席燕林 常玉龍

喀麥隆曼維萊水電站工程設(shè)計(jì)優(yōu)化

席燕林 常玉龍

喀麥隆曼維萊水電站為徑流引水式水電站，采用EPC承包模式。在項(xiàng)目執(zhí)行過程中，隨著對(duì)客觀自然條件認(rèn)識(shí)的逐步加深、外部條件的不斷變化和工程技術(shù)的發(fā)展，對(duì)樞紐布置、基礎(chǔ)處理、壩型方案、輸水明渠設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了完善和優(yōu)化，得到提高裝機(jī)容量、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約造價(jià)的多重效果，使業(yè)主和總承包商達(dá)到了雙贏的目標(biāo)，取得了良好的效果。

曼維萊水電站 樞紐布置 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 工程概況

喀麥隆水電資源豐富(位于非洲第三)，開發(fā)潛能巨大，但是開發(fā)利用十分有限。根據(jù)最新的電網(wǎng)規(guī)劃及電力需求預(yù)測(cè)，喀麥隆南方電網(wǎng)至設(shè)計(jì)水平年2025年時(shí)的電力總需求將達(dá)到2 345 MW，若考慮南方電網(wǎng)目前的供電電源點(diǎn)來計(jì)算，至2025年時(shí)電力缺口高達(dá)1 536 MW，因電力不足使得喀麥隆政府不得不對(duì)電力消費(fèi)者采取定量分配供應(yīng)制?？溌≌?jì)劃大力推動(dòng)其工業(yè)的復(fù)興，電力能源又是工業(yè)化的保證，是政府大力支持的行業(yè)，根據(jù)喀政府的戰(zhàn)略計(jì)劃，為了填補(bǔ)當(dāng)前和未來的電力需求缺口，喀麥隆政府正在規(guī)劃和努力實(shí)施一批能源項(xiàng)目。其中位于喀麥隆南部地區(qū)恩特娒河上的曼維萊(MEMVE＇ELE)水電站是政府重點(diǎn)推進(jìn)和落實(shí)的項(xiàng)目之一，是目前喀麥隆國內(nèi)在建的最大水電站項(xiàng)目。工程規(guī)模為Ⅱ等大(2)型，其主要任務(wù)是發(fā)電。

曼維萊水電站位于喀麥隆共和國南部瑪安省鏡內(nèi)緊鄰赤道幾內(nèi)亞的恩特姆河上，地處熱帶叢林地區(qū)，距南部大區(qū)首府埃博洛瓦市(Ebolowa)約175 km，距首都雅溫得(Yaounde)約343 km。

樞紐及電站設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 000年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為PMF洪水。水庫總庫容1.3億m3，電站總裝機(jī)容量211 MW(4×52.75 MW)。多年均發(fā)電量11.87億kW·h，通過280 km同塔雙回225 kV輸變電線路接入喀麥隆南部電網(wǎng)。水電站主體工程施工期54個(gè)月，主體工程(不包括輸變電線路及進(jìn)場(chǎng)公路)工程總投資約6.37億美元。中國電建采用EPC方式承包，中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司負(fù)責(zé)勘測(cè)設(shè)計(jì)。

工程主要建筑物由首部樞紐以及位于工程區(qū)左岸的引水發(fā)電系統(tǒng)建筑物等組成。首部擋水和泄水建筑物主要包括：攔河壩、主溢洪道及泄洪沖沙閘、輔助溢洪道及渠道進(jìn)水口等，攔河壩及泄水建筑物沿壩軸線全長約 1 935 m(含渠道進(jìn)水口攔污柵閘段長度)。發(fā)電引水建筑物為：輸水明渠(設(shè)計(jì)引用流量450 m3/s)、前池及二道壩、壓力管道、電站廠房、 225 kV戶外式開關(guān)站及廠區(qū)附屬建筑物等。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化的原則

2.1 設(shè)計(jì)優(yōu)化的原則

按照FIDIC條款的解釋，EPC(Engineering Procurement Construction)承包模式是指承包公司受業(yè)主委托，按照合同約定對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購、施工、試運(yùn)行等實(shí)行全過程或若干階段的承包。通?？偝邪驹诳們r(jià)合同條件下，對(duì)其所承包工程的質(zhì)量、安全、費(fèi)用和進(jìn)度進(jìn)行負(fù)責(zé)。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)化遵循以下原則：

(1)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)不降低合同對(duì)項(xiàng)目功能的基本要求，滿足合同對(duì)質(zhì)量、安全、費(fèi)用和進(jìn)度的基本要求。

(2)在EPC模式中，Engineering不僅包括具體的設(shè)計(jì)工作，而且包括整個(gè)建設(shè)工程內(nèi)容的總體策劃以及整個(gè)建設(shè)工程實(shí)施組織管理的策劃和具體工作，設(shè)計(jì)優(yōu)化是廣義的。

(3)由于本工程發(fā)包人聘請(qǐng)了監(jiān)理工程師監(jiān)督總承包商“設(shè)計(jì)、采購、施工”的各個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)包人通過監(jiān)理工程師各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)督，介入對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過程的管理。本工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以采用過程優(yōu)化模式，逐步實(shí)施。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化點(diǎn)的選擇

隨著設(shè)計(jì)工作及施工建設(shè)過程的不斷深入、外部條件的變化，對(duì)制約工程施工的影響因素突顯出來。主要表現(xiàn)在：

(1)半地下廠房和長尾水洞的引水發(fā)電系統(tǒng)布置，施工難度大，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、工期風(fēng)險(xiǎn)、造價(jià)風(fēng)險(xiǎn)較大。

(2)攔河壩和二道壩軸線長、壩高小、填筑量大，壩體結(jié)構(gòu)形式對(duì)筑壩材料選擇、施工方法制約大。

(3)輸水明渠通過沼澤地，基礎(chǔ)處理方法對(duì)施工難度、造價(jià)和工期影響大。

(4)輸水明渠通過地層復(fù)雜，襯砌形式與防滲、排水結(jié)構(gòu)對(duì)工程安全、造價(jià)影響大。

以上工程的布置與結(jié)構(gòu)對(duì)工程的功能發(fā)揮、安全運(yùn)行、施工質(zhì)量、工期和造價(jià)都有重要的影響，是本工程的主要優(yōu)化點(diǎn)。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 引水發(fā)電系統(tǒng)與廠房布置優(yōu)化

在承包商與喀麥隆能源部簽署的合同中所確定的建設(shè)方案是半地下廠房和長尾水隧洞方案。工程中標(biāo)后，設(shè)計(jì)認(rèn)為，采用該方案存在以下問題：工程前期勘察工作量很少，存在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)；大量地下建筑物施工難度大，存在工期和造價(jià)風(fēng)險(xiǎn)；長尾水水頭損失大，不利于水資源充分利用；半地下廠房運(yùn)行條件較差，且電站耗能較高。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)進(jìn)行了三種不同的開發(fā)建設(shè)方案的比選研究：分別是下廠址地面廠房A方案、下廠址地面廠房B方案以及下廠址地面廠房C方案。各方案的設(shè)計(jì)特點(diǎn)均采用低壩徑流引水式開發(fā)，加長明渠引水替代尾水隧洞，用地面廠房替代半地下廠房的模式。

通過地形地質(zhì)條件、工程布置、電站運(yùn)行條件、能量指標(biāo)、施工條件及工期、工程投資等技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，推薦采用的長明渠引水、地面廠房C方案可以提高機(jī)組的穩(wěn)定性，大大減少了地下工程施工工程量，降低了施工難度和工程投資，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了工程工期。

優(yōu)化方案將電站裝機(jī)容量由201 MW提高到211 MW，增加年發(fā)電量41 GW·h，節(jié)約工程投資約6 900萬元，節(jié)約工期約6個(gè)月。該方案優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了業(yè)主與承包商雙贏的目標(biāo)。

3.2 攔河壩斷面設(shè)計(jì)優(yōu)化

曼維萊水電站攔河主壩及二道壩壩頂長度分別為1 800 m和6 00 m(包括泄水建筑物和電站進(jìn)水口壩段長度)，最大壩高約30 m。

工程區(qū)具有典型的赤道溫暖氣候，每年分別有兩個(gè)雨季和兩個(gè)旱季：3—6月為第一雨季，降雨相對(duì)頻繁但雨量相對(duì)適中，約占年降雨量的27%；7—9月中旬為第一旱季；9月中旬—12月中旬為第二雨季，降雨非常頻繁且降雨量大，約占年降雨量的55%；12月中旬—翌年2月為第二旱季，氣溫較高。

詳細(xì)初步設(shè)計(jì)階段，為降低雨季降雨對(duì)土石壩壩體填筑進(jìn)度及質(zhì)量的影響，采取盡量減少土質(zhì)防滲體斷面設(shè)計(jì)，攔河主壩及二道壩均采用了心墻堆石壩。

在工程開工以后，從攔河主壩一期壩段(采用黏土心墻堆石壩)的實(shí)際施工情況來看：第一，由于壩體高度較小，心墻堆石壩分區(qū)材料從上游至下游分別有上游壩坡塊石護(hù)坡、上游壩殼堆石料、過渡料、反濾料、心墻防滲土料、反濾料、過渡料、下游壩殼堆石料以及下游壩坡塊石護(hù)坡等。各種材料分區(qū)面積小，施工干擾較大，實(shí)際上對(duì)壩體填筑進(jìn)度影響較大；第二，咨詢工程師要求作為心墻的防滲土料必須采用B3料場(chǎng)的純黏土防滲料，而B3料場(chǎng)土料運(yùn)距相對(duì)較遠(yuǎn)且儲(chǔ)量有限；第三，曼維萊水電站的壩體填筑塊石料、過渡料、反濾料、混凝土骨料以及部分建筑物基礎(chǔ)填筑和回填料均采用永久建筑物基坑開挖料，沒有開采專門的石料場(chǎng)作為補(bǔ)充，通過土石方平衡分析計(jì)算，若不再專門從石料場(chǎng)開采石料，僅僅利用建筑物基坑開挖石料的話，石料缺口達(dá)到約6萬m3。

為消除以上不利因素的影響，設(shè)計(jì)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采用均質(zhì)土壩替代心墻堆石壩，帶來的主要效益和優(yōu)勢(shì)為：

(1)利用均質(zhì)土壩對(duì)壩基地質(zhì)條件要求相對(duì)較低的特點(diǎn)，將輔助溢洪道右岸約150 m攔河主壩壩段、二期攔河主壩河心島約80 m長壩段以及大部分二道壩壩段壩基的殘積土厚度較厚、地質(zhì)條件相對(duì)較差部位直接作為攔河壩建基面。相對(duì)原設(shè)計(jì)的巖基作為壩基基礎(chǔ)要求，不僅減少了壩基開挖量和填筑量，大大的節(jié)省了壩基清理的工作量，加快了施工進(jìn)度。

(2)對(duì)于與均質(zhì)土壩防滲斷面加大，咨詢工程師同意采用礫石含量在20%左右的天然礫石土作為筑壩材料，因此，可利用距離二期攔河主壩距離更近的B1土料場(chǎng)，這不僅大大縮短了土料的運(yùn)距，節(jié)約了成本，而且含有一定礫石含量的礫石土受氣候影響小，碾壓施工更容易，施工質(zhì)量更可靠。

(3)采用均質(zhì)土壩斷面結(jié)構(gòu)，大大降低了塊石用料以及過渡料和反濾料等材料的用量，解決了可利用石料不足的狀況，從而避免增加石料場(chǎng)開采石料的結(jié)果發(fā)生，大大節(jié)約了工程成本。

3.3 輸水渠基礎(chǔ)處理方案優(yōu)化

對(duì)于該段約300 m長的穿越沼澤地段的輸水明渠基礎(chǔ)處理，合同規(guī)定采用振沖碎石樁加固處理方案。振沖碎石樁的直徑確定為1.0 m，間距2.0 m，呈等邊三角形布置，平均樁長為10.0 m，樁端坐落在粉質(zhì)黏土或黏土層上。為確保渠道基礎(chǔ)振沖加密效果，布孔范圍擴(kuò)大至渠道基礎(chǔ)輪廓線外5.0 m，全部振沖碎石樁基礎(chǔ)處理的總長度約150 km。

由于振沖碎石樁基礎(chǔ)處理方案工程量大，需要專門進(jìn)口專用設(shè)備，工程造價(jià)高。設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步地質(zhì)勘察資料分析，認(rèn)為處理深度7 m左右，采用換填處理方案其施工難度和經(jīng)濟(jì)性具有競(jìng)爭(zhēng)力。

由于輸水明渠施工不處于本工程關(guān)鍵線路上的諸多有利特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)土料資源豐富、設(shè)計(jì)采用基礎(chǔ)換填替代振沖碎石樁基礎(chǔ)處理方案，最大處理深度約7.0 m，換填范圍沿渠縱軸線方向長300 m。施工時(shí)在換填基礎(chǔ)基坑開挖底部首先回填1～1.5 m厚的石渣作為換填基礎(chǔ)兼排水層，方便換填黏土填筑之前施工車輛通行及首層黏土的碾壓壓實(shí)效果。

該優(yōu)化方案降低了施工難度和工程投資，大大加快了施工進(jìn)度，節(jié)約工程投資約3 000萬元。該方案較振沖碎石樁基礎(chǔ)處理方案施工質(zhì)量更易控制，從基礎(chǔ)換填之后的渠堤沉降量觀測(cè)來看，渠堤基礎(chǔ)處理質(zhì)量滿足要求。

3.4 輸水明渠襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化

輸水明渠渠道襯砌原設(shè)計(jì)采取不透水襯砌型式，即過水?dāng)嗝嫒珨嗝娌捎娩摻罨炷烈r砌，混凝土襯砌板之間的永久伸縮縫設(shè)置止水帶，混凝土襯砌板下部設(shè)置30 cm厚的反濾透水層，渠坡兩側(cè)坡腳透水層內(nèi)設(shè)置兩根沿渠線方向的Φ300 mm的排水管，在渠堤兩側(cè)每隔一定的距離布置集水井并設(shè)置水泵進(jìn)行抽水，以降低渠堤內(nèi)的地下水，確保渠坡及混凝土襯砌板的穩(wěn)定，該方案在國外渠道襯砌排水中是常規(guī)方案。

設(shè)計(jì)根據(jù)最新地質(zhì)勘察成果和渠線地形條件，將渠道分成開挖渠道和回填渠道。其中挖方段渠坡、渠底所涉及的土層有殘積土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和弱風(fēng)化巖層，滲透系數(shù)均小于10-4cm/s；渠道填方段采用的基礎(chǔ)換填土和堤身土壓實(shí)后的滲透系數(shù)亦都小于10-4cm/s，故輸水明渠渠身、渠底土體、巖體都屬于弱滲透性。設(shè)計(jì)根據(jù)渠堤全線滲的滲透特點(diǎn)，將渠道過水全斷面由不透水襯砌調(diào)整為透水襯砌，即在基巖段的混凝土襯砌的渠道邊坡和底板上設(shè)置系統(tǒng)排水孔，以便于渠道水位驟降時(shí)迅速降低混凝土襯砌下的水壓力，避免混凝土襯砌被地下水頂托破壞。在土方填筑渠段的混凝土襯砌板底部設(shè)反濾排水料層和反濾土工布并在混凝土襯砌上設(shè)系統(tǒng)排水管。

兩種不同形式的混凝土襯砌的反慮與排水結(jié)構(gòu)很好地適應(yīng)了當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)與地形條件。同時(shí)，結(jié)合工程所在地區(qū)氣候條件點(diǎn)，優(yōu)化了混凝土板的施工分縫設(shè)計(jì)，在垂直水流向每隔4 m設(shè)置永久伸縮縫，順?biāo)飨騽t采取每隔4 m及時(shí)對(duì)混凝土板進(jìn)行人工切割半縫，降低了施工難度。

混凝土襯砌的反慮與排水結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化后，受力清晰、排水暢通、施工簡(jiǎn)便。設(shè)計(jì)將原鋼筋混凝土襯砌調(diào)整為素混凝土襯砌，節(jié)約鋼筋約1 200 t。取消混凝土襯砌板配筋之后，也為渠道襯砌施工采用渠道襯砌機(jī)提供了可能，大大加快了施工進(jìn)度。

4 結(jié) 語

(1)水利水電工程設(shè)計(jì)是涉及多學(xué)科、多專業(yè)的系統(tǒng)工程，也是利用、適應(yīng)和改造客觀環(huán)境的工程。設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中，隨著對(duì)客觀自然條件認(rèn)識(shí)的逐步加深、外部條件的不斷變化和工程技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)設(shè)計(jì)不斷進(jìn)行調(diào)整、完善和優(yōu)化是設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任與追求。

(2)EPC承包模式是在總價(jià)合同條件下，要求承包人對(duì)其所承包工程的質(zhì)量、安全、費(fèi)用和進(jìn)度負(fù)責(zé)。設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)以不降低合同對(duì)項(xiàng)目功能的基本要求，滿足合同對(duì)質(zhì)量、安全、費(fèi)用和進(jìn)度的基本要求為目標(biāo)。

(4)在EPC模式中，工程師不僅包括具體的設(shè)計(jì)工作，而且包括整個(gè)建設(shè)工程內(nèi)容的總體策劃以及整個(gè)建設(shè)工程實(shí)施組織管理的策劃和具體工作，設(shè)計(jì)在總體策劃以及整個(gè)建設(shè)工程實(shí)施中應(yīng)發(fā)揮更大的作用。

(5)優(yōu)化點(diǎn)的選擇應(yīng)兼顧業(yè)主與承包商各自的利益，能實(shí)現(xiàn)業(yè)主與承包商雙贏的優(yōu)化方案才能得以實(shí)施。設(shè)計(jì)對(duì)本工程樞紐布置、基礎(chǔ)處理、壩型方案、輸水明渠設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行的優(yōu)化，得到提高了裝機(jī)容量、降低了施工風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約造價(jià)的多重效果，使業(yè)主和總承包商達(dá)到了雙贏的目標(biāo)，取得了良好的效果。

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1007-6980(2017)03-0004-04

席燕林 男 教授級(jí)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

常玉龍 男 教授級(jí)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

2017-07-03)