尹曉林，程 春

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

瑪依納水電站位于哈薩克斯坦共和國東南部阿拉木圖州萊姆別克區(qū)的伊犁河支流——恰倫河上，為一座綜合性水利樞紐。工程主要任務(wù)為發(fā)電，其次是灌溉。電站為混合式開發(fā)，其主要建筑物由首部大壩樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐等建筑物組成。大壩為黏土心墻堆石壩，壩高94.0m；水庫正常蓄水位1 770.00m，死水位1 736.0m；電站引用流量74.0m3/s，引水系統(tǒng)長約9.2km，電站利用落差約500m，安裝2臺單機容量150MW的沖擊式水輪發(fā)電機。

瑪依納水電站工程區(qū)及外圍位于天山地震帶活動性很強的中天山地震帶內(nèi)，場地的地震烈度按國際MSK-1964烈度表為Ⅸ度。大壩壩址峽谷谷底部和中部的基巖、頂部覆蓋層的地震動峰值加速度amax分別為0.44g、0.88g。

電站的引水發(fā)電建筑物包括引水建筑物和廠房建筑物兩部分。

引水建筑物由引水隧洞、調(diào)壓井及壓力管道組成。引水建筑物處出露的地層主要為石炭系下統(tǒng)克特緬(C1t-v1kt)火山巖，巖性主要有層凝灰?guī)r、不同成分的凝灰?guī)r、斑巖、玢巖、凝灰角礫巖、粗面流紋巖和少量玄武巖等。壓力管道末段有奧陶系上統(tǒng)(γO3)花崗巖侵入，巖性復(fù)雜。區(qū)內(nèi)無大的區(qū)域性斷裂構(gòu)造。地下洞室圍巖條件和圍巖的穩(wěn)定性主要受控于地層巖性、上覆巖體厚度、地質(zhì)構(gòu)造、巖石強度、巖體完整性、結(jié)構(gòu)面組合、風(fēng)化卸荷程度和地下水活動情況等。地下水蘊藏受地形地貌與構(gòu)造控制，預(yù)計在斷層破碎帶與影響帶、裂隙密集帶部位地下水相對較豐富且可能局部有承壓水。推測引水建筑物洞室圍巖類別Ⅲ類占60%，Ⅳ、Ⅴ類占40%。

廠房建筑物由主廠房、副廠房、綜合辦公樓、主變場組成，開關(guān)站由哈方自建。

地面廠房附近為一級階地緩坡平臺，經(jīng)勘探揭示沖積堆積層厚10～15m，下伏基巖為奧陶系上統(tǒng)(γO3)淺肉紅色二長花崗巖。推測巖體強風(fēng)化、強卸荷垂直埋深10～20m，弱風(fēng)化、弱卸荷垂直埋深25～30m。

2 引水建筑物布置方案選擇

2.1 引水建筑物一般布置方式

引水式電站引水建筑物一般由電站進水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道組成，引水建筑物縱剖面布置一般采用一坡到底方案或豎(斜)井方案。

一坡到底方案即從電站進水口至安裝高程基本采用一個縱坡值，高壓引水隧洞段較長。該布置方案要求地形陡峻、引水隧洞區(qū)的圍巖地質(zhì)條件好。優(yōu)點是：方便施工支洞的布置，有利于環(huán)境保護；方便利用掘進機施工；充分利用圍巖承載，支護結(jié)構(gòu)簡單；調(diào)壓室采用深埋的氣墊式調(diào)壓室；工程投資?。唤ㄖ锝Y(jié)構(gòu)的運行可靠性高。該布置方案在挪威運用較多。近年來，在國內(nèi)電站建設(shè)條件適宜的工程項目中也推廣采用一坡到底布置方案，采用氣墊式調(diào)壓室。

豎(斜)井方案即充分利用地形條件，從電站進水口至調(diào)壓井采用較緩的隧洞縱坡值，縮短高壓隧洞的長度，在調(diào)壓井后采用豎井或斜井的集中壓坡布置方式。優(yōu)點是：高壓引水隧洞段縮短；調(diào)壓井豎井高度降低；引水隧洞和調(diào)壓井的結(jié)構(gòu)受力條件改善；重點加強高壓洞段的結(jié)構(gòu)支護，確保建筑物結(jié)構(gòu)的運行可靠性。該方案是國內(nèi)外水電站設(shè)計中成熟而普遍采用的布置型式。

2.2 引水建筑物布置方案

2.2.1 一坡到底方案(哈薩克斯坦水利設(shè)計院推薦方案)

引水隧洞進口底高程為1 718.50m，至調(diào)壓井處底高程為1 520.00m，隧洞長4 820m，縱坡i=0.041 83，引水隧洞最大內(nèi)水壓力2.7MPa。露天調(diào)壓井筒高260.0m。地下埋藏式壓力管道首端底高程1 520.00m，末端底高程1 247.00m，壓力管道長4 300m，前段縱坡i=0.087 1，后段縱坡i=0.002 73。根據(jù)地形條件，在引水系統(tǒng)中部設(shè)一條施工支洞，支洞長1 100m，為便于引水建筑物檢修，在施工支洞設(shè)置檢修進人孔。

2.2.2 豎井方案(中方調(diào)整方案)

引水隧洞進口底高程1 718.50m，考慮引水隧洞沿線實際的地形條件，結(jié)合合同工期要求和布置施工支洞的地形、地質(zhì)條件，確定調(diào)壓井處底高程1 605.00m。隧洞長約4 912m，縱坡i=0.118 18和i=0.015 200 2，引水隧洞最大內(nèi)水壓力為1.81MPa。露天調(diào)壓井豎井高175.00m。地下埋藏式壓力管道分上平段、豎井段(或斜井段)和下平段以及岔支管段。

壓力管道采用豎井還是斜井布置，主要取決于施工方法、施工設(shè)備。豎井布置有利于采用反井鉆機進行施工，投資略大；斜井布置有利于采用爬罐進行施工，投資略小。考慮本工程在國外施工，為了加快施工進度，確保施工安全，合理利用施工設(shè)備(閘門井、調(diào)壓井采用反井鉆機施工)，推薦該電站的壓力管道采用豎井布置方案。

壓力管道上平段底高程1 605.00m，豎井高205m，下平段起點高程1 396.05m，壓力管道主管長約4 301m，縱坡i=0.039 06和i=0。為滿足該工程項目的建設(shè)工期要求，適應(yīng)常規(guī)的鉆爆法開挖，根據(jù)引水線路沿線地形條件，該方案引水系統(tǒng)共設(shè)4條施工支洞，1號和2號施工支洞布置在引水隧洞區(qū)，3號和4號施工支洞布置在壓力管道區(qū)。1號施工支洞長790m，2號施工支洞長634m，3號施工支洞長516m，4號施工支洞長464m。為便于引水建筑物的維護和檢修，在2號施工支洞設(shè)置檢修進人門。

2.3 引水建筑物布置方案比選

工程引水建筑物的布置受地形、地質(zhì)條件的限制，一坡到底方案和豎井方案的引水系統(tǒng)平面布置基本一致，全部水頭損失完全相同。兩個方案的引水建筑物襯砌型式基本相同，只是襯砌段的長度和對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)是根據(jù)洞室圍巖條件和建筑物承受的內(nèi)外水壓力大小確定而各異。

對本工程而言，一坡到底方案的布置只是引水隧洞和壓力管道檢修方便，其他優(yōu)點無法體現(xiàn)，反而缺點明顯。哈方推薦的一坡到底方案實際上從隧洞進口到出口的縱坡并不完全一致，且坡度較大，導(dǎo)致施工不便，與利用掘進機施工和常規(guī)的施工方法、施工設(shè)備都不適應(yīng)；隧洞和調(diào)壓井的支護結(jié)構(gòu)復(fù)雜；受地形、地質(zhì)條件的限制，不能采用氣墊式調(diào)壓室，只能采用常規(guī)調(diào)壓井，導(dǎo)致調(diào)壓井豎井很高；隧洞和調(diào)壓井建筑物結(jié)構(gòu)的運行可靠性降低；調(diào)壓井檢修難度增大；總投資增大；建設(shè)工期長。

豎井方案較好地解決了一坡到底方案所遇到的問題。有利于利用常規(guī)施工設(shè)備組織施工，加快了施工進度；減少了結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，提高了建筑物結(jié)構(gòu)的運行可靠性。

綜上所述，中方推薦引水建筑物布置采用豎井方案。引水發(fā)電樞紐建筑物布置方案見圖1、2。

3 廠房建筑物的布置

哈薩克斯坦水利設(shè)計院推薦的地面廠房位于阿克斗卡附近恰倫河右岸一級階地緩坡臺地上，該地具有布置地面廠房較好的地形條件。經(jīng)中方工程師現(xiàn)場勘察復(fù)核，該范圍沖溝發(fā)育，一級階地緩坡臺地覆蓋層較厚、地基承載力較低，在一級階地上游靠山側(cè)的1 245～1 275m高程有一天然基巖邊坡，坡高約20m，坡度40°～50°。經(jīng)推測，該基巖邊坡外側(cè)一定范圍內(nèi)的一級階地緩坡臺地下部有基巖出露，由于該工程區(qū)的地震烈度為Ⅸ度，按照規(guī)范要求，廠房建筑物不宜建在軟基上。

廠房建筑物的主機間和安裝間呈“一”字形排列，安裝間布置在主機間右側(cè)，安裝間的上游側(cè)布置綜合辦公樓，主機間上游側(cè)布置副廠房和主變場。主廠房平面尺寸78.98m×28.00m(長×寬)，其中主機間長50.90m，安裝間長28.08m；副廠房長50.90m，寬12.92m；綜合辦公樓平面尺寸28.0m×22.20m(長×寬)。根據(jù)廠房建筑物的布置及尺寸大小，對原哈方設(shè)計的地面廠房位置進行了調(diào)整，將廠房移至天然基巖邊坡出露范圍。該布置方案不僅避開了下游較大沖溝水流對廠房建筑物的影響，同時，將廠房建筑物基礎(chǔ)全部置于基巖上，且保證了壓力管道、尾水和對外交通的布置順暢。為滿足將廠房建筑物基礎(chǔ)全部置于基巖上，僅對天然基巖邊坡進行適當(dāng)開挖，開挖廠房后坡總高約40m，并對開挖形成的廠房邊坡和局部的廠房基礎(chǔ)進行適當(dāng)?shù)墓こ烫幚?，以確保廠房建筑物的結(jié)構(gòu)及運行安全。

圖1 引水發(fā)電樞紐建筑物平面布置示意

圖2 引水發(fā)電樞紐建筑物縱剖面

地面廠房的布置位置見圖1。

4 結(jié) 論

瑪依納水電站為高水頭引水式電站，引水系統(tǒng)為“一洞一井一管兩機”，機組采用沖擊式水輪發(fā)電機。引水建筑物由于受地形條件的限制，調(diào)壓井位置無選擇余地，引水隧洞長4 913m，調(diào)壓井后壓力鋼管主管長約4 322m，調(diào)壓井后Tw=5.21s ，Tw/Ta=0.62。通過利用計算機程序進行模擬，對整個引水發(fā)電系統(tǒng)(含水輪發(fā)電機組)進行水力過渡過程分析計算。計算結(jié)果表明：由于配水環(huán)管末端的最大壓力和機組的最大轉(zhuǎn)速上升率分別由針閥和折向器控制，均能夠選擇合適的啟閉規(guī)律保證調(diào)保參數(shù)在控制值范圍內(nèi)。

瑪依納水電站的引水發(fā)電工程項目由中方采用EPC承包方式承建，由中方經(jīng)調(diào)整推薦的引水發(fā)電建筑物布置方案獲得了哈方相關(guān)部門的審查同意，從而使工程項目的建設(shè)得以順利推進。

該工程項目于2008年4月8日雙方簽訂EPC合同，2008年7月，中方人員進場開展施工前的各項準(zhǔn)備工作。中方承包商克服人員簽證和設(shè)備進場困難，通過努力在惡劣的氣候條件和較差的施工環(huán)境下，于2009年10月完成地面廠房開挖，2010年7月完成調(diào)壓井開挖，2010年9月完成引水隧洞開挖，2011年4月完成壓力管道開挖，2012年2月1日實現(xiàn)第一臺機組的發(fā)電目標(biāo)。

通過對引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、地面廠房開挖揭示的地質(zhì)條件分析表明：中方推薦的引水建筑物布置采用豎井方案和地面廠房位置調(diào)整方案，較好地滿足了施工及工期要求，同時確保了施工安全和質(zhì)量。如果按照一坡到底方案實施，在施工過程中，不僅很長的壓力引水隧洞段都有可能遇到嚴(yán)重的地下水問題，而且在引水隧洞前段和壓力管道的局部洞段都會遇到成洞難的問題，對工程建設(shè)的安全、質(zhì)量、工期、費用等都可能造成很大的影響。調(diào)整后的地面廠房基礎(chǔ)基本上都位于弱風(fēng)化、弱卸荷巖體上，僅安裝間底板的局部范圍位于強風(fēng)化、強卸荷巖體上，達到了調(diào)整引水發(fā)電樞紐建筑物布置方案的預(yù)期目的。