埃及新艾斯尤特壩規(guī)劃建設方案

［德國］R.沃克 等

20世紀60年代，自尼羅河上的阿斯旺高壩建成后，尼羅河河勢發(fā)生了較大改變，使原建的一些老建筑物下游的河床加速刷深，導致壩下水位下降，在枯水季節(jié)建筑物上下游的水位差變大。因此很有必要修建新的水利樞紐以代替原來的建筑物。在更高水頭的作用下，這些建筑物的基礎可能發(fā)生滑動和內部受到侵蝕，20世紀70、80年代期間，人們就已開始擔心其安全度會降低。過低的下游水位會使下游護坦受到更大程度的水力沖刷，因此而擔心護坦和深沖刷坑的破壞會進一步降低建筑物的穩(wěn)定性。對所有3座老堰壩曾經提出過在原地修復的比選方案，但根據(jù)綜合可行性研究結果，這一方案未被采納。

1 艾斯尤特壩

1898～1902年，為了將尼羅河水引至易卜拉欣米亞(Ibrahimia)運河，修建了艾斯尤特壩及其配套的渠首控制建筑物。該壩是在尼羅河主河道上修建的首座大壩，此后才修建了老阿斯旺壩和開羅壩;1907年修建了伊斯納(Esna)壩，1930年修建了納加哈馬迪(Naga Hammadi)壩。這些壩不僅在過去幾十年中從未間斷地將尼羅河水引入農田灌溉渠系，還形成了開羅至阿斯旺間的巨大通航水道。

艾斯尤特壩實際上是一座大型水閘，共有111個拱形閘孔，每孔寬5 m，閘墩置于混凝土底板上。閘門為吊裝式雙葉滑動閘門，由閘門的啟閉來控制水流下泄。左岸布置有一座寬16 m的船閘，壩肩之間的壩總長820 m。臨近的易卜拉欣米亞渠首控制建筑物與艾斯尤特閘類似，只是規(guī)模小些，只有9孔閘和一座寬9 m的通航船閘。

2 新艾斯尤特壩規(guī)劃

新壩的規(guī)劃工作從1980年開始，包括修建1994年完工的新伊斯納壩及其電站，2008年完工的新納加哈馬迪壩及其電站。

德國復興信貸銀行(KfW)致力于全球新能源工程的開發(fā)，艾斯尤特壩的大部分前期規(guī)劃和可行性研究工作得到了該銀行的資助。在2007年，埃及政府對KfW銀行提供了貸款擔保，用于在老艾斯尤特壩下游修建新壩及水電站，電站計劃裝機32 MW。

2000～2005年，埃及水利和灌溉部水庫和大壩司聘請國內和國際咨詢公司，按照KfW標準對該工程進行了可行性研究。研究結論認為，老壩壩址修復在技術上是可行的。同時，對修建于原壩下游、包含電站的新壩的5種布置方案也展開了研究，結論是這5種方案在技術上也是可行的。

各方案造價相互接近，原壩修復方案只比新修壩方案造價便宜8%。若贊成新修壩方案，則應根據(jù)水工物理模型試驗結果做出有關優(yōu)先選用布置方案的最終決策。

2008年初，水利和灌溉部水庫和大壩司與艾斯尤特工程開發(fā)咨詢公司(ABCD)簽訂了咨詢合同，

合同規(guī)定由該公司負責新壩工程的招標設計、招投標文件的草擬、社會和環(huán)境影響的控制及工程建設監(jiān)理。艾斯尤特公司是由3家單位共同注資組建的合資公司，分別是德國拉美爾(Lahmeyer)國際咨詢公司和RMD咨詢公司，以及法國的阿爾特利亞(Artelia)公司。工程已于2012年5月開工，計劃工期5 a。

3 水工物理模型試驗研究

2008～2009年，在開羅埃及水利科學研究所(HRI)試驗室內，對新壩的幾種布置方案開展物理模型試驗。按1∶45的比尺建造了一個尼羅河定床模型，模型材質為混凝土;模擬河段長5 km，其中現(xiàn)有艾斯尤特壩上游河段長1 km，下游河段長4 km。模型河床依據(jù)HRI在2009年9月測量的水下河床地形資料復制，模型率定采用HRI在3種情況下的實測流速數(shù)據(jù):2006年8月的大流量、2007年1月的小流量以及2007年4月和2009年9月的平均流量工況。

新壩選址受到某些條件的限制。已確認的幾處可能的壩址，均位于建壩的上游或下游較近處。但是，老壩上游方向城區(qū)以外的一座壩，則需延長易卜拉欣米亞灌溉水渠并改線，且要重新修建渠首建筑物;而下游方向城區(qū)以外的一座壩則會導致水庫向下游延伸，并抬高人口密集區(qū)的水位，可能會使建筑物下沉及地下室和地下設施被淹。最終，選擇的新壩址在老壩下游約400 m處，在河道中抽干的開挖基坑上修建主要建筑物。將新壩址選在如此靠近原壩下游的位置，主要基于以下考慮。

(1)在新壩基礎開挖期間，使原壩失事風險降到最小。

(2)減少可能流入施工基坑中的進水量。最終選定的新壩位置和布置方案可降低圍堰、防滲墻、基坑開挖以及排水的成本。

另外還要求在施工期，應保證尼羅河上行和下行通航不中斷;盡量減少跨河交通中斷的時段。

模型試驗中，水流情況按2個階段加以評估:①河道水流繞過施工基坑的導流期;②大壩完全建成后的運行期。

依據(jù)模型試驗結果，考慮到規(guī)劃及成本，選擇的新艾斯尤特壩建筑物包括:1座有2個閘室的通航船閘，閘室寬為17 m，有效長為156 m;1座安裝4臺燈泡機組的發(fā)電廠房，每臺額定容量為8 MW;在發(fā)電廠房一側設置2座泄水閘，其中1座有5扇弧形閘門，另1座有3扇弧形閘門，閘門寬為17 m;1段封堵導流河道的合龍壩，其主要防滲結構為塑性混凝土防滲墻;1條有4車道的跨河交通道路。

壩的首要任務是雍高庫水位，以保證易卜拉欣米亞水渠在灌溉需水高峰季節(jié)的引水流量達到440 m3/s，其次是提供一定的庫容滿足防洪和灌溉需要。雖然水力發(fā)電具有較高的經濟和環(huán)境效益，但只被看作是大壩的次要任務。按照大壩運行調度計劃，發(fā)電廠年均發(fā)電量為230 GW·h，相比于效率低下的老火力發(fā)電廠，可減排二氧化碳12.5萬t。

在洪峰來臨時，泄水閘最大下泄流量可達7 000 m3/s，在該流量下庫水位不超過歷史最高水位52.8 m。在正常運行期間，泄水閘要泄放一定的流量(超過電站泄流能力的部分)供下游灌溉。在下游灌溉用水高峰期間，除利用電站下泄流量外，其余部分均通過泄水閘下泄，此時僅通過泄水閘的灌溉用水流量就達1 000 m3/s。

相比原壩較寬的泄水閘(110孔，每孔寬5 m，共550 m)，新泄水閘將流量集中在一個很窄(8孔，每孔寬17 m，共136 m)且更深的過流斷面上，為了防止泄水閘對下游產生沖刷，對緊靠泄水閘門下游的消力池布置方案做了仔細研究。最終采用的是在泄水閘底檻后設一斜坡連接消力池，在消力池末端設一臺階與其后的長混凝土底板連接(圖1、2)。在一個長試驗水槽中，按1∶21的模型比尺對上述布置進行了驗證，目的是將混凝土板末端處底流速和大體積紊動盡可能降到最小值。

圖1 泄水閘剖面示意

圖2 消力池末端陡坎、混凝土護坦示意

水閘上下游的水位特點，決定了消力池運行的水力學條件為低弗氏數(shù)和淹沒水躍。

相比高弗氏數(shù)時的自由水躍，少有文獻研究低弗氏數(shù)情況下淹沒水躍的水力學特性。從僅有的研究文獻可以得到以下結論:①淹沒水躍長度比自由水躍長很多;②淹沒水躍前半段底流速很快，但到下半段后迅速并顯著減小;③在低弗氏數(shù)情況下，淹沒水躍的消能效果比自由水躍更好;④在低弗氏數(shù)情況下(＜10)，當淹沒系數(shù) s在0.4～0.5范圍時，消能效果最好，其中s=(twl－yc)/yc，式中，twl為下游水深，yc為水躍的共軛水深。

為設計出較經濟的消力池，對幾個備選方案在水槽中進行了比尺為1∶21的對比試驗，最終采用的消力池布置尺寸見表1。試驗中對一些細節(jié)也進行了研究，比如消力墩和末端陡坎的形式(圓弧形邊緣、直角邊緣、外凸型等)，具體結果見表2。

表1 消力池尺寸

表2 消力墩和末端陡坎布置

4 數(shù)學模型研究

在做物理模型試驗的同時，還進行了數(shù)值模擬研究，主要研究船閘充泄水系統(tǒng)、電廠泄流量突然變化導致的水面上升和下降涌浪，以及導流布置。此外，還對河床施工基坑中需抽排的水量進行了估計，該基坑面積達180 000 m2，外圍是高7 m的環(huán)形圍堰。圍堰中的隔水層是深40 m的黏土連續(xù)墻，它穿過的河床地層包含粉砂層、砂礫石以及淤泥土夾層。

基坑排水前，對下部地層的滲透性開展了研究，并由此估計出基坑抽水量，各種估算結果如下:

老壩下部沙地層測得的平均滲透系數(shù)為9.15×10－6m/s(2000年);通過離岸鉆孔試驗測得的平均滲透系數(shù)為1.45 ×10－4m/s(2002、2004 年);計算中采用的水平滲透系數(shù)取 2.5×10－5m/s(2002年);計算中采用的豎向滲透系數(shù)取7.14×10－6m/s(2002年);計算中采用的平均滲透系數(shù)為1.5×10－4m/s(2005年)。

以往的研究公認滲透系數(shù)的各向異性，但沒有提供如何對其評估的任何資料。在目前的規(guī)劃階段，是用二維和三維數(shù)學模型估算基坑排水所需要的抽水速率。結果表明，抽水量范圍為124 000～408 000 m3/d，與滲透系數(shù)的假設有很大關系。由于在基坑防滲墻底部存在一個水平向的礫石含水層，所以應將要求的抽送率擴大到1.5倍。

5 社會和環(huán)境規(guī)劃

新壩將修建在鄰近艾斯尤特市的尼羅河上，該市人口約80萬。為此，KfW要求必須嚴格按照國際大壩委員會的指南進行社會與環(huán)境影響評估，包括已確認的主要負面影響:施工期間臨時土地占用、原壩過橋交通中斷1 a，施工噪音、灰塵和交通量的增加。工程永久占地很少，只有1.4 hm2，臨時占地較多，達35 hm2，主要是農耕地和園藝用地，已確認了這些土地的7位擁有者和77位土地使用者。依據(jù)當?shù)胤ㄒ?guī)和土地出租收益，對7位土地擁有者進行補償，而對另外77位土地使用者，則按照土地收益評估結果對其進行補償。

6 合同安排

為了順利推進艾斯尤特壩工程，業(yè)主方指定了專門的咨詢公司，對保證工程順利實施的各種可能的合同安排方式進行研究，為此還召開了“合同專題研討會”。在研討會上，提出了2種比選方式，即整體單包和分成幾項承包。

業(yè)主的主要目標是:保留充分的權力，根據(jù)質量或性能最好且報價最低的原則自行選擇個別的承包商;盡量限制自已參與個別的和整體的合同計劃管理，以及各合同責任區(qū)段間的協(xié)調，從而盡量減少由于個別承包商不遵守合同而造成不良效果、致使增加造價和耽誤工期的負面影響。

考慮到現(xiàn)在國際水電設備市場已相當健全以及水電設備供應廠商不愿與土建施工方組成合資公司，因此在招標過程中，幾乎沒有考慮邀請由水電設備供應商和土建施工方預先組成的合資公司參與投標過程。

艾斯尤特工程的幾個分包合同為:①標1為土建工程;②標2為泄水道和船閘的水力機械設備，以及電站廠房閘門和疊梁門;③標3為燈泡式水輪機、發(fā)電機及電站的水力機械設備;④標4為電站和開關站的電器設備。

針對分為幾個合同承包的招標方式，也產生過爭論。對于業(yè)主來說，分為幾個合同包單獨招標的方式能使價格和質量有更大的透明度，對做選擇有更大的靈活性，且無需被迫接受有部分低下質量的整體招標。相反，業(yè)主可以依據(jù)某些特殊的需要和情況，編制自己的多目標計劃。

承包商和設備供應商的報價不會因諸如不可預見的地層條件、設計變更或固定不變的價格要求等偶然事件的影響而上漲，因此投標價格普遍較低。

業(yè)主可對工程進行全程控制，可以依據(jù)變化情況而直接改變設計。雖然設計變更很可能會導致造價增加，但可以對設計變更的工程量和造價進行預先估算。

當然傳統(tǒng)的招標方法也存在不足:若壩址地下情況比原先預計的差，則業(yè)主將承擔由此造成的工程費用增加;若各分承包商及供貨商之間未得到妥善溝通協(xié)調，則補救措施費用將由業(yè)主負擔;如果各不同承包商和供貨商之間的界面連接不能得到適當控制，則由業(yè)主承擔增加的費用;由于承包商的數(shù)目在2家以上，因此索賠和罰款程序將相當復雜，而且很難處理。

為便于對各承包商的管理，所有的發(fā)包標段同時招標，并要求共同執(zhí)行規(guī)定的施工/安裝進度計劃。這就要求施工和安裝方必須制訂詳細的計劃，所有參與各方都同意遵守共同的進度計劃。

7 結語

新艾斯尤特壩及其水電站工程建設將持續(xù)到2017年，主要工程量包括:超過33萬m3的鋼筋混凝土澆筑量;超過220萬m3的開挖量;超過900萬m3的大壩填筑量;超過10萬m2的防滲墻施工量。

參與該工程建設的所有承包方和供貨商，均參與了納加哈馬迪壩的施工，并取得了成功。因此，業(yè)主期待著他們能在新艾斯尤特壩工程中同樣取得成功。