［德國］R.沃克 等

20世紀(jì)60年代，自尼羅河上的阿斯旺高壩建成后，尼羅河河勢發(fā)生了較大改變，使原建的一些老建筑物下游的河床加速刷深，導(dǎo)致壩下水位下降，在枯水季節(jié)建筑物上下游的水位差變大。因此很有必要修建新的水利樞紐以代替原來的建筑物。在更高水頭的作用下，這些建筑物的基礎(chǔ)可能發(fā)生滑動和內(nèi)部受到侵蝕，20世紀(jì)70、80年代期間，人們就已開始擔(dān)心其安全度會降低。過低的下游水位會使下游護(hù)坦受到更大程度的水力沖刷，因此而擔(dān)心護(hù)坦和深沖刷坑的破壞會進(jìn)一步降低建筑物的穩(wěn)定性。對所有3座老堰壩曾經(jīng)提出過在原地修復(fù)的比選方案，但根據(jù)綜合可行性研究結(jié)果，這一方案未被采納。

1 艾斯尤特壩

1898～1902年，為了將尼羅河水引至易卜拉欣米亞(Ibrahimia)運(yùn)河，修建了艾斯尤特壩及其配套的渠首控制建筑物。該壩是在尼羅河主河道上修建的首座大壩，此后才修建了老阿斯旺壩和開羅壩;1907年修建了伊斯納(Esna)壩，1930年修建了納加哈馬迪(Naga Hammadi)壩。這些壩不僅在過去幾十年中從未間斷地將尼羅河水引入農(nóng)田灌溉渠系，還形成了開羅至阿斯旺間的巨大通航水道。

艾斯尤特壩實(shí)際上是一座大型水閘，共有111個拱形閘孔，每孔寬5 m，閘墩置于混凝土底板上。閘門為吊裝式雙葉滑動閘門，由閘門的啟閉來控制水流下泄。左岸布置有一座寬16 m的船閘，壩肩之間的壩總長820 m。臨近的易卜拉欣米亞渠首控制建筑物與艾斯尤特閘類似，只是規(guī)模小些，只有9孔閘和一座寬9 m的通航船閘。

2 新艾斯尤特壩規(guī)劃

新壩的規(guī)劃工作從1980年開始，包括修建1994年完工的新伊斯納壩及其電站，2008年完工的新納加哈馬迪壩及其電站。

德國復(fù)興信貸銀行(KfW)致力于全球新能源工程的開發(fā)，艾斯尤特壩的大部分前期規(guī)劃和可行性研究工作得到了該銀行的資助。在2007年，埃及政府對KfW銀行提供了貸款擔(dān)保，用于在老艾斯尤特壩下游修建新壩及水電站，電站計(jì)劃裝機(jī)32 MW。

2000～2005年，埃及水利和灌溉部水庫和大壩司聘請國內(nèi)和國際咨詢公司，按照KfW標(biāo)準(zhǔn)對該工程進(jìn)行了可行性研究。研究結(jié)論認(rèn)為，老壩壩址修復(fù)在技術(shù)上是可行的。同時，對修建于原壩下游、包含電站的新壩的5種布置方案也展開了研究，結(jié)論是這5種方案在技術(shù)上也是可行的。

各方案造價相互接近，原壩修復(fù)方案只比新修壩方案造價便宜8%。若贊成新修壩方案，則應(yīng)根據(jù)水工物理模型試驗(yàn)結(jié)果做出有關(guān)優(yōu)先選用布置方案的最終決策。

2008年初，水利和灌溉部水庫和大壩司與艾斯尤特工程開發(fā)咨詢公司(ABCD)簽訂了咨詢合同，

合同規(guī)定由該公司負(fù)責(zé)新壩工程的招標(biāo)設(shè)計(jì)、招投標(biāo)文件的草擬、社會和環(huán)境影響的控制及工程建設(shè)監(jiān)理。艾斯尤特公司是由3家單位共同注資組建的合資公司，分別是德國拉美爾(Lahmeyer)國際咨詢公司和RMD咨詢公司，以及法國的阿爾特利亞(Artelia)公司。工程已于2012年5月開工，計(jì)劃工期5 a。

3 水工物理模型試驗(yàn)研究

2008～2009年，在開羅埃及水利科學(xué)研究所(HRI)試驗(yàn)室內(nèi)，對新壩的幾種布置方案開展物理模型試驗(yàn)。按1∶45的比尺建造了一個尼羅河定床模型，模型材質(zhì)為混凝土;模擬河段長5 km，其中現(xiàn)有艾斯尤特壩上游河段長1 km，下游河段長4 km。模型河床依據(jù)HRI在2009年9月測量的水下河床地形資料復(fù)制，模型率定采用HRI在3種情況下的實(shí)測流速數(shù)據(jù):2006年8月的大流量、2007年1月的小流量以及2007年4月和2009年9月的平均流量工況。

新壩選址受到某些條件的限制。已確認(rèn)的幾處可能的壩址，均位于建壩的上游或下游較近處。但是，老壩上游方向城區(qū)以外的一座壩，則需延長易卜拉欣米亞灌溉水渠并改線，且要重新修建渠首建筑物;而下游方向城區(qū)以外的一座壩則會導(dǎo)致水庫向下游延伸，并抬高人口密集區(qū)的水位，可能會使建筑物下沉及地下室和地下設(shè)施被淹。最終，選擇的新壩址在老壩下游約400 m處，在河道中抽干的開挖基坑上修建主要建筑物。將新壩址選在如此靠近原壩下游的位置，主要基于以下考慮。

(1)在新壩基礎(chǔ)開挖期間，使原壩失事風(fēng)險降到最小。

(2)減少可能流入施工基坑中的進(jìn)水量。最終選定的新壩位置和布置方案可降低圍堰、防滲墻、基坑開挖以及排水的成本。

另外還要求在施工期，應(yīng)保證尼羅河上行和下行通航不中斷;盡量減少跨河交通中斷的時段。

模型試驗(yàn)中，水流情況按2個階段加以評估:①河道水流繞過施工基坑的導(dǎo)流期;②大壩完全建成后的運(yùn)行期。

依據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，考慮到規(guī)劃及成本，選擇的新艾斯尤特壩建筑物包括:1座有2個閘室的通航船閘，閘室寬為17 m，有效長為156 m;1座安裝4臺燈泡機(jī)組的發(fā)電廠房，每臺額定容量為8 MW;在發(fā)電廠房一側(cè)設(shè)置2座泄水閘，其中1座有5扇弧形閘門，另1座有3扇弧形閘門，閘門寬為17 m;1段封堵導(dǎo)流河道的合龍壩，其主要防滲結(jié)構(gòu)為塑性混凝土防滲墻;1條有4車道的跨河交通道路。

壩的首要任務(wù)是雍高庫水位，以保證易卜拉欣米亞水渠在灌溉需水高峰季節(jié)的引水流量達(dá)到440 m3/s，其次是提供一定的庫容滿足防洪和灌溉需要。雖然水力發(fā)電具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，但只被看作是大壩的次要任務(wù)。按照大壩運(yùn)行調(diào)度計(jì)劃，發(fā)電廠年均發(fā)電量為230 GW·h，相比于效率低下的老火力發(fā)電廠，可減排二氧化碳12.5萬t。

在洪峰來臨時，泄水閘最大下泄流量可達(dá)7 000 m3/s，在該流量下庫水位不超過歷史最高水位52.8 m。在正常運(yùn)行期間，泄水閘要泄放一定的流量(超過電站泄流能力的部分)供下游灌溉。在下游灌溉用水高峰期間，除利用電站下泄流量外，其余部分均通過泄水閘下泄，此時僅通過泄水閘的灌溉用水流量就達(dá)1 000 m3/s。

相比原壩較寬的泄水閘(110孔，每孔寬5 m，共550 m)，新泄水閘將流量集中在一個很窄(8孔，每孔寬17 m，共136 m)且更深的過流斷面上，為了防止泄水閘對下游產(chǎn)生沖刷，對緊靠泄水閘門下游的消力池布置方案做了仔細(xì)研究。最終采用的是在泄水閘底檻后設(shè)一斜坡連接消力池，在消力池末端設(shè)一臺階與其后的長混凝土底板連接(圖1、2)。在一個長試驗(yàn)水槽中，按1∶21的模型比尺對上述布置進(jìn)行了驗(yàn)證，目的是將混凝土板末端處底流速和大體積紊動盡可能降到最小值。

圖1 泄水閘剖面示意

圖2 消力池末端陡坎、混凝土護(hù)坦示意

水閘上下游的水位特點(diǎn)，決定了消力池運(yùn)行的水力學(xué)條件為低弗氏數(shù)和淹沒水躍。

相比高弗氏數(shù)時的自由水躍，少有文獻(xiàn)研究低弗氏數(shù)情況下淹沒水躍的水力學(xué)特性。從僅有的研究文獻(xiàn)可以得到以下結(jié)論:①淹沒水躍長度比自由水躍長很多;②淹沒水躍前半段底流速很快，但到下半段后迅速并顯著減小;③在低弗氏數(shù)情況下，淹沒水躍的消能效果比自由水躍更好;④在低弗氏數(shù)情況下(＜10)，當(dāng)淹沒系數(shù) s在0.4～0.5范圍時，消能效果最好，其中s=(twl－yc)/yc，式中，twl為下游水深，yc為水躍的共軛水深。

為設(shè)計(jì)出較經(jīng)濟(jì)的消力池，對幾個備選方案在水槽中進(jìn)行了比尺為1∶21的對比試驗(yàn)，最終采用的消力池布置尺寸見表1。試驗(yàn)中對一些細(xì)節(jié)也進(jìn)行了研究，比如消力墩和末端陡坎的形式(圓弧形邊緣、直角邊緣、外凸型等)，具體結(jié)果見表2。

表1 消力池尺寸

表2 消力墩和末端陡坎布置

4 數(shù)學(xué)模型研究

在做物理模型試驗(yàn)的同時，還進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，主要研究船閘充泄水系統(tǒng)、電廠泄流量突然變化導(dǎo)致的水面上升和下降涌浪，以及導(dǎo)流布置。此外，還對河床施工基坑中需抽排的水量進(jìn)行了估計(jì)，該基坑面積達(dá)180 000 m2，外圍是高7 m的環(huán)形圍堰。圍堰中的隔水層是深40 m的黏土連續(xù)墻，它穿過的河床地層包含粉砂層、砂礫石以及淤泥土夾層。

基坑排水前，對下部地層的滲透性開展了研究，并由此估計(jì)出基坑抽水量，各種估算結(jié)果如下:

老壩下部沙地層測得的平均滲透系數(shù)為9.15×10－6m/s(2000年);通過離岸鉆孔試驗(yàn)測得的平均滲透系數(shù)為1.45 ×10－4m/s(2002、2004 年);計(jì)算中采用的水平滲透系數(shù)取 2.5×10－5m/s(2002年);計(jì)算中采用的豎向滲透系數(shù)取7.14×10－6m/s(2002年);計(jì)算中采用的平均滲透系數(shù)為1.5×10－4m/s(2005年)。

以往的研究公認(rèn)滲透系數(shù)的各向異性，但沒有提供如何對其評估的任何資料。在目前的規(guī)劃階段，是用二維和三維數(shù)學(xué)模型估算基坑排水所需要的抽水速率。結(jié)果表明，抽水量范圍為124 000～408 000 m3/d，與滲透系數(shù)的假設(shè)有很大關(guān)系。由于在基坑防滲墻底部存在一個水平向的礫石含水層，所以應(yīng)將要求的抽送率擴(kuò)大到1.5倍。

5 社會和環(huán)境規(guī)劃

新壩將修建在鄰近艾斯尤特市的尼羅河上，該市人口約80萬。為此，KfW要求必須嚴(yán)格按照國際大壩委員會的指南進(jìn)行社會與環(huán)境影響評估，包括已確認(rèn)的主要負(fù)面影響:施工期間臨時土地占用、原壩過橋交通中斷1 a，施工噪音、灰塵和交通量的增加。工程永久占地很少，只有1.4 hm2，臨時占地較多，達(dá)35 hm2，主要是農(nóng)耕地和園藝用地，已確認(rèn)了這些土地的7位擁有者和77位土地使用者。依據(jù)當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)和土地出租收益，對7位土地?fù)碛姓哌M(jìn)行補(bǔ)償，而對另外77位土地使用者，則按照土地收益評估結(jié)果對其進(jìn)行補(bǔ)償。

6 合同安排

為了順利推進(jìn)艾斯尤特壩工程，業(yè)主方指定了專門的咨詢公司，對保證工程順利實(shí)施的各種可能的合同安排方式進(jìn)行研究，為此還召開了“合同專題研討會”。在研討會上，提出了2種比選方式，即整體單包和分成幾項(xiàng)承包。

業(yè)主的主要目標(biāo)是:保留充分的權(quán)力，根據(jù)質(zhì)量或性能最好且報價最低的原則自行選擇個別的承包商;盡量限制自已參與個別的和整體的合同計(jì)劃管理，以及各合同責(zé)任區(qū)段間的協(xié)調(diào)，從而盡量減少由于個別承包商不遵守合同而造成不良效果、致使增加造價和耽誤工期的負(fù)面影響。

考慮到現(xiàn)在國際水電設(shè)備市場已相當(dāng)健全以及水電設(shè)備供應(yīng)廠商不愿與土建施工方組成合資公司，因此在招標(biāo)過程中，幾乎沒有考慮邀請由水電設(shè)備供應(yīng)商和土建施工方預(yù)先組成的合資公司參與投標(biāo)過程。

艾斯尤特工程的幾個分包合同為:①標(biāo)1為土建工程;②標(biāo)2為泄水道和船閘的水力機(jī)械設(shè)備，以及電站廠房閘門和疊梁門;③標(biāo)3為燈泡式水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及電站的水力機(jī)械設(shè)備;④標(biāo)4為電站和開關(guān)站的電器設(shè)備。

針對分為幾個合同承包的招標(biāo)方式，也產(chǎn)生過爭論。對于業(yè)主來說，分為幾個合同包單獨(dú)招標(biāo)的方式能使價格和質(zhì)量有更大的透明度，對做選擇有更大的靈活性，且無需被迫接受有部分低下質(zhì)量的整體招標(biāo)。相反，業(yè)主可以依據(jù)某些特殊的需要和情況，編制自己的多目標(biāo)計(jì)劃。

承包商和設(shè)備供應(yīng)商的報價不會因諸如不可預(yù)見的地層條件、設(shè)計(jì)變更或固定不變的價格要求等偶然事件的影響而上漲，因此投標(biāo)價格普遍較低。

業(yè)主可對工程進(jìn)行全程控制，可以依據(jù)變化情況而直接改變設(shè)計(jì)。雖然設(shè)計(jì)變更很可能會導(dǎo)致造價增加，但可以對設(shè)計(jì)變更的工程量和造價進(jìn)行預(yù)先估算。

當(dāng)然傳統(tǒng)的招標(biāo)方法也存在不足:若壩址地下情況比原先預(yù)計(jì)的差，則業(yè)主將承擔(dān)由此造成的工程費(fèi)用增加;若各分承包商及供貨商之間未得到妥善溝通協(xié)調(diào)，則補(bǔ)救措施費(fèi)用將由業(yè)主負(fù)擔(dān);如果各不同承包商和供貨商之間的界面連接不能得到適當(dāng)控制，則由業(yè)主承擔(dān)增加的費(fèi)用;由于承包商的數(shù)目在2家以上，因此索賠和罰款程序?qū)⑾喈?dāng)復(fù)雜，而且很難處理。

為便于對各承包商的管理，所有的發(fā)包標(biāo)段同時招標(biāo)，并要求共同執(zhí)行規(guī)定的施工/安裝進(jìn)度計(jì)劃。這就要求施工和安裝方必須制訂詳細(xì)的計(jì)劃，所有參與各方都同意遵守共同的進(jìn)度計(jì)劃。

7 結(jié)語

新艾斯尤特壩及其水電站工程建設(shè)將持續(xù)到2017年，主要工程量包括:超過33萬m3的鋼筋混凝土澆筑量;超過220萬m3的開挖量;超過900萬m3的大壩填筑量;超過10萬m2的防滲墻施工量。

參與該工程建設(shè)的所有承包方和供貨商，均參與了納加哈馬迪壩的施工，并取得了成功。因此，業(yè)主期待著他們能在新艾斯尤特壩工程中同樣取得成功。