3/s，计算出如下参数：

洪水超高

2.57 m

100 a一遇风浪爬高

1.32 m

风壅水高度

0.08 m

潮汐

1.00 m

地震涌浪

0.20 m

考虑以上因素，计算总超高5.2 m，对于可能最大洪水工况，坝顶超高为5.4 m，最终确定坝顶高程620.4 m。

4 大坝设计

大坝坝顶长485 m，最大坝高48.9 m。设计包括：

(1)混凝土重力坝溢流坝段，长250 m，上部布置交通桥；

(2)左岸混凝土重力坝非溢流坝段，长45 m；

(3)右岸土石坝，长190 m；

(4)进出口建筑物。

混凝土重力坝基岩体为泥岩，大坝上游面直立，下游坝坡1 ∶0.6(竖向 ∶水平)。溢洪道堰顶为弧形，下游坝坡高1.2 m台阶兼具消能，顶部布置交通桥，见图2。

右岸布置黏土心墙土坝，坝体下游侧布置滤水管和排水垫层。大坝填筑料为重力坝段开挖的河床冲积粉土、黏土和砂土。大坝上游面抛石护坡，岸顶下地基为冲积层，黏土心墙进入泥岩深度不小于3 m，典型断面如图2所示。

4.1 稳定性分析

4.1.1 混凝土坝段

混凝土坝段的整体稳定性分析，包括坝体与坝基泥岩的接触抗滑稳定性、抗倾稳定性和承载能力，坝基岩体设计参数如表3所示。稳定性分析采用美国垦务局重力坝设计指南中的荷载、荷载组合和安全系数(FOS)。分析结果表明，各种荷载组合的安全系数均满足要求。如果下阶段设计改变大坝几何尺寸或筑坝材料，则需要重新评估大坝的整体稳定性。此外，一旦确定施工方案，层间稳定性也需要进行评估。

4.1.2 土坝段

对以下几种工况下土坝上下游坝坡的稳定性进行了计算。

(1)最高洪水位620.4 m，稳定渗流情况下的上、下游坝坡稳定性；

(2)库水位从正常蓄水位615 m骤降至580 m情况下的上游坝坡稳定性；

(3)完建期上、下游坝坡稳定性；

(4)地震工况：正常蓄水位615 m、安全评估地震(SEE)0.24 g。

荷载条件和安全系数的采用遵循美国垦务局土坝设计指南要求。

分析结果表明，土坝稳定性受完建期工况控制，上游坝坡坡比1 ∶4，下游坝坡比1 ∶3，如图2所示。上、下游坝坡比由地形条件决定，下游天然地面沿整个坝轴线均比上游高出约13 m。

4.2 渗流分析

大坝渗流分析需要确定土坝坝体渗漏量和土坝、混凝土坝基渗漏量，以及帷幕灌浆范围，采用加拿大卡尔加里Geo-Slope International Ltd的SEEP / W软件进行稳态渗流分析。

4.2.1 土坝渗流分析

分析结果表明，土坝坝体渗流受坝体下游滤水管和排水垫层控制，推荐的大坝剖面渗流量和水力梯度均处于可接受范围，截水槽下的灌浆帷幕似乎 对渗流分析结果影响不大。然而，钻孔揭示在风化 岩体内可能存在接触渗漏通道，深度27 m 处压水试 验吕荣值较高。因此建议，该阶段土坝和右坝肩灌 浆帷幕应深入地面以下27 m。

图2 土坝典型断面图(上游坡比1 ∶4, 下游坡比1 ∶3)

4.2.2 混凝土重力坝渗流分析

混凝土重力坝左坝肩附近渗流分析表明，为了降低混凝土重力坝基和左坝肩出逸比降，所需帷幕灌浆深度约27 m。

5 出口工程

出口工程设计采用双管系统，以便为维护作业提供100%的冗余，并满足最大生态流量6 m3/s的要求，同时设有多个下游出水口，确保水质符合要求。虽然单条管道可满足下泄全部流量的要求，但管道设计约束条件为流速8 m3/s。

6 大坝安全计划

大坝建筑物等级为三级，其中包括一座铁路桥和下游公路桥，以及经过阿德莱德市附近的库纳普河大桥。还需制订详细的安全计划，包括完整的溃坝分析。

曹艳辉马贵生译

(译者简介：曹艳辉 ，男，高级工程师，长江勘测规划设计研究有限责任公司。)