英布魯水電站攔河壩優(yōu)化設(shè)計

英布魯水電站攔河壩優(yōu)化設(shè)計

國英國布魯姆節(jié)水中心項目位于巴泰凱高原區(qū)，規(guī)劃規(guī)模為南緯2和以東16，距剛果河和蘆溝14公里，距布拉吉爾215公里。壩址處年徑流總量152.4×108m3,年平均流量484m3/s,工程總庫容為5.84×108m3,電站裝機(jī)容量為120MW。樞紐主要建筑物由左岸土石壩,泄水閘,河床式電站廠房、右岸接頭土壩、開關(guān)站和生活管理區(qū)建筑物組成。英布魯水電站主要任務(wù)是發(fā)電,承擔(dān)剛果電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和骨干電站作用。工程等別為一等,大(Ⅰ)型規(guī)模。英布魯水電站是剛果共和國水利能源礦產(chǎn)部與中國機(jī)械設(shè)備進(jìn)出口總公司簽定的綜合交鑰匙工程,按合同要求,根據(jù)2001年合同《技術(shù)報告》的基本要求進(jìn)行詳細(xì)初步設(shè)計和施工圖設(shè)計。攔河壩為土質(zhì)防滲體分區(qū)壩,隨著設(shè)計階段的進(jìn)展和對筑壩材料的試驗研究不斷深入,土石壩斷面由二分區(qū)調(diào)整為三分區(qū),由三分區(qū)優(yōu)化為四分區(qū),最后按四分區(qū)斷面進(jìn)行施工。1地面和垂直就業(yè)權(quán)萊菲尼河流域?qū)儆谔K丹—幾內(nèi)亞的赤道幾內(nèi)亞氣候,全年分旱、雨兩季,5月中旬～9月底為旱季,10月初～次年5月中旬為雨季。雨季受東部印度洋的水汽影響,經(jīng)常發(fā)生降雨,雨量充沛。距離壩址較近的姆布亞氣象站實測氣象要素:近期1981-2002年的多年平均降雨量為1598mm;多年平均水面蒸發(fā)量為769.6mm;多年平均最大相對濕度為97%;多年平均氣溫為26.3℃,極端最高氣溫為37.6℃(3月份),極端最低氣溫為14.5℃(7月份)。壩址處年徑流總量152.4×108m3,年平均流量484m3/s,多年平均徑流深為978mm。2水庫地形及地質(zhì)條件2.1共同海上產(chǎn)品萊菲尼河在壩軸線上游800m處流向近南北,而后急轉(zhuǎn)彎呈近東西向流經(jīng)壩址。壩址附近河床寬約80m,河水位290m,最大水深8.5m。河床最低高程281.5m,最高287.4m,一般285m左右。平均坡降約為1/700。河床左岸漫灘寬50m,右岸漫灘寬約150m。漫灘高程290m左右,形成較平坦的沼澤地。兩岸均為平緩的斜坡,平均坡度小于10°。左岸山頂高程470m,右岸山頂高程570m,左岸稍陡于右岸。2.2水庫地質(zhì)勘探及當(dāng)?shù)厮畮觳牧蠅沃穮^(qū)分布的巨厚陸相沉積自下而上分別為白堊系(K)、第三系(E、N)和第四系(Q)地層。2.2.1基性薄巖ki-3壩址區(qū)揭露厚度100m,尚未揭穿。根據(jù)巖體工程地質(zhì)特征,將其自下而上分為3層:薄層軟弱砂巖(K2i-l)、中厚層軟弱砂巖(K2i-2)、薄層軟弱砂巖(K2i-3)。砂巖呈淺肉紅色、棕黃色、黃白色,主要礦物成分為石英,含有少量長石、玉髓等。巖層傾角接近水平,3層軟弱砂巖物質(zhì)組成、膠結(jié)形式等基本相同,巖體均較軟弱,組成相對較均勻,局部地段3層間的界線往往不明顯,呈逐漸過渡狀態(tài)。相對而言,中厚層軟弱砂巖巖體較完整、密實,而其上、下分布的薄層軟弱砂巖尤其是下部薄層軟弱砂巖明顯較松軟。從壓水試驗成果看,巖體普遍為中等—強(qiáng)透水性,滲透系數(shù)1.3×10-2～2.55×10-2cm/s,允許滲透比降0.3。2.2.2新三系n壩址兩岸斜坡段及其以上,均主要分布為第三系地層。老第三系(E):地表沒有出露,壩址鉆孔揭露最大厚度20m,最小僅3～5m。為黃白色中、細(xì)砂。新第三系(N):根據(jù)顏色及顆粒組成分為2層,下部為棕紅色砂壤土(N1),上部為棕黃色砂壤土(N2)。自上部棕黃色砂壤土至下部棕紅色砂壤土,黏粒含量一般略有增加,結(jié)構(gòu)漸變密實。棕黃色砂壤土表部土壤層厚1～1.5m,呈灰黑色,結(jié)構(gòu)疏松。2.2.3細(xì)砂夾卵礫石和坡積砂土壤結(jié)構(gòu)第四系松散堆積物僅在河床、漫灘及漫灘與斜坡接界附近分布,厚度不大。主要有沖積中、細(xì)砂夾卵礫石(Q4al)、坡積砂壤土(Q4dl)和坡洪積砂壤土(Q4dl+pl)。土壩清基要求:河床、漫灘中分布的第四系松散堆積物全部清除,左岸土壩壩基大部分坐落在白堊系砂巖上,左岸壩肩和右岸土壩壩基坐落在第三系砂壤土上。2.2.4天然建筑材料2.2.4.土料及擊實用量料場位于壩址西南約7km的兩條林帶間的空地上,平均可開采厚度為10m,有效儲量1020×104m3,土料天然含水率9.7%～16.5%,黏粒含量11.3%～17.9%。最優(yōu)含水率11.29%,最大干密度1.93g/cm3,天然含水率較最優(yōu)含水率高2%～3%。擊實后最大干密度1.90g/cm3時,擊實后滲透系數(shù)平均值為2.04×10-6cm/s。土料質(zhì)量滿足防滲土料的技術(shù)要求,可作為土壩防滲料料源。2.2.4.石英顆粒表面特征壩基白堊系地層為巨厚的砂巖沉積,由薄層、中厚及厚層膠結(jié)不良砂巖巖層組成。砂巖呈淺肉紅、黃白色,主要礦物成分為石英,含有少量高嶺石、方解石等。石英顆粒有一定程度的磨圓度,呈圓粒狀;砂巖呈孔隙式點接觸膠結(jié),膠結(jié)差,普遍為弱膠結(jié),開挖擾動后呈松散砂狀,以中、細(xì)顆粒為主,砂粒偏細(xì),粒度模數(shù)1.45左右,碾壓后滲透系數(shù)為1×10-3cm/s,允許滲透比降0.3,可作為壩殼填筑用料和混凝土細(xì)骨料。2.2.4.剛果河岸邊貢貝石料場距工程區(qū)215km,位于首都布拉柴維爾西南郊約15km處的剛果河右岸岸邊,呈南北向的長條形,面積約1km2。巖層為前寒武系長石石英砂巖和含礫砂巖等,巖石堅硬,完整性較好,可作為壩體反濾料和排水料料源。3水庫類型選擇英布魯水電站工程壩址附近缺少石料和砂礫料,但有豐富的土料,因而攔河壩不宜采用混凝土壩或堆石壩,而選用土質(zhì)防滲體分區(qū)壩。3.1壩體橫向排水及水平排水針對壩基為深厚強(qiáng)透水白堊系砂巖基礎(chǔ)且容易產(chǎn)生滲透變形,合同《技術(shù)報告》推薦二分區(qū)土壩。壩體上游為防滲土料,下游水下部分為防滲土料,水上部分為開挖料,在防滲土料和開挖料之間設(shè)豎向排水和水平排水。豎向排水和水平排水的設(shè)置能有效地降低壩體的浸潤線,且使開挖料位于壩殼干燥區(qū)。此設(shè)計思路利用了部分開挖料,分區(qū)設(shè)置比較合理,壩體斷面見圖1。3.2壩體斷面調(diào)整詳細(xì)初步設(shè)計階段剛方提出了必須考慮快速放空水庫的設(shè)計工況。經(jīng)計算,庫水位從308.5m快速放空至293.5m,上游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.95,遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的最小安全系數(shù)1.3。為了保證上游壩坡的穩(wěn)定,合同《技術(shù)報告》推薦二分區(qū)土壩必須放緩上游壩坡,這樣勢必增加防滲土料的用量,工程的投資增多,且受降雨影響土壩施工將更為不利。鑒于以上原因,詳細(xì)初步設(shè)計階段對合同《技術(shù)報告》中推薦的壩體斷面進(jìn)行了調(diào)整。在不改變原方案斷面基本控制尺寸的基礎(chǔ)上,調(diào)整了土壩壩體分區(qū)結(jié)構(gòu),增加壩體上游開挖料填筑區(qū),以增強(qiáng)上游壩坡在水位驟降的穩(wěn)定性,下游壩體全部用開挖料填筑,取消豎向排水和水平排水,改為下游貼坡排水,減少了施工干擾。調(diào)整后的土壩斷面為三分區(qū),壩體上游和下游為基坑開挖料,壩體中部和上游壩體的底部為防滲土料,壩體斷面見圖2。調(diào)整后的土壩斷面大大減少了防滲土料的填筑量,減少了雨季對土壩施工的影響,同時也降低了工程造價,水位驟降工況下上游壩坡的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.31,滿足規(guī)范要求。3.3在施工階段選擇水庫類型3.3.1壩體開壩砂料替代壩基開挖料工程工程開工后,由于砂石料運距較遠(yuǎn),開挖料作為摻合料和人工骨料配合使用,用于混凝土拌合和制造水泥砂磚。到土壩施工準(zhǔn)備時,開挖料存量約15×104m3,而土壩上下游壩殼總共填筑量約為33.1×104m3,開挖料存量不足,需要一定數(shù)量的替代料來補(bǔ)充。在項目區(qū)周圍經(jīng)過勘測找到左岸砂類土料料場。料場位于英布魯壩址左岸,距壩址2.7～3.3,4.1,5.8km(直線距離2.1km)的7#,8#,9#三個地段。地層為新第三系棕黃、棕紅色含細(xì)粒土砂,土質(zhì)不均。在勘察范圍內(nèi),有用層土料勘察儲量約為42.38×104m3,滿足設(shè)計用量要求。經(jīng)過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗研究,料場上下部土層的物理力學(xué)性質(zhì)相近,開挖填筑時可以混合使用。土料粉粒含量0.20%～5.80%,黏粒含量1.2%～2.5%,天然密度1.51g/cm3,天然含水率13.01%,最優(yōu)含水率14.24%,擊實后滲透系數(shù)為3.7×10-5～1.75×10-4cm/s,臨界滲透坡降0.43～0.88。防滲土料、壩基開挖料及左岸砂類土料的級配對比曲線見圖3。左岸砂類土料與壩基開挖料的力學(xué)指標(biāo)接近,滿足壩殼料的力學(xué)指標(biāo)要求。現(xiàn)場碾壓試驗表明:壩基開挖料碾壓后容易擾動松散,其物理力學(xué)指標(biāo)滿足設(shè)計要求。左岸砂類土料粒徑范圍比開挖料范圍大得多,碾壓施工簡單,適應(yīng)快速碾壓施工,作為心墻壩的壩殼料滲透性偏低。綜合分析左岸砂類土料可以替代壩基開挖料。作為心墻壩的壩殼料滲透性偏低。3.3.2壩體材料分區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)?種筑壩材料的儲量、力學(xué)指標(biāo)、滲透特性、施工難易程度和設(shè)計筑壩材料用量要求,對土壩設(shè)計斷面進(jìn)行土料平衡調(diào)整,在確保工程安全的前提下,針對不同材料的不同特性進(jìn)行分區(qū)使用,以降低工程造價,減少施工難度。調(diào)整后的土壩為四分區(qū),壩體中部和上游壩體的底部為防滲土料,壩殼料由左岸砂類土料和壩基砂巖開挖料兩部分組成。左岸砂類土料用于土壩上游區(qū)和下游區(qū)水下部分,壩基砂巖開挖料用于土壩下游區(qū)水上部分。為提高上游區(qū)左岸砂類土料的透水性,在該區(qū)利用透水性較好的壩基開挖料設(shè)置兩層水平排水,以增強(qiáng)壩殼料的透水性能。這樣調(diào)整分區(qū)后,3種筑壩材料的儲量和力學(xué)指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求。經(jīng)計算復(fù)核,水庫放空情況下,由于上游壩殼料的滲透系數(shù)減小,壩體浸潤線的降落比原分區(qū)壩緩慢,對上游壩坡穩(wěn)定不利;為了使上游壩坡在水位驟降工況穩(wěn)定滿足要求,在高程297.0m設(shè)2m寬馬道,高程297m以下壩坡減緩為1∶4。調(diào)整后四分區(qū)土壩上、下游壩坡的最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各種工況下均滿足規(guī)范要求。四分區(qū)土壩壩體斷面見圖4。3.3.3壩體幕墻深度巴泰凱高原自中生代以來堆積了巨厚的陸相沉積物,萊菲尼河流域沉積厚度約為600m,壩址區(qū)揭露厚度100m,尚未揭穿。從地質(zhì)資料看,本工程基礎(chǔ)下部較大深度范圍內(nèi)未見相對不透水層,壩基下K2i-2和K2i-1兩層的透水性沒有隨埋置深度的加大而減弱的趨勢,兩層白堊系砂巖的滲透系數(shù)均在10-2cm/s左右,本工程基礎(chǔ)屬無限深透水基礎(chǔ)。為確定設(shè)置壩基帷幕的作用,采用不同帷幕深度對壩體和壩基滲漏量及壩趾處滲流比降的影響進(jìn)行了分析計算,計算結(jié)果見表1。計算結(jié)果表明:壩基為深厚強(qiáng)透水基礎(chǔ),8m深的帷幕對減小壩基滲漏量和出逸比降作用不顯著?，F(xiàn)場灌漿試驗也表明:基礎(chǔ)可灌性差,基本不吃漿。與業(yè)主和咨詢工程師商議后,取消帷幕、保留齒槽,把內(nèi)鋪蓋向上游延伸20m,鋪蓋由上游向下游逐漸加厚,前端最小厚度1.5m,末端最小厚度3m,施工中嚴(yán)格控制齒槽內(nèi)填土的碾壓質(zhì)量。4壩體防滲分區(qū)針對壩基為深厚強(qiáng)透水白堊系砂巖基礎(chǔ),最后選定壩型為厚心墻內(nèi)鋪蓋四分區(qū)土石壩。壩體中部和上游壩體的底部為防滲土料,內(nèi)鋪蓋最小厚度為5m,壩殼料由左岸砂類土料和壩基砂巖開挖料兩部分組成。左岸砂類土料用于土壩上游區(qū)和下游區(qū)水下部分(293.50m高程以下),壩基砂巖開挖料用于土壩下游區(qū)水上部分。上游壩殼設(shè)置兩層水平排水,以增強(qiáng)壩殼料的透水性能。此種分區(qū)設(shè)計,壩體滲透性由中部向上游和下游逐步增大,各土層之間滿足反濾要求?？紤]壩體后期沉降,土壩壩頂高程311.70m,最大壩高約32.5m。壩頂寬度為7m,向下游側(cè)放坡,坡度2%。壩頂上游側(cè)設(shè)1.2m高的混凝土防浪墻。上游壩坡從上往下為1∶3、1∶4,在高程297.00m設(shè)2m寬的馬道;下游壩坡從上往下分別為1∶2.5,1∶2.75,1∶3,1∶3.5,在高程303.50m設(shè)3m寬的馬道,貼坡排水頂部高程297.50m設(shè)4.6m寬的馬道。心墻頂部寬5.7m,在高程291.0m寬34m,心墻上、下游坡度均為1∶0.7;心墻頂部局部擴(kuò)寬使防浪墻和防滲體緊密接觸。心墻和壩殼之間滿足反濾要求,不設(shè)反濾層,下游壩殼和基礎(chǔ)亦滿足反濾要求。為防止?jié)B流在出逸處發(fā)生滲透變形,在壩體下游設(shè)貼坡排水,貼坡排水頂高程297.50m,超出浸潤線出逸點2m,滿足波浪爬高要求。上游坡為抵御風(fēng)浪和保證水位驟降時上游坡的穩(wěn)定采用干砌石護(hù)坡,高程304m以上干砌石厚度40cm,下設(shè)40cm厚的反濾;高程304m以下干砌石厚度20cm,下設(shè)30cm厚的反濾。下游坡采用草皮護(hù)坡。5優(yōu)化后的土壩斷面和施工組織(1)英布魯水電工程壩址附近石料和砂礫料匱乏,考慮壩址附近有豐富的土料,壩基開挖中