常玉龍 范永平 林德金 徐 強(qiáng)

喀麥隆曼維萊水電站引水發(fā)電系統(tǒng)方案研究

常玉龍 范永平 林德金 徐 強(qiáng)

承包商與喀麥隆業(yè)主合同簽署的曼維萊水電站工程開(kāi)發(fā)建設(shè)方案為半地下廠房長(zhǎng)尾水隧洞方案。在工程正式開(kāi)工前，設(shè)計(jì)開(kāi)展了為期一年的補(bǔ)測(cè)勘測(cè)及專(zhuān)題研究，對(duì)電站引水發(fā)電系統(tǒng)方案進(jìn)行了多方案比選論證研究，成功地進(jìn)行了方案優(yōu)化和變更，節(jié)約了工程投資和工期，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

曼維萊水電站 樞紐布置 引水發(fā)電系統(tǒng) 研究

1 工程概況

曼維萊水電站位于喀麥隆共和國(guó)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)首府埃博洛瓦市約175 km，距首都雅溫得約343 km。水庫(kù)總庫(kù)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，工程規(guī)模為Ⅱ等大(2)型，其主要任務(wù)是發(fā)電。

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；發(fā)電引水建筑物主要包括：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(hù)外式開(kāi)關(guān)站及附屬建筑物等。

2 樞紐總體布置格局特點(diǎn)

曼維萊水電站工程位于喀麥隆恩特姆河主干流上，樞紐區(qū)地形起伏不大，推薦壩址上游水面開(kāi)闊，易形成較大的庫(kù)容，使水庫(kù)具有一定功能的調(diào)蓄功能，產(chǎn)生很好的發(fā)電效益。

工程區(qū)總體地質(zhì)條件較好，基巖主要為花崗片麻巖，除峽谷地段風(fēng)化卸荷相對(duì)強(qiáng)烈并分布少量崩塌堆積體外、其余地段物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，地表出露基巖多為弱、微風(fēng)化，覆蓋層以下基巖則多為微、新巖體，僅局部地段巖體為強(qiáng)風(fēng)化。

樞紐布置充分利用了工程區(qū)起伏不大的地形和較好的地質(zhì)條件，壩軸線(xiàn)、電站進(jìn)水口、輸水明渠線(xiàn)路以及電站廠址的布置均很好地匹配了地形及地質(zhì)條件，形成壩頂長(zhǎng)度相對(duì)較短、水流銜接平順以及盡可能充分利用了河道水頭落差來(lái)增加發(fā)電收益的樞紐布置格局。

3 引水發(fā)電系統(tǒng)方案研究

關(guān)于曼維萊水電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)方案，不同時(shí)期先后開(kāi)展了四次不同深度和不同階段的研究論證工作，所有研究成果所推薦的曼維萊水電站建設(shè)開(kāi)發(fā)方案均采用低壩徑流引水式開(kāi)發(fā)方案，不同階段研究提出的開(kāi)發(fā)方案的攔河壩壩址及壩線(xiàn)選擇、電站裝機(jī)規(guī)模和水庫(kù)特征水位等指標(biāo)基本一致，主要區(qū)別是在電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置方案、廠址選擇及廠房型式。

3.1 電站廠址選擇

考慮到曼維萊水電站主要是利用將恩特姆河在曼維萊瀑布處形成的河道落差裁彎取直進(jìn)行引水發(fā)電，其發(fā)電水頭主要利用曼維萊瀑布約35 m的落差以及瀑布下游急流產(chǎn)生的約15 m的水頭，因此，曼維萊水電站可能的電站建設(shè)廠址只能位于曼維萊瀑布下游的恩特姆河峽谷段。

從地形條件來(lái)看，曼維萊瀑布下游恩特姆河峽谷左岸地勢(shì)總體平緩，地形向峽谷緩斜降低，基本具備布置岸邊式地面廠房或半地下式廠房的地形條件。

從地質(zhì)條件來(lái)看，壩址下游沿恩特姆河峽谷發(fā)育有一條區(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，從鉆孔結(jié)果看廠房基坑上部巖體存在一些節(jié)理密集帶。因此，廠房位置則應(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)廠房基坑開(kāi)挖及邊坡支護(hù)和穩(wěn)定造成不利影響。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘并綜合考慮不同的輸水線(xiàn)路方案在曼維萊瀑布下游恩特姆河峽谷左岸斜坡地帶初步選擇了兩處比較可行的電站廠址位置(簡(jiǎn)稱(chēng)為上廠址和下廠址)，其中上廠址位于恩特娒河左岸的平臺(tái)上，距上游曼維萊瀑布約1.5 km，而下廠址位于上廠址下游約1.5 km處的峽谷岸邊，兩廠址之間恩特姆河的水頭落差7～8 m。

3.2 上廠址引水發(fā)電系統(tǒng)方案

根據(jù)上廠址處地形特點(diǎn)，在輸水明渠末端利用一天然低洼區(qū)域作為天然前池，天然前池的容積約為60萬(wàn)m3。在天然前池下游側(cè)的V形山口可布置電站進(jìn)水口。進(jìn)水口后接引水壓力管道，可將發(fā)電水流引入廠房。

3.2.1 半地下廠房方案+長(zhǎng)尾水隧洞

該方案廠房型式采用半地下廠房，尾水隧洞長(zhǎng)約1.4 km。廠房位置距恩特娒河左岸岸坡約360 m，距離上游曼維萊瀑布約1.5 km，廠房頂部緩坡平臺(tái)一帶的地面高程為375～380 m。水輪機(jī)機(jī)組安裝高程采用330 m，在廠區(qū)布置副廠房及地面開(kāi)關(guān)站。兩條直徑為9.0 m、長(zhǎng)約1.4 km的電站尾水隧洞基本上平行于恩特娒河峽谷布置，尾水隧洞出口位于電站廠房下游約1.2 km的恩特娒河左岸岸邊，尾水隧洞上游分別布設(shè)有尾水調(diào)壓室及尾水施工支洞兼調(diào)壓洞，廠房主要設(shè)備運(yùn)輸通過(guò)位于安裝間一側(cè)的進(jìn)場(chǎng)主交通洞來(lái)實(shí)現(xiàn)，詳見(jiàn)圖1。

該方案的主要特點(diǎn)是水能利用比較充分，廠房及尾水系統(tǒng)均采用半地下或地下式，避免了因基坑開(kāi)挖而形成高邊坡穩(wěn)定問(wèn)題，但也存在地下建筑物結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、電站運(yùn)行條件相對(duì)較差等不利因素。

圖1 上廠址半地下廠房方案引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置示意圖

3.2.2 地面廠房方案+尾水明渠

該方案采用地面廠房后接尾水明渠，廠房位置在半地下式廠房位置的基礎(chǔ)上向岸邊偏移120 m左右，原則是廠房不穿越恩特娒河左岸岸邊的次級(jí)斷層及不設(shè)置上游調(diào)壓室，廠房距恩特娒河左岸約210 m，采用大開(kāi)挖形成地面廠房，電站尾水接尾水明渠將水流引至主河道，尾水明渠采用大開(kāi)挖形成，詳見(jiàn)圖2。

該方案的主要特點(diǎn)是施工方便，電站運(yùn)行條件好，廠房及尾水明渠土石方開(kāi)挖工程量大。該方案和半地下長(zhǎng)尾水隧洞方案相比水能利用減少7～8 m，就能量指標(biāo)來(lái)講，該方案相對(duì)半地下長(zhǎng)尾水隧洞方案減少了1.21億kW·h發(fā)電量，減少的比例約為11.9%，按上網(wǎng)電價(jià)0.412元計(jì)算，上廠址長(zhǎng)尾水隧洞方案相對(duì)上廠址短尾水明渠方案增加的工程投資在2～3年內(nèi)就可以收回，從電站長(zhǎng)期運(yùn)行的收益方面來(lái)看，上廠址長(zhǎng)尾水隧洞優(yōu)于短尾水明渠方案。

3.3 下廠址引水發(fā)電系統(tǒng)方案

為了充分利用上廠址廠房與尾水隧洞出口1.2 km長(zhǎng)河道的天然落差發(fā)電，在上廠址尾水隧洞出口附近選擇作為下廠址來(lái)布置電站廠房。

3.3.1 上池地面廠房方案

該方案取消了在攔河壩左壩肩上游山包內(nèi)開(kāi)挖的取水口以及輸水明渠沼澤地段的填方渠道，利用樞紐區(qū)的地形特點(diǎn)，將庫(kù)區(qū)內(nèi)一段天然沖溝進(jìn)行簡(jiǎn)單疏浚整治后形成天然水庫(kù)渠道，人工開(kāi)挖一段長(zhǎng)約600 m的渠段將水引至上廠址半地下廠房方案中布置的天然前池內(nèi)，再?gòu)脑撉俺氐哪隙巳斯ら_(kāi)挖約710 m長(zhǎng)的輸水明渠至電站進(jìn)水口，電站進(jìn)水后后接兩條內(nèi)徑為10 m、單洞水平投影長(zhǎng)約660 m的壓力豎井和平洞，每條壓力平洞末端再分別接鋼岔管與下廠址處地面廠房?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，詳見(jiàn)圖3。

圖2 上廠址地面廠房方案引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置示意圖

該方案的主要特點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化了取水口建筑物，同時(shí)利用現(xiàn)狀天然沖溝從水庫(kù)引水，縮短了輸水明渠長(zhǎng)度。但渠道進(jìn)水口調(diào)整之后由于在進(jìn)口前沒(méi)有排沙設(shè)施，在電站長(zhǎng)期運(yùn)行期間會(huì)因?yàn)槟嗌秤俜e而造成電站取水困難，影響電站正常發(fā)電。另外，該方案壓力管道較長(zhǎng)，需要設(shè)置上游調(diào)壓井，增加了工程投資和施工難度。

3.3.2 下池地面廠房方案

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘及分析最新補(bǔ)測(cè)的地形圖后發(fā)現(xiàn)在上廠址半地下廠房方案尾水隧洞出口下游附近亦存在天然洼地和相對(duì)較為平緩開(kāi)闊的地形，只需要在洼地下游，靠近恩特姆河峽谷岸邊天然埡口處修建規(guī)模不大的二道壩后，即可形成類(lèi)似于上廠址半地下式廠房方案中的天然壓力前池，前池可以形成392.0 m的最高運(yùn)行水位，很好地提供了發(fā)電水頭，在二道壩右壩肩處存在布置電站進(jìn)水口和岸邊地面廠房的良好地形條件。該方案中壓力引水發(fā)電系統(tǒng)以及開(kāi)關(guān)站及廠區(qū)建筑物全部布設(shè)在二道壩右壩肩一側(cè)的平臺(tái)及岸坡上，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。該方案輸水明渠線(xiàn)路首段與上廠址方案基本一致，其后逐步沿現(xiàn)狀低洼地形逐步向東南方向偏轉(zhuǎn)，輸水明渠末端與天然前池平順連接。

圖3 下廠址地面廠房方案(上池)引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置示意圖

該方案的主要特點(diǎn)是同樣利用天然洼地形成了天然壓力前池，電站進(jìn)水口及電站廠房均位于恩特姆河峽谷岸邊附近，具備布置長(zhǎng)度相對(duì)較短的壓力管道的地形條件，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。

圖4 下廠址地面廠房方案(下池)引水發(fā)電系統(tǒng)平面布置示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)曼維萊水電站工程引水發(fā)電系統(tǒng)的多方案比選論證研究，最終選擇推薦下廠址地面廠房方案(下池)作為最終實(shí)施方案。該方案相較原合同方案增加裝機(jī)容量10 MW，多年平均發(fā)電量增加約5 300萬(wàn)kW·h，從工程建設(shè)實(shí)施的效果來(lái)看，不僅降低了工程造價(jià)，節(jié)省投資約14 000萬(wàn)美元；而且降低了施工難度，節(jié)約工期約半年，取得了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

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1007-6980(2017)03-0016-04

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

范永平 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

林德金 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

徐 強(qiáng) 男 助理工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-10)