余倫創(chuàng) 李秀明 龐書聰 尹風剛

英布魯水電樞紐位于剛果人民共和國布拉柴維爾東北約215 km處的萊菲尼河上,工程的主要任務是發(fā)電,該電站承擔剛果電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和骨干電站作用。電站建成后將極大緩解布拉柴維爾及周邊城市電力負荷日益緊張的局面,進而促進剛果北方地區(qū)的發(fā)展。

壩址距萊菲尼河匯入口14 km,壩址以上河道長266 km,壩址以上流域面積16 000 km2。水庫總庫容5.84億m3,電站裝機容量120MW,多年平均發(fā)電量6.815億kW?h,年利用小時數(shù)5 679 h。

工程等別為一等,大 (Ⅰ)型規(guī)模。永久性主要建筑物按1級建筑物設計,設計洪水標準為1 000年一遇,相應洪峰流量為962m3/s；校核洪水標準為10 000年一遇 (考慮擴大20%),相應洪峰流量為1 280 m3/s。

1 自然條件

1.1 氣象

萊菲尼河流域?qū)儆跓釒в炅謿夂?全年雨量變化分為旱季和雨季兩個季節(jié),旱季的特點是氣壓高,氣溫低,多云少雨或幾乎無雨；雨季的特點為暴雨多,持續(xù)時間一般1～2 h。壩址處多年平均降雨量為1 598 mm,多年平均蒸發(fā)量769.6 mm,多年平均氣溫26.3℃,極端最高氣溫為37.6℃,極端最低氣溫為14.5℃。

1.2 地形地質(zhì)條件

萊菲尼河位于巴泰凱高原地區(qū),兩側(cè)為侵蝕程度不一的高原,河谷深度在300～400 m。在壩軸線上游800 m處,萊菲尼河由南向北急轉(zhuǎn)成東南方向,并在上游300 m處轉(zhuǎn)成東西向流經(jīng)壩軸線,然后在下游400 m處再次折向東南。壩址附近水面寬80～100m,河床高程一般在285 m左右,最低高程約為281.3 m。兩岸為漫灘,左岸寬約50 m,右岸寬約150m,且沿河方向延伸,時有時無,寬度變化較大,在上游彎道處,右岸灘地寬度達300多m。壩址灘地高程290 m左右,形成較平坦的沼澤地。漫灘外側(cè)為平緩的山坡,左岸稍陡,山頂高程470 m,右岸稍緩,山頂高程570 m。河谷略呈不對稱。

壩址區(qū)主要地層由老至新依次為:白堊系砂巖(K2)、第三系砂壤土 (R)和第四系松散堆積物。上白堊系 (K2)分為薄層細砂巖 (K2i-1)、中厚層砂巖 (K2i-2)和薄層砂巖 (K2i-3)。土壩、泄水閘及河床式廠房基礎地質(zhì)條件如下:

(1)土壩。壩基跨兩岸邊坡、漫灘和河床三部分。兩岸岸坡地基為第三系砂壤土,具有低—中壓縮性,清除表層腐植土后滿足土壩地基條件；漫灘和河床中薄層砂巖上覆蓋第四系沖積層和坡積層,由于沖積層表層有機質(zhì)含量高,坡積層結(jié)構松散,二者滲透穩(wěn)定性差,不宜作為土壩壩基,應予以清除。土壩壩基為無限深透水地基,應滿足地基滲徑和壩基滲透穩(wěn)定要求。水庫蓄水后,會帶來兩岸壩肩的繞滲問題,應采取相應的防滲措施。

(2)泄水閘與廠房。泄水閘與廠房為混凝土建筑物,建基于上白堊系軟砂巖上,軟砂巖具有膠結(jié)不良、孔隙多、容重低、強度差以及透水性大的特性,同時具有比較均勻、裂隙不多、整體性較好的特點。壩基下砂巖屬于中等透水性,其中河床部位平均滲透系數(shù)較大 (20～25 m/d),右岸稍小 (6～10 m/d)。

壩址區(qū)地處地質(zhì)構造上的剛果盆地,屬于穩(wěn)定的非洲地塊。壩址區(qū)為無震或微震區(qū)域,設計考慮地震影響。

2 樞紐總體布置方案選擇

2.1 方案選擇需考慮的幾個主要問題

根據(jù)壩址地形、地質(zhì)、水文等自然條件,在樞紐總布置中著重考慮以下幾個問題:

(1)地質(zhì)勘探表明,壩址附近土料儲量豐富,但缺乏可作混凝土骨料的砂礫石及優(yōu)質(zhì)石料,需到布拉柴維爾貢貝料場開采石料,運距長達240 km；因此必須盡量減少建筑物的混凝土用量。

(2)萊菲尼河流量大而均勻,施工期導、截流標準分別采用20年一遇及10年一遇洪水,相應流量為750 m3/s及720 m3/s。由于河床及兩岸的覆蓋層與基巖抗沖能力較低,因此施工導、截流是一個比較困難的作業(yè),樞紐布置方案的選擇必須結(jié)合施工導、截流方案綜合考慮。

(3)壩基壩肩下軟砂巖可看作無限深透水地基,天然地下水位較低,水庫蓄水后,應對兩岸壩肩的繞滲問題給予足夠重視。

(4)水庫建成后庫區(qū)將會存在一定的漂浮污物,泄水閘應布設表孔排漂,要求泄水閘進流順暢,并與廠房連接,以盡量減少廠房進水口攔污柵淤堵。

2.2 樞紐布置方案比較

根據(jù)工程任務及低水頭電站的特點,樞紐主要建筑物包括攔河壩、泄水閘、河床式廠房及220 kV開關站。由于當?shù)刂瓮亮县S富,攔河壩宜采用均質(zhì)土壩。根據(jù)剛果方要求,運行人員永久生活區(qū)布置在左側(cè)高程400 m左右的山坡上。與北方2#公路相連接的60 km新修對外交通公路直達壩址右岸。

結(jié)合工程實際情況,設計因地制宜,對樞紐總體布置進行了如下兩個方案的比選:

方案1:泄水閘和電站廠房布置在右岸灘地。該方案突出的特點是,可先在岸邊旱地進行泄水閘和電站廠房施工,完成泄水閘和電站廠房施工后只需進行一次截流,利用右岸泄水閘進行導流,再進行河床部分土壩施工。該方案導、截流施工簡單。

方案2:泄水閘和河床電站布置在主河床。該方案主要特點是泄水和發(fā)電建筑物的運行在各種條件下基本不改變原河道的天然狀態(tài),水流流態(tài)好,沒有局部沖刷岸坡的運行問題。需單獨布置導流明渠進行導流,方案2需進行二次導流。

兩個樞紐布置方案建筑物的種類和規(guī)模相同,兩個樞紐布置方案的泄水閘及電站廠房均建于白堊系軟砂巖上,地基的工程地質(zhì)條件基本相同。由于泄水閘和電站廠房的不同布置位置,對樞紐水流條件、運行條件和施工工期均有不同的影響。經(jīng)分析認為,方案1具有工期短,導、截流施工簡單,可以提前發(fā)電等優(yōu)點。工程區(qū)河床及右岸建基面基礎條件相差不大,地質(zhì)條件對樞紐布置影響較小。方案2的水流條件稍好,但方案1經(jīng)水工模型試驗論證,僅在下游存在岸坡局部沖刷問題,但對建筑物本身安全已無影響。經(jīng)綜合比較,為確保工程在規(guī)定的工期內(nèi)順利建成,推薦采用方案1作為樞紐布置方案。

3 樞紐總布置設計

壩軸線方向NE1°04′45.7″,主要建筑物沿壩軸線從左至右依次為左岸土壩、泄水閘、河床式電站廠房、右岸土壩。泄水閘與廠房作為擋水建筑物的一部分,與土壩成直線布置。壩頂高程311.5 m,壩頂總長585 m,其中左岸土壩長289.5 m,右岸土壩長132.6m,泄水閘34.5 m,包括安裝間在內(nèi),主廠房總長128.4 m,見圖1。

泄水閘位于廠房左側(cè),與廠房毗連,兩者均布置于右岸灘地,兩側(cè)以土壩與岸坡相連,安裝間布置于廠房右側(cè)。對外交通由右岸進場,進廠公路可直接從右壩頭沿右岸土壩下游岸坡經(jīng)廠前區(qū)進入安裝間,并在右岸壩頭通過壩頂公路與左岸生活區(qū)公路相連。副廠房布置于主廠房下游地面高程298 m的廠前區(qū),平行布置于主廠房安裝間右側(cè)。廠前區(qū)除副廠房外,還布置了機修間、絕緣油油庫、油處理室、柴油發(fā)電機房以及30 kV開關站等輔助生產(chǎn)建筑物。

3.1 土壩布置設計

從地質(zhì)勘探資料分析,英布魯水電樞紐工程壩址附近缺少石料和砂礫料。石料場遠在240 km以外布拉柴維爾的貢貝,運距較遠,石料單價較高,不宜修建混凝土壩或堆石壩。根據(jù)筑壩材料調(diào)查,距壩址7 km的林中空地土料場土質(zhì)比較均一,儲量豐富,適合作為土壩筑壩材料；另外,在基坑開挖中有大量膠結(jié)較差的砂巖,可以作為壩殼材料,因此,選擇土質(zhì)防滲體分區(qū)壩作為推薦壩型。

工程開工后,在工程區(qū)周圍補充了勘探和試驗研究,在左岸距離壩址2～6 km找到儲量滿足設計用量的砂類土料場,根據(jù)當?shù)?種筑壩材料的儲量、力學指標、滲透特性、施工難易程度以及設計筑壩材料用量要求,設計對土壩設計斷面進行調(diào)整,在確保工程安全的前提下,針對不同材料特性,進行分區(qū)使用,最終土壩調(diào)整為四分區(qū):壩體中部和上游底部為防滲土料,壩殼料由左岸砂類土料和壩基開挖料兩部分組成。土壩上游區(qū)上部及下游區(qū)底部為左岸砂類土料,壩基砂巖開挖料用于壩體下游區(qū)水上部分。調(diào)整為四分區(qū)后,各筑壩材料儲量和力學指標滿足設計要求。

考慮壩體后期沉降,土壩壩頂高程311.7 m,最大壩高32.5 m,壩頂寬7 m,以2.0%坡度向下游放坡,壩頂上游設1.2 m高混凝土防浪墻。土壩 與混凝土建筑物之間設置刺墻。

圖1 英布魯水電站樞紐總平面布置圖

土壩上游壩坡自上而下分別為1∶3,1∶4,在高程297 m設2 m寬馬道；下游壩坡自上而下分別為1∶2.5,1∶2.75,1∶3, 分別在303.5 m 設 3 m 寬馬道,貼坡頂高程297.5 m,設4.6 m寬馬道。右岸攔河壩上游壩坡為1∶3,下游壩坡為1∶2.5,右岸土壩較低,故不設馬道。壩體上游壩坡采用干砌石護砌,壩體下游壩坡采用草皮護坡。

3.2 泄水閘布置設計

3.2.1 運用要求及布置原則

3.2.1.1 運用要求

在正常運行條件下的任何泄洪工況,假定只有1臺機組運行參加泄洪,其余洪水全部由泄水建筑物宣泄；泄水建筑物應滿足導流要求和庫區(qū)大、小漂浮物排漂要求；泄水建筑物應有可靠的排泄淤積物的能力；泄水建筑物應具備降低庫水位的能力。

3.2.1.2 布置原則

(1)根據(jù)上述布置要求,泄水閘布置除應保證泄洪外,還需滿足排泄漂浮物和沖刷淤積物,因此選用表孔與底孔相結(jié)合的型式。

(2)表孔孔口尺寸應考慮排泄可能出現(xiàn)的少量大樹木,底孔孔口尺寸則應考慮導流及放空水庫要求。選擇單寬流量時還應考慮下游河道的抗沖要求。

(3)由于泄水建筑物布置在右岸灘地,下游出流與主河道有一交角,布置上應盡量避免下泄水流頂沖河岸和回流淤積電站尾水渠。

(4)泄水建筑物下游消能工必須滿足各種泄流條件下的消能要求,要力求水躍躍首向閘室靠近,同時要避免水躍躍首拍打底孔閘門。

3.2.2 布置方案選擇

根據(jù)上述運用要求及布置原則,通過比選和模型試驗驗證,泄水閘采用底孔和表孔結(jié)合布置型式。

針對表孔和底孔相互位置、表孔堰頂高程及下游消能防沖進行了如下兩個方案的比選:方案1。表孔布置于右側(cè)緊靠廠房,堰頂高程303.5 m,采用面流消能以利于排漂；2個底孔布置于左側(cè),采用底流消能；消力池內(nèi)設長導墻以隔開底流和面流兩種不同流態(tài)。方案2。中間布置表孔,堰頂高程為301.7 m,兩側(cè)為底孔,對稱布置,表孔、底孔均采用底流消能,消力池中不設導墻。

通過水工模型試驗,兩方案比較如下:

(1)方案1表孔采用面流消能,對下游水位比較敏感,當泄量大于600 m3/s,下游水位高于291.0 m時,出流成為淹沒面流,消力池內(nèi)漂浮物打滾,水面形成較大波浪,對下游出口消能不利。方案2表孔采用底流消能,在各種流量情況下,流態(tài)穩(wěn)定,消能可靠。

(2)方案1因受要求產(chǎn)生面流所制約,表孔泄量不宜大于220 m3/s,不僅減少表孔分流比,影響排漂效果,而且在常遇流量500 m3/s左右情況下,尚需經(jīng)常同步開啟兩底孔,運行不夠靈活。

(3)方案1比方案2需在表孔和底孔消力池之間多設1道長導墻,增加鋼筋混凝土1 500多m3,工程費用增加。

(4)方案2雖有漂木在消力池打滾不易排走的缺點,但考慮庫區(qū)清理后,水庫蓄水后已無大量漂木來源,一些較小漂浮物能夠隨水流從消力池排走。

經(jīng)綜合比較,泄水閘采用方案2布置型式,在庫水位308.5 m時,泄水閘最大泄量達到1 954 m3/s,滿足運行要求。

3.2.3 泄水閘布置設計

泄水閘布置在樞紐的右岸,距離主河槽約150 m。泄水閘左側(cè)為左岸土壩,右側(cè)為河床電站。泄水閘建基面高程為276.50～279.00 m,位于薄層砂巖 (K2i-3)的下部,最大挖深約16.5 m。

泄水閘由上游鋪蓋、閘室、消力池、海漫、防沖槽等部分組成,總長201.39 m。泄水閘分為2個閘室,左閘室由左底孔和邊墻組成,底寬25.5 m,閘室設1個7 m×7 m(寬×高)的底孔。右閘室由表孔和右底孔組成,閘室寬為25m,布置1個表孔和1個底孔,表孔孔口寬10 m,底孔孔口尺寸為7 m×7 m(寬×高)。

經(jīng)分析和模型試驗驗證,上述泄水閘布置方案滿足導流、放空要求。在庫水位308.5 m時表孔敞泄流量可達320 m3/s,兩個底孔全開可達1 634 m3/s。而運行期樞紐校核流量為1 280m3/s,因此泄水閘泄流能力是留有余地的。合理運用表孔和底孔能夠?qū)崿F(xiàn)樞紐的安全運行。

3.3 廠房及開關站布置設計

電站廠房為徑流河床式廠房,布置在右岸灘地,左側(cè)為泄水閘,安裝場右側(cè)為右岸土壩。電站廠房為樞紐中最高擋水建筑物,最大高度達44.5m。

廠房安裝4臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組,單機容量為30MW,總裝機容量為120MW。主廠房總長度為128.4m,其中機組段長90.9 m,安裝間長37.5m。從電站進水口至尾水管下游末端順水流向下部全長62.61m。主廠房發(fā)電機層高程為298.0 m,其下部依次布置有水輪機層、蝸殼和尾水管層。

副廠房布置于安裝間右側(cè)壩軸線下游43.25 m處的廠前區(qū)平臺上,地面高程為298 m,副廠房通過連廊與主廠房相連。廠前區(qū)長127 m,寬109.75 m,除副廠房外,還布置有機修間、30 kV開關站、絕緣油油庫、柴油機房等。

開關站布置于右岸土壩下游,距壩軸線146.75 m,與廠房成90°布置,面積為153 m×65 m,地面高程298.0 m。電壓220 kV,容量3.15萬kW的主變壓器布置于高程為298 m的尾水平臺上,高壓側(cè)引出線經(jīng)架空線路通過尾水渠右岸4個單回路轉(zhuǎn)角鐵塔進入220 kV開關站。開關站與進場公路相連,與主副廠房相距較近,管理集中,交通方便。

電站進水口引渠和下游尾水渠與泄水閘共用,施工期為導流渠。進水渠與尾水渠底高程均為286.0 m,進水渠進口最窄處62.5 m,下游尾水渠最窄處寬92.35 m,尾水渠從尾水管出口高程277.33 m開始,以1∶4的反坡延伸至283.5 m,設2.0 m平臺,再以1∶3反坡延伸至286.0m,然后與下游河道平順連接。經(jīng)水工模型試驗及現(xiàn)場過流運行驗證,引渠和尾水渠的水流平穩(wěn),流速較緩,流態(tài)良好。

4 結(jié) 語

英布魯水電站作為剛果(布)境內(nèi)目前已建成并投入使用的最大水電站,設計人員在數(shù)十年的勘測設計工作中,通過大量分析和模型試驗研究,根據(jù)現(xiàn)場的條件,因地制宜,合理、巧妙地對樞紐總布置及建筑物進行了設計。電站建成至今,運行狀況良好。