英布魯水電站樞紐總體布置設(shè)計

余倫創(chuàng) 李秀明 龐書聰 尹風(fēng)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(wù)是發(fā)電,該電站承擔(dān)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(fù)荷日益緊張的局面,進(jìn)而促進(jìn)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(shè)計,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇,相應(yīng)洪峰流量為962m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 000年一遇 (考慮擴大20%),相應(yīng)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(dá)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(xì)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(chǔ)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(gòu)松散,二者滲透穩(wěn)定性差,不宜作為土壩壩基,應(yīng)予以清除。土壩壩基為無限深透水地基,應(yīng)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(yīng)采取相應(yīng)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(gòu)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(shè)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(dá)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(dǎo)、截流標(biāo)準(zhǔn)分別采用20年一遇及10年一遇洪水,相應(yīng)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(dǎo)、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(dǎo)、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(yīng)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(yīng)布設(shè)表孔排漂,要求泄水閘進(jìn)流順暢,并與廠房連接,以盡量減少廠房進(jìn)水口攔污柵淤堵。

2.2 樞紐布置方案比較

根據(jù)工程任務(wù)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(guān)站。由于當(dāng)?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(dá)壩址右岸。

結(jié)合工程實際情況,設(shè)計因地制宜,對樞紐總體布置進(jìn)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(jìn)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(jìn)行一次截流,利用右岸泄水閘進(jìn)行導(dǎo)流,再進(jìn)行河床部分土壩施工。該方案導(dǎo)、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(dǎo)流明渠進(jìn)行導(dǎo)流,方案2需進(jìn)行二次導(dǎo)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(rèn)為,方案1具有工期短,導(dǎo)、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(chǔ)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(shè)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(jìn)場,進(jìn)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(jìn)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(guān)站等輔助生產(chǎn)建筑物。

3.1 土壩布置設(shè)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(yuǎn)在240 km以外布拉柴維爾的貢貝,運距較遠(yuǎn),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(shè)計用量的砂類土料場,根據(jù)當(dāng)?shù)?種筑壩材料的儲量、力學(xué)指標(biāo)、滲透特性、施工難易程度以及設(shè)計筑壩材料用量要求,設(shè)計對土壩設(shè)計斷面進(jìn)行調(diào)整,在確保工程安全的前提下,針對不同材料特性,進(jìn)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(xué)指標(biāo)滿足設(shè)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(shè)1.2 m高混凝土防浪墻。土壩 與混凝土建筑物之間設(shè)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(shè)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(shè) 3 m 寬馬道,貼坡頂高程297.5 m,設(shè)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(shè)馬道。壩體上游壩坡采用干砌石護(hù)砌,壩體下游壩坡采用草皮護(hù)坡。

3.2 泄水閘布置設(shè)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(yīng)滿足導(dǎo)流要求和庫區(qū)大、小漂浮物排漂要求；泄水建筑物應(yīng)有可靠的排泄淤積物的能力；泄水建筑物應(yīng)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(yīng)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(yīng)考慮排泄可能出現(xiàn)的少量大樹木,底孔孔口尺寸則應(yīng)考慮導(dǎo)流及放空水庫要求。選擇單寬流量時還應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(shè)長導(dǎo)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(shè)導(dǎo)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(dāng)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(shè)1道長導(dǎo)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(dá)到1 954 m3/s,滿足運行要求。

3.2.3 泄水閘布置設(shè)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(shè)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(dǎo)流、放空要求。在庫水位308.5 m時表孔敞泄流量可達(dá)320 m3/s,兩個底孔全開可達(dá)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(guān)站布置設(shè)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(dá)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(jìn)水口至尾水管下游末端順?biāo)飨蛳虏咳L62.61m。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(guān)站、絕緣油油庫、柴油機房等。

開關(guān)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(jìn)入220 kV開關(guān)站。開關(guān)站與進(jìn)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(jìn)水口引渠和下游尾水渠與泄水閘共用,施工期為導(dǎo)流渠。進(jìn)水渠與尾水渠底高程均為286.0 m,進(jìn)水渠進(jìn)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(shè)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(shè)計人員在數(shù)十年的勘測設(shè)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(jìn)行了設(shè)計。電站建成至今,運行狀況良好。