喀麥隆曼維萊水電站樞紐布置設(shè)計

赫慶彬 魯永華 王立群 李永勝

喀麥隆曼維萊水電站樞紐布置設(shè)計

赫慶彬 魯永華 王立群 李永勝

介紹了曼維萊水電站樞紐布置設(shè)計及優(yōu)化過程，在合同方案基礎(chǔ)上，根據(jù)最新的補充勘測資料及多方案研究對比，對壩線選擇、引水發(fā)電系統(tǒng)方案選擇和廠區(qū)樞紐布置及優(yōu)化設(shè)計工作做了詳細的介紹，可供同類工程參考。

樞紐布置 壩線選擇 引水發(fā)電系統(tǒng) 曼維萊水電站

喀麥隆共和國曼維萊水電站是該國目前已建和在建的最大水電站。電站采用徑流引水式開發(fā)，最大引用流量450 m3/s，裝設(shè)4臺52.75 MW水輪發(fā)電機組，保證出力41.9 MW，多年平均發(fā)電量1 187 GW·h，年利用小時數(shù)5 626 h。

本項目實際洪水標準的確定原則上不低于前期可行性研究階段確定及合同規(guī)定的標準，因此，綜合考慮曼維萊水電站泄水建筑物實際規(guī)模以及在喀麥隆國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要作用，洪水標準最終確定為：首部樞紐及電站廠區(qū)設(shè)計及校核洪水標準分別為10 000年一遇洪水及10 000年一遇洪水加大30%校核，壩址處相應(yīng)的設(shè)計及校核洪峰流量為3 450 m3/s和4 485 m3/s；電站廠房尾水處相應(yīng)的設(shè)計及校核洪峰流量為3 611 m3/s和4 694.3 m3/s。

2012年l2月28日，業(yè)主正式下達曼維萊水電站主體工程施工開工令，目前工程建設(shè)進展順利。

1 首部樞紐布置概況

1.1 壩線選擇

在本項目前期研究階段，從位于壩址處的尼亞貝桑村附近的恩特姆河渡口至下游曼維萊瀑布范圍內(nèi)大約2 km的恩特姆河河段上共選擇了5條壩線進行了比較，5條壩線選擇綜合比較見表1。

從地形條件來看，壩線1～3處河床寬度適中，右壩肩地形條件較好，但河床左岸地形地勢均較低且平坦，壩肩布置難度較大，左岸壩軸線均需要向下游延伸至左岸小山包處，壩頂長度較長，工程量較大；從地質(zhì)條件來看，壩線1～3處河床地質(zhì)條件較好，但兩岸地表覆蓋層較厚，基巖頂高程較低，壩軸線穿越地面沉陷帶的范圍均較大，基礎(chǔ)處理難度及投資較大。

表1 壩線選擇綜合比較表

壩線4兩岸地形條件均較好，河床地形簡單，壩頂長度相對較短，河道主流分左右2條支流，為泄水建筑物的布置及施工導(dǎo)流布置提供了便利條件。壩線4處河床沖積層及兩岸壩肩覆蓋層均相對較薄，壩線不穿越斷層，穿越凹陷帶的范圍相對較小，地質(zhì)條件總體相對較好。

壩線5攔蓄恩特姆河及其右岸2條主要支流的來水，壩頂長度較長，增加了水庫的調(diào)蓄功能，但對攔河壩下游曼維萊瀑布的生態(tài)及景觀用水影響較大；另外，該壩線不可避免地要穿越附近次級斷層，受區(qū)域性斷裂的影響較大。

綜合工程規(guī)模、地形與地質(zhì)條件、施工條件及建壩后對曼維萊瀑布、當?shù)亟煌l件的影響，最終選擇壩線4作為實施的推薦壩線，該壩軸線處地形起伏不大，適合水工建筑物布置和上、下游水流銜接，充分利用天然地形條件后形成了高度較小、工程量相對節(jié)省的攔河壩，壩址上游水面開闊，易形成較大的庫容。主溢洪道和輔助溢洪道則分別布置于沿壩軸線恩特姆河左、右岸主河槽上，使得泄水建筑物水流和下游河道銜接比較平順。

1.2 首部樞紐布置

首部樞紐攔河壩及泄水建筑物沿壩軸線從左至右依次為：左岸連接壩段、主溢洪道、河心島壩段、輔助溢洪道和右岸灘地及岸坡壩段。攔河壩及泄水建筑物樞紐壩頂高程為395.0 m，壩頂總長約1 800 m。

左岸連接壩段位于渠道進水口和泄洪沖沙閘之間，為混凝土重力壩，壩頂長度為20 m，平面上與泄洪沖沙閘呈115°夾角。

泄洪沖沙閘及主溢洪道緊接左岸連接壩和河心島心墻壩段布置，位于恩特姆河左岸主河槽上，分別為1孔帶弧門控制的平底寬頂堰和5孔帶弧門控制的實用溢流堰，堰頂高程分別為379.0 m和382.0 m，閘室單孔凈寬均為11 m。

河心島壩段壩頂長度約1 260 m，為心墻壩，位于主溢洪道和輔助溢洪道之間的恩特姆河河心島上，平面上呈曲線型布置。

輔助溢洪道位于恩特姆河右岸主河槽上，兩側(cè)分別接河心島土壩段和右岸土壩段，為8孔無閘控溢流堰結(jié)構(gòu)，堰頂高程與水庫正常蓄水位齊平，為392.0 m。其功用，第1是在一般洪水條件下，當水庫來流量超過電站發(fā)電引用流量時，多余的來水量通過輔助溢洪道自然下泄，保證有一個相對穩(wěn)定的庫水位，以盡量避免因頻繁開啟泄洪沖沙閘或者主溢洪道的閘門而帶來的運行操作上的不便或者因閘門操作失誤帶來的危險；第2是在水庫遇到超標洪水的極端情況下，可以作為洪水的下泄通道，從而成為確保攔河壩安全的又一道安全防線和儲備；第3是通過參與水庫多余棄水下泄或者泄洪，可以避免壩址下游現(xiàn)狀河道右岸主河槽出現(xiàn)徹底斷流現(xiàn)象；第4是在電站4臺機全部甩負荷條件下，在主溢洪道及泄洪沖沙閘閘門均無法正常開啟的條件下，在水庫水位最高允許壅高至393.8 m時，輔助溢洪道可以確保下泄450 m3/s。

右岸灘地及岸坡連接壩段平面上也呈曲線型布置，壩頂長度約332 m，右岸壩頭及進廠公路平順連接。

2 引水發(fā)電系統(tǒng)布置方案

2.1 方案擬定

曼維萊水電站引水發(fā)電系統(tǒng)主要建筑物由渠道進水口、輸水明渠、壓力前池、二道壩、電站進水口、壓力管道、電站廠房以及尾水建筑物等建筑物組成。在本項目的前期研究過程中共提出了不同渠道進水口、不同電站廠房廠址位置以及不同輸水明渠線路組成的3個引水發(fā)電系統(tǒng)方案，并進行了綜合專題研究。

2.1.1 半地下廠房方案引水發(fā)電系統(tǒng)

該方案是2009年9月份與業(yè)主簽署的商務(wù)合同《建設(shè)方案技術(shù)建議書》中所確定的引水發(fā)電系統(tǒng)方案，也就是明渠引水以及半地下式廠房加長尾水隧洞方案，主要由渠道進水口、輸水明渠、壓力前池、前池二道壩、電站進水口、壓力管道（埋管）、半地下式廠房以及尾水隧洞等建筑物組成。

2.1.2 地面廠房方案1引水發(fā)電系統(tǒng)

該方案取消了在攔河壩左壩肩上游山體開挖的渠道進水口，利用樞紐區(qū)的地形特點，將庫區(qū)內(nèi)一段長約1 000 m的天然沖溝進行簡單疏浚整治后形成天然“水庫渠道”，再人工開挖一段長約600 m的輸水明渠，將水引至合同方案中的天然壓力前池內(nèi)，再從該前池的南端開挖約710 m長的輸水明渠至電站進水口，電站進水后后接2條內(nèi)徑為10 m、單洞水平投影長約600 m的壓力管道，每條壓力管道末端再分別接岔管與地面廠房內(nèi)的蝶閥相連，發(fā)電尾水通過開挖尾水明渠流入原河道。

該方案中電站廠房位于半地下廠房方案的尾水隧洞出口下游約200 m的恩特姆河左岸。

2.1.3 地面廠房方案2引水發(fā)電系統(tǒng)

地面廠房方案2引水發(fā)電系統(tǒng)布置方案與地面廠房方案1引水發(fā)電系統(tǒng)布置方案總體布局相近，其中電站廠房位置與地面廠房方案1中所確定的地面廠房位置相同。基于改善電站取水條件和盡可能縮短壓力管道長度為目的，充分利用工程區(qū)有利的地形條件，對地面廠房方案1輸水系統(tǒng)線路進行了調(diào)整后提出的建設(shè)方案，主要調(diào)整內(nèi)容如下：

（1）渠道進水口位置及渠首建筑物。渠道進水口的位置選擇在左壩肩靠近主溢洪道并緊鄰泄洪沖沙閘布置，這樣的布置方案可以通過緊鄰的泄洪沖沙閘定期放水沖沙保證取水口“門前清”，可以避免河流中推移質(zhì)泥沙進入輸水明渠，不會因為電站取水口前泥沙淤積而造成電站取水困難。

（2）壓力前池位置及輸水明渠線路。通過現(xiàn)場補充測量發(fā)現(xiàn)在半地下廠房方案的尾水隧洞出口下游附近有一天然洼地，只需要在洼地下游天然埡口處修建二道壩后，即可形成新的電站天然壓力前池。地形條件滿足前池形成392.0 m的最高運行水位要求。在二道壩左壩肩處存在布置電站進水口和岸邊地面廠房合適地形條件。該方案中壓力管道及電站廠區(qū)建筑物全部布設(shè)在二道壩左壩肩一側(cè)的緩坡地帶上，由于電站進水口布設(shè)位置相對靈活，具備布置長度相對較短的壓力管道的地形條件，通過適當將地面廠房機組中心線向遠離河道岸邊布設(shè)后，使得壓力管道的總長度只有140 m，機組穩(wěn)定運行條件有保障且不需要設(shè)置上游調(diào)壓井。

該方案輸水明渠線路首段與半地下式廠房方案基本一致，其后逐步沿現(xiàn)狀低洼地形逐步向東南方向偏轉(zhuǎn)，除了末段約800 m長的渠段需要全斷面開挖形成外，其余輸水明渠均為半挖半填渠段，輸水明渠末端在適當整治處理后便和天然前池平順連接。2.2方案選擇

上述3種引水發(fā)電系統(tǒng)布置方案，其主要布置特點和區(qū)別如下表2。

表2 不同引水發(fā)電系統(tǒng)方案布置特點

綜合地下工程及地面工程的施工難易程度、工期的可控程度以及土石方平衡等綜合考慮，最終確定地面廠房方案2為曼維萊水電站引水發(fā)電系統(tǒng)最終實施方案。

3 廠區(qū)布置

3.1 廠房位置的確定

廠房位置是考慮地質(zhì)地形條件以及電站進水口、壓力管道、尾水渠布置以及基坑圍堰等因素綜合比較論證而確定的。

從地質(zhì)條件來看，壩址下游沿恩特姆河峽谷發(fā)育有1條區(qū)域性斷裂，該斷裂控制了水系的走向，使恩特姆河由北西轉(zhuǎn)向南西，在斷裂帶附近形成瀑布，并使恩特姆河峽谷直線狀延伸約40 km，受該區(qū)域斷裂影響，沿恩特姆河峽谷岸邊也發(fā)育有部分次級斷層，越靠近恩特姆河峽谷岸邊巖石相對比較破碎，因此，地面廠房位置則應(yīng)盡可能遠離岸邊布置，避免因穿越巖石結(jié)構(gòu)面對廠房基坑開挖及邊坡支護和穩(wěn)定造成不利影響。

結(jié)合本工程區(qū)地質(zhì)地形條件，將廠房布置在恩特姆河峽谷左岸的緩坡地帶上，充分利用恩特姆組花崗片麻巖作為建筑物地基。廠房布置同時考慮了盡量減小壓力管道長度，以不設(shè)上游調(diào)壓室為宜。綜合考慮各種條件，最終將廠房布置在二道壩左壩肩下游約130 m、距離恩特姆河峽谷岸邊約150 m的左岸緩坡地帶上。

3.2 廠區(qū)總體布置

電站廠房及尾水渠位于恩特姆峽谷左岸，由原來的河谷岸坡開挖而成，沿線現(xiàn)狀地面高程335～392 m，廠房最低建基面313.5 m，廠房基坑最大挖深接近80 m，除表層2～10 m為土質(zhì)邊坡，其下均為巖石邊坡。

電站廠區(qū)樞紐主要建筑物有：主廠房、地下和地面副廠房、尾水渠、開關(guān)站、進廠公路以及機修間、絕緣油處理室和柴油發(fā)電機房等附屬建筑物。

4 樞紐布置總結(jié)

曼維萊水電站樞紐布置設(shè)計在合同方案的基礎(chǔ)上，通過補充勘測以及多方案比較論證，對原方案作了優(yōu)化研究，解決了存在的布置問題。（1）響應(yīng)了業(yè)主的意圖和建議；（2）簡化發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（3）降低施工難度和工期風(fēng)險；（4）改善了電站運行條件；（5）降低工程造價風(fēng)險。

赫慶彬 男 工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司天津 300222

魯永華 男 高級工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司天津 300222

王立群 男 高級工程師，中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司天津 300222

李永勝 男 工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司天津 300222

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