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(jì)

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(jì)及優(yōu)化過(guò)程，在合同方案基礎(chǔ)上，根據(jù)最新的補(bǔ)充勘測(cè)資料及多方案研究對(duì)比，對(duì)壩線(xiàn)選擇、引水發(fā)電系統(tǒng)方案選擇和廠(chǎng)區(qū)樞紐布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)工作做了詳細(xì)的介紹，可供同類(lèi)工程參考。

樞紐布置 壩線(xiàn)選擇 引水發(fā)電系統(tǒng) 曼維萊水電站

喀麥隆共和國(guó)曼維萊水電站是該國(guó)目前已建和在建的最大水電站。電站采用徑流引水式開(kāi)發(fā)，最大引用流量450 m3/s，裝設(shè)4臺(tái)52.75 MW水輪發(fā)電機(jī)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(shí)數(shù)5 626 h。

本項(xiàng)目實(shí)際洪水標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，因此，綜合考慮曼維萊水電站泄水建筑物實(shí)際規(guī)模以及在喀麥隆國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用，洪水標(biāo)準(zhǔn)最終確定為：首部樞紐及電站廠(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)及校核洪水標(biāo)準(zhǔn)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(jì)及校核洪峰流量為3 450 m3/s和4 485 m3/s；電站廠(chǎng)房尾水處相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(dá)曼維萊水電站主體工程施工開(kāi)工令，目前工程建設(shè)進(jìn)展順利。

1 首部樞紐布置概況

1.1 壩線(xiàn)選擇

在本項(xiàng)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(xiàn)進(jìn)行了比較，5條壩線(xiàn)選擇綜合比較見(jiàn)表1。

從地形條件來(lái)看，壩線(xiàn)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(shì)均較低且平坦，壩肩布置難度較大，左岸壩軸線(xiàn)均需要向下游延伸至左岸小山包處，壩頂長(zhǎng)度較長(zhǎng)，工程量較大；從地質(zhì)條件來(lái)看，壩線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)選擇綜合比較表

壩線(xiàn)4兩岸地形條件均較好，河床地形簡(jiǎn)單，壩頂長(zhǎng)度相對(duì)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(xiàn)4處河床沖積層及兩岸壩肩覆蓋層均相對(duì)較薄，壩線(xiàn)不穿越斷層，穿越凹陷帶的范圍相對(duì)較小，地質(zhì)條件總體相對(duì)較好。

壩線(xiàn)5攔蓄恩特姆河及其右岸2條主要支流的來(lái)水，壩頂長(zhǎng)度較長(zhǎng)，增加了水庫(kù)的調(diào)蓄功能，但對(duì)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(xiàn)不可避免地要穿越附近次級(jí)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(duì)曼維萊瀑布、當(dāng)?shù)亟煌l件的影響，最終選擇壩線(xiàn)4作為實(shí)施的推薦壩線(xiàn)，該壩軸線(xiàn)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(duì)節(jié)省的攔河壩，壩址上游水面開(kāi)闊，易形成較大的庫(kù)容。主溢洪道和輔助溢洪道則分別布置于沿壩軸線(xiàn)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(xiàn)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(zhǎng)約1 800 m。

左岸連接壩段位于渠道進(jìn)水口和泄洪沖沙閘之間，為混凝土重力壩，壩頂長(zhǎng)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(mén)控制的平底寬頂堰和5孔帶弧門(mén)控制的實(shí)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(zhǎng)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(xiàn)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(wú)閘控溢流堰結(jié)構(gòu)，堰頂高程與水庫(kù)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(dāng)水庫(kù)來(lái)流量超過(guò)電站發(fā)電引用流量時(shí)，多余的來(lái)水量通過(guò)輔助溢洪道自然下泄，保證有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的庫(kù)水位，以盡量避免因頻繁開(kāi)啟泄洪沖沙閘或者主溢洪道的閘門(mén)而帶來(lái)的運(yùn)行操作上的不便或者因閘門(mén)操作失誤帶來(lái)的危險(xiǎn)；第2是在水庫(kù)遇到超標(biāo)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(xiàn)和儲(chǔ)備；第3是通過(guò)參與水庫(kù)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(tái)機(jī)全部甩負(fù)荷條件下，在主溢洪道及泄洪沖沙閘閘門(mén)均無(wú)法正常開(kāi)啟的條件下，在水庫(kù)水位最高允許壅高至393.8 m時(shí)，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(xiàn)型布置，壩頂長(zhǎng)度約332 m，右岸壩頭及進(jìn)廠(chǎng)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(jìn)水口、輸水明渠、壓力前池、二道壩、電站進(jìn)水口、壓力管道、電站廠(chǎng)房以及尾水建筑物等建筑物組成。在本項(xiàng)目的前期研究過(guò)程中共提出了不同渠道進(jìn)水口、不同電站廠(chǎng)房廠(chǎng)址位置以及不同輸水明渠線(xiàn)路組成的3個(gè)引水發(fā)電系統(tǒng)方案，并進(jìn)行了綜合專(zhuān)題研究。

2.1.1 半地下廠(chǎng)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(shū)》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(chǎng)房加長(zhǎng)尾水隧洞方案，主要由渠道進(jìn)水口、輸水明渠、壓力前池、前池二道壩、電站進(jìn)水口、壓力管道（埋管）、半地下式廠(chǎng)房以及尾水隧洞等建筑物組成。

2.1.2 地面廠(chǎng)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(kāi)挖的渠道進(jìn)水口，利用樞紐區(qū)的地形特點(diǎn)，將庫(kù)區(qū)內(nèi)一段長(zhǎng)約1 000 m的天然沖溝進(jìn)行簡(jiǎn)單疏浚整治后形成天然“水庫(kù)渠道”，再人工開(kāi)挖一段長(zhǎng)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?gòu)脑撉俺氐哪隙碎_(kāi)挖約710 m長(zhǎng)的輸水明渠至電站進(jìn)水口，電站進(jìn)水后后接2條內(nèi)徑為10 m、單洞水平投影長(zhǎng)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(chǎng)房?jī)?nèi)的蝶閥相連，發(fā)電尾水通過(guò)開(kāi)挖尾水明渠流入原河道。

該方案中電站廠(chǎng)房位于半地下廠(chǎng)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(chǎng)房方案2引水發(fā)電系統(tǒng)

地面廠(chǎng)房方案2引水發(fā)電系統(tǒng)布置方案與地面廠(chǎng)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(chǎng)房位置與地面廠(chǎng)房方案1中所確定的地面廠(chǎng)房位置相同?；诟纳齐娬救∷畻l件和盡可能縮短壓力管道長(zhǎng)度為目的，充分利用工程區(qū)有利的地形條件，對(duì)地面廠(chǎng)房方案1輸水系統(tǒng)線(xiàn)路進(jìn)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(jìn)水口位置及渠首建筑物。渠道進(jìn)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(guò)緊鄰的泄洪沖沙閘定期放水沖沙保證取水口“門(mén)前清”，可以避免河流中推移質(zhì)泥沙進(jìn)入輸水明渠，不會(huì)因?yàn)殡娬救∷谇澳嗌秤俜e而造成電站取水困難。

（2）壓力前池位置及輸水明渠線(xiàn)路。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充測(cè)量發(fā)現(xiàn)在半地下廠(chǎng)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(mǎn)足前池形成392.0 m的最高運(yùn)行水位要求。在二道壩左壩肩處存在布置電站進(jìn)水口和岸邊地面廠(chǎng)房合適地形條件。該方案中壓力管道及電站廠(chǎng)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(jìn)水口布設(shè)位置相對(duì)靈活，具備布置長(zhǎng)度相對(duì)較短的壓力管道的地形條件，通過(guò)適當(dāng)將地面廠(chǎng)房機(jī)組中心線(xiàn)向遠(yuǎn)離河道岸邊布設(shè)后，使得壓力管道的總長(zhǎng)度只有140 m，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)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(xiàn)路首段與半地下式廠(chǎng)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(zhǎng)的渠段需要全斷面開(kāi)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(dāng)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(diǎn)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(diǎn)

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(chǎng)房方案2為曼維萊水電站引水發(fā)電系統(tǒng)最終實(shí)施方案。

3 廠(chǎng)區(qū)布置

3.1 廠(chǎng)房位置的確定

廠(chǎng)房位置是考慮地質(zhì)地形條件以及電站進(jìn)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(lái)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(xiàn)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(jí)斷層，越靠近恩特姆河峽谷岸邊巖石相對(duì)比較破碎，因此，地面廠(chǎng)房位置則應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離岸邊布置，避免因穿越巖石結(jié)構(gòu)面對(duì)廠(chǎng)房基坑開(kāi)挖及邊坡支護(hù)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(chǎng)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(chǎng)房布置同時(shí)考慮了盡量減小壓力管道長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)區(qū)總體布置

電站廠(chǎng)房及尾水渠位于恩特姆峽谷左岸，由原來(lái)的河谷岸坡開(kāi)挖而成，沿線(xiàn)現(xiàn)狀地面高程335～392 m，廠(chǎng)房最低建基面313.5 m，廠(chǎng)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(chǎng)區(qū)樞紐主要建筑物有：主廠(chǎng)房、地下和地面副廠(chǎng)房、尾水渠、開(kāi)關(guān)站、進(jìn)廠(chǎng)公路以及機(jī)修間、絕緣油處理室和柴油發(fā)電機(jī)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(jì)在合同方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)補(bǔ)充勘測(cè)以及多方案比較論證，對(duì)原方案作了優(yōu)化研究，解決了存在的布置問(wèn)題。（1）響應(yīng)了業(yè)主的意圖和建議；（2）簡(jiǎn)化發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（3）降低施工難度和工期風(fēng)險(xiǎn)；（4）改善了電站運(yùn)行條件；（5）降低工程造價(jià)風(fēng)險(xiǎn)。

赫慶彬 男 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

魯永華 男 高級(jí)工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

王立群 男 高級(jí)工程師，中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

李永勝 男 工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津 300222

TV222

B

1007-6980（2015）02-0004-03

2015-03-25）