馬來西亞沙撈越河本歐壩的研究與設計

［英國］A.C.莫里森 ［馬來西亞］R.K.W.林 D.A.然谷

夏智翼 譯自英刊《水電與大壩》2010年第2期

古晉市位于西婆羅洲的北部海岸，靠近沙撈越河的河口，該河與中國南海在這里形成三角洲。2003年，在對本歐壩水源進行研究時，古晉市區的人口已達到50萬以上，并且預期至2030年將超100萬。古晉市區旅游業和工業的有計劃發展預計需要更多的凈化水。水的需求量正在迅速增長，年增長率超過8%，這是因為個體用水量的增加，以及更多外圍地區也連接到供水系統上來。

沙撈越地區的供水是一種政府職能，由古晉水利委員會(KWB)及公共工程管理局(JKR)來管理。早已認識到該市需要額外的水資源供應，自20世紀80年代以來，已經進行了一系列研究，1997年的總體規劃研究達到高潮，這項研究旨在開發新的水資源，以滿足該市對水的計劃需求。

供水工程的一個重要組成部分是古晉以南約40km處現正在興建的本歐壩。本文討論了該壩的規劃和設計情況。

1 古晉市區供水工程的開發情況

古晉市區最早供水來自現已廢棄的市內水庫，其主要供應對象是公園，后來被馬登(Matang)供水工程所取代，1957年馬登供水工程又得到了補充，從古晉市上游沙撈越河的支流沙撈越基里河取水，水處理工作在巴圖基堂水處理廠(WTW)進行。該廠位于沙撈越基里河和沙撈越卡南河交匯點的緊上游，并處在沙撈越河鹽水侵入指標達到正常限度處的上游。

沙撈越基里河流域被指定為受保護的供水流域，該流域的開發受到限制以防止水源受到污染。沙撈越卡南河的情況則并非如此，當地高濃度的砷，以及沙撈越卡南河流域一黃金開采點存在的氰化物意外泄漏的潛在風險曾一度受到關注。

1997年建成的古晉攔河壩橫跨沙撈越河河口，旨在減少潮汐的波動，使沙撈越河至古晉河段形成一座淡水水庫，并減小極端潮汐期間潮洪淹沒程度。實際上，已經發現因水質方面的原因，在自然河川徑流量較低時必須先泄放該水庫中的水，然后再給水庫充水。由于攔蓄水質量差并且鹽分高，因此更加重了對建壩以來從沙撈越河到供水工程進水口的潛在回流的擔心。

2 先前的開發研究

1983年，實施了一項對古晉及周邊地區至2010年的供水發展總體規劃。向更加廣闊地區供水的水源包括一些小型水處理廠。然而，主要的水源來自于巴圖基堂水處理廠，在該處的取水量已逐漸增多，并且根據河流的自然產水量，該水處理廠規模擴大，以滿足日益增長的用水需求。人們意識到，這個水源是有限的，應采取如下措施來補充水源:

(1)考慮從其他河流流域額外供水;

(2)限制當地地下水開發的潛力;

(3)在沙撈越基里河河道中的堰后提供調節蓄水量;

(4)考慮在沙撈越基里河流域修建一座調節水庫，并建議將本歐壩作為河流調節水庫的一個合適的地點;

(5)在沙撈越卡南河上建緊急抽水取水口以便抽水供應巴圖基堂水處理廠。

這些研究結果已被納入“古晉供水總體規劃研究”。建議的補充水源發展計劃包括在2005年之前在巴圖基堂進水口的下游修建一座堰，以及在2010年之前修建本歐壩。

1997年就強調需要建設這些工程，從沙撈越河到供水水源進水口的回流導致鹽水入侵到進水口和對巴圖基堂水處理廠水質的擔心。這一年為接近50a一遇的干旱年。

作為KWB巴圖基堂地區原水資源安全產量研究的一部分，該總體規劃已于2000年經過審查。總體規劃評述了古晉攔河壩的運行情況，并指出由于水質問題壩后蓄水不能用來供水，以及為防止鹽水入侵應在巴圖基堂取水口下游修建一座堰。同時也評述了沙撈越卡南河的水質，并建議由于目前沒有實際的黃金開采行動，由氰化物污染所帶來的風險小到可以接受，而且通過開發這一水資源，包括在河上修一座堰，2020年以前都不需要修建本歐壩。然而，出于對水質的擔心，以及在河上建堰有加劇沙撈越卡南河泛洪的風險，最終決定在2010年以前將繼續推進本歐壩的開發。

2003年，公共工程管理局授予得到英國合樂集團(Halcrow Group)支持的科索沃信托局(KTA，沙撈越)一份本歐壩的評估研究、大綱和詳細設計合同。其目的是開發水資源以滿足古晉市區到2030年的用水需求。

3 水資源需求預測

評估報告考慮到了先前研究中提出的對水資源的需求預測與實際的水資源需求增長不符。記錄顯示，1990～2002年，由KWB提供的水量平均年增長率為8.2%，從1990年的11000萬L/d增長到2002年的28200萬L/d。在此期間，供水連接次數幾近翻倍，而每次連接的需求均增長了26%，達到1910L/d(每次連接供水量)。1997年的總體規劃對未來可得到的需水量做了最詳盡的研究。這次規劃雖然只涵蓋KWB地區，但專門為按計劃的工業增長以及生活供水連接和人均需水量隨時間增加留有余地。它也包括到2010年以前為古晉周邊郊區農村地區提供經過處理的水的已有計劃。

該項目采納了由1997年供水總體規劃中提出的KWB轄區中等增長的預測，并加上了向不受KWB市區管轄的古晉周邊其他地區供水(約為古晉市區需求水量的10%)，并留有5%的余地，以滿足預期需求量。根據預測，從2005年至2030年水需求量將增加4.6倍，而且這還是保守估計。

4 沙撈越基里河流域水資源狀況

巴圖基堂水處理廠進水口以上的沙撈越基里河流域面積約633 km2，其中大部分屬農業區，且是陡坡和草木茂密的次生林和木本作物，而非固定的農業。部分上游流域是原始森林，沙撈越河流域降雨記錄顯示，平均年降雨量約4000mm。

沙撈越基里河流量數據的主要來源是位于基特村(Kg Git)的測量站，它擁有440km2流域面積28 a的有用記錄。這是所有過去評估該流域水量研究的主要數據來源。

本歐河是位于基特村上游的沙撈越基里河的一條支流，流域面積約127 km2。2000年，曾經打算在本歐河上緊靠該河與沙撈越基里河匯合處上游設立一個測量站，但是從該處的水位記錄沒有得到任何可用的流量數據。

將基特村測站的流量記錄用于巴圖基堂水處理廠后經分析得出，若遇50a一遇干旱年，7a的平均流量約為40000萬L/d，這是建議的直接提取供水水源的馬來西亞標準。在2004年所建進水口的下游設堰蓄水就會增加取水量。

將基特村測站的流量數據按面積比例換算以便為本歐壩和巴圖基堂以上剩余的流域提供合成流量，并用一個水資源聯合模型來評估本歐壩水庫的蓄水量，該蓄水量是為巴圖基堂地區假定在2030年時遭遇50a一遇的干旱時提供用水需求所必須的。滿足這一要求的蓄水量為13300萬m3。要求從大壩下泄的最大流量為21 m3/s。

水資源模型假定水庫在干旱周期初始已蓄滿，對于不屬于這種假設情況的風險通過考慮由其自然集水區的水重新蓄滿水庫所需要的時間來加以評估。這一分析得出如下結論:大約在2025年以后，存在水庫在正常雨季后蓄不滿的很大風險，而重新蓄滿水庫則需要在沙撈越基里河和本歐河的匯流處回抽沙撈越基里河的洪水流量。預計一旦明了未來用水需求的增長情況，即會詳細考慮這一開發計劃。

本歐壩址處水庫的水位－蓄水量曲線根據現有的1∶10000比例尺地圖的等高線繪制。壩址處的河床高程約為24 m，最小運行水位約在53 m高程(相應庫容約1000萬m3，或為死庫容的7%)，水庫最高水位高程為80m時，可提供流量調節所需的庫容，總蓄水量為14400萬m3，正常蓄水位(FSL)的庫面面積為8.87 km2。

5 大壩開發研究

5.1 本歐河流域

本歐河與三寶壟河(Sg Semadang)在本歐村匯合形成沙撈越基里河。匯流處河床高程約為18 m，距河口約70km。從匯流處開始，本歐河的河床經過2 km上升到約30m高程。本歐河的這一河段是兩岸陡峭的深V形河谷、其特點是深潭與險灘交替出現，在河岸以及河床處巖石露頭清晰可見，是典型的山區河段。在其上游，地形較為平坦，在上升到高地之前，擴展成一個不太深切的盆地，這種高地形成了與印度尼西亞的國際邊界。該庫區以及現有村莊周圍地區由交替栽培的次生林所覆蓋，然而在高地主要是原始雨林。

因為壩址狹窄，上游盆地較為開闊，通過修建一個相對較小的壩就能夠提供一個蓄水量巨大的很經濟的水庫。

5.2 通 道

對于此工程來說，進出交通是個特別的挑戰。盡管通向本歐村的道路較為暢通，但再往前通向大壩的道路一開始就被河流所阻斷。所有早期的進場，包括現場調查，都是靠步行。

進入壩址的通路一直是該工程設計要考慮的一個主要方面，包括一座新建橋梁和大約1.95 km長的道路，其中一部分建在非常陡峭的山坡上，需要進行大范圍的邊坡支護，但仍舊沒有通向集水區或者庫區的道路。

5.3 地質情況

本歐河流域的峽谷河段貫穿了下游的加央(Kayan)構造，包括沉積砂巖夾層和交錯層，卵石礫巖和泥巖。壩址附近，巖層傾向上游方向，傾角約為45°～65°，與選擇的壩軸斜交約45°。單個巖層厚度范圍從幾毫米到幾十米不定。砂巖是最硬的巖層，形成河流陡峭的截面。泥巖或者軟弱的頁巖巖層趨向于很快地風化并控制著巖體的滑動性能。河谷兩側風化深度通常為20m。未風化的區域，以砂巖為主，適合于修建大多數類型大壩。

地質調查包括地表測繪，鉆孔勘測以及兩地實驗測試，包括所選壩址處12個最深達80m的鉆孔。初步的地質評價包含在2003年KTA發布的評價報告中，更深層次的調查研究和地質解譯包括在2004年和2009年KTA發布的工程設計報告中。這些地質勘測和試驗證實了混凝土重力壩的選址合適，并為大壩基礎設計提供了數據。

5.4 地震活動

地震記錄表明該地區為弱地震活動區。在大壩設計中采用0.1 g的地震標稱峰值地面加速度，但事實證明這并非是關鍵的設計標準。

5.5 地形測量

為大壩和交通道路選址的詳細地形測量已完成。此外，為了確定水庫面積，對FSL和最大設計洪水位上的等高線進行了測量，并對庫區范圍內一系列選定的橫斷面進行了測量。對壩址所做的詳細測量表明:一些地方在1∶10000的地圖上的等高線要比其實際地面高程高出10m以上。據稱，出版的地圖以航空照片為基礎，差異反映了植被覆蓋密度。壩址和庫區測量已經通過地面測量方法完成，并需要減掉茂盛的次生林對視線的影響。

測量結果表明，FSL為80m時的水庫水面面積為10.2 km2，與根據地圖等高線計算出的面積相比增加了15%。但蓄水容量不止增加這么多，雖然所完成的測量工作還不足以確定準確的蓄水容量。這項詳細測量工作將在清除庫區植物后完成。已經決定不降低水庫的FSL，而是留出預計的附加的蓄水容量作為壩址和巴圖基堂之間河流生態環境需水和輸水損失的一個余裕量，這些生態環境用水和輸水損失并沒有被包含在資源模型中。因此，FSL被維持在高程80m處。

5.6 環境影響

2007年3月，馬來西亞沙撈越大學發布了該項目的環境影響評估(ELA)。在此基礎上，2008年2月該項目獲得了環境審批。環境問題涉及如下幾個方面:

(1)大壩設計和安全;

(2)土壤侵蝕和泥沙淤積;

(3)空氣和水污染控制;

(4)廢物管理;

(5)生物資源保護;

(6)水庫準備工作;

(7)社會經濟、衛生和安全方面;

(8)環境監測和審核，以及場地清理。

水庫蓄水前生物量清除和處理以及控制水土流失是一項特殊要求，也是開展潰壩影響評估和擬定大壩下游區應急響應預案所做的一項準備工作。

5.7 移民安置

移民安置被認為是該項目的重大問題。經確定，4個村莊在集水區內，其中兩個基本上位于水庫內，一個部分在水庫內。這3個村莊都將因修建水庫而失去高程較低的農業土地，這使當地居民可能不能再繼續進行農業生產。第4個村莊遠離水庫，基本上不受影響。估計表明，大概1100人將需要被重新安置。所有這些村莊都沒有道路，只有一些步行小道可以出入，有小學、教堂及其他社區服務。

移民安置是沙撈越州政府的責任。在項目開發過程中，有關重新安置和補償的廣泛討論和談判一直在進行。將一個安置點設在相鄰的流域內已經達成了協議，道路和房屋正在修建中。但是，移民安置似乎是水庫蓄水計劃中的控制因素。

5.8 水力發電

最初設想將水電作為本歐壩開發中的一部分。經評價研究得出，3 MW的裝機容量最初能夠使24 h的電力輸出有95%的保證率。然而，由于供水需求量向著預期目標發展，枯水年的水電可靠性將近減少50%，因為盡管在水庫水位下降到很深以后，水庫能得以抽水回灌，但已沒有流量可用于水力發電。需要有一條新的高壓輸電線路將產生的電力輸送到古晉的電力系統。在項目的設計階段，KWB和沙撈越供電公司(SESCO)都對水電開發項目不感興趣，因而在大壩設計中不包括水電這一項。但是，擬定了一個改造最初泄水管道中3 MW裝機的臨時方案。

最近的審查確認，利用相同的資源，6 MW裝機，12 h峰荷發電開發方案有著明顯的優勢，下泄流量經巴圖基堂取水堰調節后用于供水。這種方案本來能夠在需水量增加的情況下更好地利用設想的較大調節流量，但這將需要有比供水輸水量所需要的更大的進水和出水管道。增加進水口的方案在經濟方面對SESCO并無吸引力，因而并未被采納。

6 工程設計

6.1 壩型和選址

對本歐峽谷中的4個壩址考慮了碾壓混凝土重力壩、土壩、粘土心墻堆石壩和混凝土面板堆石壩4個選擇方案。其中兩個選點位置的特點是，溢洪道、泄水孔和導流設施可以建在河流的彎段，這更適合于土石壩。通向大壩道路的建設成本已在評估這些方案時加以考慮。最遠的上游壩址可修建一座高度較低、成本稍微低廉的壩，但是道路成本明顯較高，因而，這些工程即使被建設也會推遲。

選定的壩址位于可行性研究中確認的選點的上游約250m處。該壩址最經濟的選擇方案是碾壓混凝土重力壩。壩基最低高程為23 m。溢洪道堰頂高程為80.0m，壩頂高程為86.2 m，最大壩高和壩頂長分別為63.2 m和267.0m。

6.2 河道導流

最初設計中河道導流采用了每箱寬4 m、高4.5 m的雙箱涵洞的形式，位于大壩左壩肩處的基巖上。這一導流方案再加上位于42 m高程處15 m高的上游圍堰可以抵御10a一遇365 m3/s的洪水。當河道導流完成時，在導流涵洞內必須設置泄水管道。

施工期間，在壩體中增設了第3個類似的孔口，以防止在壩體筑高到超出圍堰高度后遭到最大100a一遇洪水時回流洪水淹沒壩上游現有的村莊。

6.3 溢洪道

采用了一種具有臺階下游面的壩頂溢洪道，旨在洪水不漫過壩頂的情況下通過可能最大洪水(PMF)。PMF的峰值流量確定為2420m3/s。在62 m長的溢洪道堰頂上演算這種洪水，演算得出的溢流流量為1800m3/s，堰頂以上洪水上漲5.8 m。階梯溢洪道有望在10a一遇洪水時削減75%的水頭，通過PMF時，其消能率減少到45%。

該處河谷不對稱，溢洪道堰頂長大于下游河道的寬度。因此，在設計階梯溢洪道時，要考慮位于大壩下游兩個壩肩上的不對稱邊渠，以便將下泄流量輸送到河道中。該方案的最終布置由一個1∶35比例的物理模型試驗所確定。下游導流墻高度的選取要能保證抵御1000a一遇洪水，并在應對PMF時仍有較小的裕度。在下游混凝土護坦上設置了消力墩，以保證在壩趾處形成穩定的水躍。

6.4 泄水孔

設計取水系統以便通過一個多級進水口下泄最大達21 m3/s的流量到大壩下游的河流中，取水系統的最小運行水位為55 m。進水建筑物采用五級進口的干井形式，輸送給位于其中一條導流涵洞上面的一個單獨的1.6 m直徑的豎管。該管道通過一個有罩蓋的固定噴口錐形閥泄水到下游的涵洞。進水建筑物的每個進水口由提供給上游檢修門的閘閥所控制。一個提升式D型攔污柵設置在操作進水口的閘門軌道上。

除了上述取水孔以外，在第2條導流涵洞中還設置了一個直徑為1.6 m的底孔，利用與上述取水孔類似的布置泄水。該泄水底孔也有一個提供給檢修門的1.6 m的上游閘閥。通到底孔的孔口位于圍堰的下游，包括一個固定的攔污柵。環境流量出水口設置在取水孔和底孔管道上，每一個都能在最低運行水位時通過針型閥下泄1 m3/s的流量。

取水孔排放和底部泄水孔聯合運行，針對最大的(1月份)月平均入流量能夠使水庫水位從最初的正常水位每天降落約0.4 m，并能在45 d內排空90%的庫容，達到最低運行水位。

6.5 大壩結構設計

大壩設計成重力壩斷面以保證在正常和極端洪水以及地震荷載作用下保持穩定。壩體有一個上游垂直面，上部坡比為0.78∶1，下部坡比0.9∶1，以減小壩基接觸部位的拉伸荷載。非溢流壩段做成8 m寬以保證碾壓混凝土施工方便。截面的應力和撓度的校核是利用ANSYS軟件進行了有限元分析。

在上游壩踵處規定進行固結灌漿，一道傾斜帷幕灌漿深入到大壩上游面基礎之下約40m?；A和壩體內的排水帷幕與壩段的廊道系統相連接。大壩和相關建筑物需要大體積混凝土和碾壓混凝土的總量約為160000m3，另外還有15000m3鋼筋混凝土用于河道導流建筑物、泄水孔建筑物和溢洪道。

7 項目實施

2007年8月，一份實施項目的交鑰匙合同由JKR授予奈姆薩德讓私人有限公司(NCSB)。在合樂集團提供的援助下，KTA負責工程設計和施工監理。橋梁和進場交通道路的選址工作于2007年9月開始。NCSB與中國水利水電建設集團公司(Sinohydro)簽訂了大壩建設合同，2008年3月進行了大壩清基工作。由于2008年8月和9月異常的洪水，導流施工被迫延遲，采石場的開發也因進場路線受到法律的約束而一度中斷。然而，這些問題已經成功得到克服，大壩碾壓混凝土澆筑于2009年6月開始。

選定的碾壓混凝土骨料是巴烏石灰石，在距壩址3 km的范圍內建了一個新的采石場和骨料加工廠為大壩施工加工和提供骨料。取用古晉的水泥和粉煤灰作碾壓混凝土混合料試驗以確定碾壓混凝土的設計配合比，這種配合比含有60kg的水泥、120kg的粉煤灰，以及0.6%的減水劑，水與膠結材料的比約為0.5。試驗有較小的分離度，修正后的貝氏值達8～15 s，在指定的91 d里，平均抗壓強度達35 MPa(N/mm2)，這明顯高于指定的15 MPa的特征強度，但由于減少水泥用量，提高粉煤灰水泥含量以保持膠結材料總量不變，這樣幾乎沒有節約成本，水化熱指標在規定的范圍內，承包商選擇了不改變經批準的設計配合比。初凝時間為10～14 h，終凝時間為24～36 h，以便于大多數澆筑層在“熱”縫或“暖”縫的情況下進行澆筑。在規定的最高澆筑溫度(30℃)情況下實測的最大溫升約為14℃。碾壓混凝土的平均密度約為2450kg/m3。

截止到2009年12月，該工程施工已完成55%以上，超過50%的碾壓混凝土已澆筑到壩體中。最近的平均施工速度一直保持在大約20000m3/月。在自然資源和環境局批準“生物量去除方案”(Biomass Removal Plan)后才能開始庫區植被的清理工作。該項目的建設計劃于2010年12月大體完成，但蓄水很可能因庫區清理和導流涵洞中泄水孔工程的竣工而延遲，這項工作要等到移民安置工作就位以后才能完成。