解開維捷布斯克水電站的“基因密碼”

劉 文 勝，陳 渝

(1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；2.中國電力工程有限公司，北京 100048)

0 引 言

維捷布斯克水電站是白俄羅斯境內(nèi)西德維納河上游的第一級(jí)電站，位于白俄羅斯維捷布斯克州州府維捷布斯克市東北約8 km，距離首都明斯克約300 km。維捷布斯克水電站裝機(jī)總?cè)萘繛?0 MW，年均發(fā)電量1.5億kWh。樞紐布置從左至右分別為左岸土壩、船閘、連接土壩、泄洪閘、廠房、右岸土壩。

維捷布斯克水電站在中國人眼里是個(gè)小不點(diǎn)兒，但在白俄羅斯卻是在建最大的水電站，被譽(yù)為“白俄三峽”，得到了參建各方的高度重視。該電站采用中白兩國規(guī)范設(shè)計(jì)，結(jié)合了兩國工程師的設(shè)計(jì)理念和智慧，是中白兩國的“混血兒”，其具有許多鮮明的特征，比如：泄洪閘采用大孔口并設(shè)置舌瓣門排冰泄洪，適應(yīng)低水頭采用燈泡貫流式機(jī)組；船閘布置“入鄉(xiāng)隨俗”，因地制宜采用擋墻土壩，推廣水泥碎石樁新技術(shù)等。

基因決定特征，本文一一解析這些特征的“基因密碼”。

1 “混血兒”的由來

維捷布斯克水電站由中國公司采用EPC模式總承包，總承包商與白俄羅斯業(yè)主維捷布斯克能源局的合同規(guī)定：“設(shè)計(jì)文件在消防、人員安全，工業(yè)安全，衛(wèi)生規(guī)程，生態(tài)安全和環(huán)境保護(hù)方面必須按照白俄羅斯的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和要求；不受白俄羅斯強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)和要求的設(shè)計(jì)文件可按中國標(biāo)準(zhǔn)和要求完成?！?/p>

總承包商與中國的設(shè)計(jì)單位簽訂設(shè)計(jì)合同規(guī)定按照中國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)；總承包商與白俄羅斯國家電力設(shè)計(jì)院簽訂的審查合同規(guī)定按照白俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審查。在具體的設(shè)計(jì)過程中就需要發(fā)揮中白兩國設(shè)計(jì)人員的智慧來達(dá)成共識(shí)，維捷布斯克水電站“混血”由此而來。

2 為了排冰泄洪采用大孔口并設(shè)置舌瓣門

維捷布斯克地區(qū)11月至來年的3月月平均氣溫均低于零度，其中12月至來年2月平均氣溫處于-3°～-10°之間，屬于寒冷地區(qū)。庫區(qū)積雪的形成開始于12月的10日至15日，一直持續(xù)到3月10日至20日。積雪的歷史最厚深度可達(dá)61 cm，在冬季平均降雪量為28 cm。在自然地形下的土壤凍結(jié)最厚深度可達(dá)142 cm，平均一年的土壤凍結(jié)可達(dá)73 cm。

西德維納河春汛洪水為概率最大洪水，且洪水伴隨冰凌。這就要求泄水建筑物在排泄洪水的同時(shí)排泄冰塊。為了解決表層過冰的要求，中方工程師首先提雙層閘孔泄水方案，即表層過漂浮物，底部過泥沙的布置方案。共設(shè)置6孔表孔和6孔底孔，孔口寬度均為12 m；表孔高6.2 m，堰頂高程為132.8 m；底孔高3.2 m，堰頂高程為126 m。表孔和底孔之間由混凝土梁隔開，均采用平板門擋水。經(jīng)水力學(xué)計(jì)算雙層閘孔泄水方案能滿足泄洪要求，也能滿足溢流表層通過一定冰塊的目的。

但白俄羅斯工程師對(duì)閘寬12 m能否通過大冰塊存在較大疑慮。為解除白俄工程師的疑慮，中方又提出大孔口設(shè)置舌瓣門方案，即泄洪閘共布置3孔，孔口尺寸為20 m×9 m(寬×高)，堰型為WES實(shí)用堰，堰頂高程為130 m；工作閘門為弧形閘門，排冰舌瓣門是嵌在弧形閘門門葉上的小門，頂緣與大門葉齊平，它與大門葉配合成整體。當(dāng)通過啟閉機(jī)向下游翻到開啟時(shí)，即可將水庫內(nèi)漂浮的冰塊排至下游。舌瓣門高2 m，寬11 m。

大孔口設(shè)置舌瓣門方案的布置看似常規(guī)，但是采用了很多新技術(shù)來保證排冰泄洪的暢通和建筑物的安全：1)寬20 m大閘孔，這在已建的泄洪閘中首屈一指，滿足了白俄方對(duì)大尺寸冰塊能通過泄水建筑物提出的要求。2)鋼襯包裹閘墩前緣，既能破碎大冰塊又減輕了冰塊撞擊閘墩的影響。3)弧形閘門上設(shè)置舌瓣門，保證了小流量時(shí)冰塊也能通過樞紐，避免冰塊在樞紐區(qū)上游的堆積對(duì)建筑物造成持續(xù)傷害。

中白兩方工程師通過多次探討，并委托西安理工大學(xué)進(jìn)行了大孔口舌瓣門排冰泄洪的水工模型試驗(yàn)，試驗(yàn)表明大孔口設(shè)置舌瓣門滿足大冰塊過閘、小流量淌凌的各項(xiàng)要求，最終白俄工程師認(rèn)同了中方提出的大孔口設(shè)置舌瓣門方案。

3 適應(yīng)低水頭采用燈泡貫流式機(jī)組

西德維納河壩址區(qū)為平坦的沖積平原，河道寬闊順直(河寬120 m)，來水量大，利用水頭低，采用燈泡貫流式機(jī)組，具有較高過流能力和比轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，布置緊湊、投資較小。

維捷布斯克電站為河床式廠房，額定水頭9.1 m，額定流量123.77 m3/s，轉(zhuǎn)輪直徑3.95 m，單機(jī)容量10 MW，技術(shù)成熟。廠房布置于壩址區(qū)的右岸，左側(cè)緊鄰泄洪閘，具備擋水功能，廠房壩段總體尺寸為59.94 m×46.1 m×47 m(長×寬×高)。流道分為進(jìn)口段、流道中段、出口段，燈泡貫流式機(jī)組安裝在流道中段。技術(shù)供水系統(tǒng)，直流盤柜、廠用變等布置在尾水副廠房中，空壓機(jī)室布置在右岸廠區(qū)的空地上，油罐室、消防用水布置在安裝間下部的房間內(nèi)。整個(gè)廠房布置緊湊，設(shè)計(jì)簡單，施工方便，廠房壩段的混凝土量約為4.7萬m3，投資較小，經(jīng)濟(jì)效益高。

4 “入鄉(xiāng)隨俗”進(jìn)行船閘布置

本工程船閘為Ⅳ級(jí)船閘，設(shè)計(jì)最大船舶噸級(jí)為500 t，設(shè)計(jì)通航船舶船體長度85 m，船體寬度12.5 m，船體吃水深度1.7 m，吃水線以上尺寸11 m。船閘規(guī)模中等，設(shè)計(jì)多處體現(xiàn)了“入鄉(xiāng)隨俗”的思想。

在總體布置上，結(jié)合地形，統(tǒng)籌規(guī)劃，永臨結(jié)合，將船閘主體結(jié)構(gòu)布置在導(dǎo)流明渠位置，節(jié)省工期和投資。同時(shí)，為了避免船閘下游引航道對(duì)左岸原有夏令營營地的影響，船閘中心線軸線向右旋轉(zhuǎn)5°，達(dá)到互不干擾的目的。

對(duì)于船閘尺寸，中白兩國規(guī)范有較大差別。依據(jù)中國規(guī)范，船閘閘室的尺寸需要105 m×16 m(長×寬)，下游引航道直線段長度需要170 m；而白俄羅斯規(guī)范計(jì)算的船閘閘室尺寸為94 m×13.5 m(長×寬)，下游引航道直線段長度為84 m。經(jīng)比較，依據(jù)白俄規(guī)范確定的船閘尺寸大大減少了船閘上下游引航道對(duì)兩岸的影響，節(jié)省了投資；同時(shí)，依據(jù)白俄規(guī)范確定的船閘尺寸也獲得了白俄羅斯水運(yùn)管理局和白俄羅斯國家審查委員會(huì)的認(rèn)可和批準(zhǔn)。中國工程師通過計(jì)算分析認(rèn)為盡管按白俄規(guī)范確定的尺寸不滿足中國規(guī)范的要求，但是能夠基本滿足通航要求，最終入鄉(xiāng)隨俗按白俄規(guī)范確定船閘尺寸。

5 因地制宜采用擋墻土壩

本工程共有三處布置了土壩，分別是左岸土壩段、連接土壩段和右岸土壩段。秉承土壩“就近取材、減少棄料”的設(shè)計(jì)思想，土壩上壩料采用基坑開挖料，基坑開挖料為細(xì)砂和壤土。對(duì)于具體結(jié)構(gòu)型式，中白兩方工程師又出現(xiàn)了分歧，白俄方建議采用混凝土面板土石壩，中方建議采用混凝土擋墻土壩。

混凝土面板土石壩方案壩體采用碎石和土填筑，碎石層作為排水層，上下游邊坡坡度都為1∶3；采用混凝土面板、高壓旋噴防滲墻及附屬結(jié)構(gòu)和橡膠止水作為防滲結(jié)構(gòu)。擋墻土壩方案壩體主體結(jié)構(gòu)為混凝土擋墻，擋墻后填筑基坑開挖料，下游坡度為1∶3；擋墻、高壓旋噴體和橡膠止水作為防滲結(jié)構(gòu)。

從結(jié)構(gòu)上看，對(duì)于面板土石壩方案，混凝土面板分縫止水結(jié)構(gòu)復(fù)雜、止水接頭及安裝固定施工難度大，混凝土澆筑容易出現(xiàn)缺陷。工程所在區(qū)域?qū)儆诤涞貐^(qū)，較薄的面板和外界環(huán)境接觸面大，受氣候環(huán)境的影響較重，相對(duì)比較容易受冰雪凍融損壞；而且，為壩體安全和控制面板的變形，對(duì)其下部的壩體分區(qū)及填筑質(zhì)量有較高的要求。對(duì)于擋墻土壩方案，擋墻結(jié)構(gòu)直立，厚重，止水可靠，防滲可靠性高，其對(duì)墻后填土要求相對(duì)較低，整體安全性較高。

從防滲型式來看，對(duì)于面板土石壩方案，擋水壩基采用趾板與防滲墻連接的結(jié)構(gòu)形式，由于變形差異導(dǎo)致接縫止水受拉較重，相對(duì)不利；防滲墻軸線與相鄰壩段也不在同一軸線上，相差較遠(yuǎn)，導(dǎo)致?lián)跛ㄖ锓罎B軸線走向復(fù)雜多變，給施工造成較大困難。對(duì)于擋墻土石壩方案，采用擋墻結(jié)構(gòu)后，擋水建筑物基礎(chǔ)防滲墻軸線統(tǒng)一在一條直線上，施工較為方便；同時(shí)上部混凝土結(jié)構(gòu)與防滲墻之間連接止水為受壓狀態(tài)，防滲結(jié)構(gòu)可靠性大為提高。

從工程量及投資來看，面板土石壩方案與擋墻土石壩方案工程量主要區(qū)別在于混凝土量、壩體排水體碎石量：擋墻土壩方案增加混凝土量7 900 m3，而碎石量填筑減少48 000 m3，由于當(dāng)?shù)厝鄙偎槭少弮r(jià)格不低，故可以認(rèn)為兩方案總費(fèi)用基本相當(dāng)。

中白兩國工程師經(jīng)過多次探討分析認(rèn)為，與面板土石壩方案相比，擋墻土壩方案更為安全可靠，施工簡單，最終選用擋墻土壩方案。

6 推廣應(yīng)用水泥碎石樁技術(shù)

本工程泄洪閘建基面高程為121.5 m。根據(jù)地勘資料，閘址區(qū)110～122 m高程為索日河冰磧沉積砂壤土，110 m高程以下為白云巖層。根據(jù)泄洪閘基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，閘底最大應(yīng)力約為260 kPa，而砂壤土地基最大承載力為170 kPa。不滿足地基承載力要求，需進(jìn)行地基處理。在泄洪閘地基處理方式選擇上，中白兩國工程師也提出了不同的方案，白俄方建議采用混凝土灌注樁，中方建議采用水泥碎石樁。

水泥碎石樁是CFG樁的一種，不添加粉煤灰，增大地基承載力同時(shí)提高地基的密實(shí)度。水泥碎石樁復(fù)合地基是由樁間土和樁體共同承擔(dān)荷載，綜合樁長、樁徑、樁間距、樁身強(qiáng)度和天然地基承載力等5個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化，在理論計(jì)算基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際工程施工經(jīng)驗(yàn)，得出最佳的設(shè)計(jì)。水泥碎石樁具有施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制、工程造價(jià)低廉等特點(diǎn)，目前已成為中國應(yīng)用最普遍的地基處理技術(shù)之一。

白俄方工程師之前從未接觸過CFG樁，通過多次溝通和介紹，白俄工程師最終認(rèn)可了水泥碎石樁方案，這是我國成熟工程經(jīng)驗(yàn)在國際工程中的成功實(shí)踐。

7 結(jié) 語

維捷布斯克水電站的這種“混血兒”模式并非獨(dú)有。中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的白俄羅斯別列佐夫國營地區(qū)電站400 MW聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目也采用了同樣的模式。隨著我國水電行業(yè)國際業(yè)務(wù)的發(fā)展，特別是在較發(fā)達(dá)地區(qū)的業(yè)務(wù)開展，采用兩國的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的情況較為普遍。這就要求水電行業(yè)的設(shè)計(jì)人員積極掌控合作方式，學(xué)習(xí)當(dāng)?shù)匾?guī)范和設(shè)計(jì)理念，為更好開展國際業(yè)務(wù)夯實(shí)基礎(chǔ)。

此外，盡管部分國外工程師水電設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較少，思維刻板，但其慎重、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)精神值得稱道。所以，設(shè)計(jì)的過程中我們更要充分開啟智慧，積極溝通，將我國已成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到國際工程中去。