喀麥隆曼維萊水電站工程首部樞紐布置設(shè)計(jì)

魯永華 郭 強(qiáng) 包第嘯 王立群

喀麥隆曼維萊水電站工程首部樞紐布置設(shè)計(jì)

魯永華 郭 強(qiáng) 包第嘯 王立群

曼維萊水電站工程位于喀麥隆南部恩特姆流域原始森林地區(qū),主要任務(wù)是發(fā)電。首部樞紐主要由攔河壩、主溢洪道及泄洪沖沙閘、輔助溢洪道，渠道進(jìn)水口等建筑物組成，重點(diǎn)介紹了首部樞紐的布置和各組成建筑物的設(shè)計(jì)及功能。

溢洪道 攔河壩 泄洪沖沙閘 渠道進(jìn)水口

1 工程概況

喀麥隆共和國(guó)曼維萊水電站工程位于喀麥隆南部大區(qū)恩特姆流域原始森林地區(qū)。水庫總庫容為1.3億m3，電站總裝機(jī)容量為211 MW。曼維萊水電站主要任務(wù)是發(fā)電，電站在電力系統(tǒng)中的工作位置處于腰、基荷以及承擔(dān)部分調(diào)峰任務(wù)。工程等別為Ⅱ等，大(2)型規(guī)模。工程主要由首部樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房系統(tǒng)組成。其中首部樞紐主要由攔河壩、主溢洪道、泄洪沖沙閘、輔助溢洪道及渠道進(jìn)水口等建筑物組成。

綜合考慮曼維萊水電站泄水建筑物實(shí)際規(guī)模以及在喀麥隆國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用，洪水標(biāo)準(zhǔn)最終確定為：首部樞紐及電站廠區(qū)設(shè)計(jì)、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別為10 000年一遇洪水和10 000年一遇洪水加大20%校核，相應(yīng)的壩址處設(shè)計(jì)及校核洪峰流量為3 450 m3/s和4 140 m3/s。

2 水文、氣象及地質(zhì)條件

恩特姆河位于喀麥隆西南部。全年分為4個(gè)季節(jié)：12月—翌年2月為小旱季，氣溫較高，濕度較小；3—6月為小雨季，降雨頻繁，強(qiáng)度不大，氣溫較高，濕度適中；7—8月為大旱季，氣溫較低，濕度較大；9—11月為大雨季，降雨頻繁，強(qiáng)度較大，氣溫適中，濕度較大。多年平均氣溫為24.8 ℃，極端最高氣溫為39.5 ℃(6月份)，極端最低氣溫為16.5 ℃(4月份)。壩址處年徑流總量124億 m3，徑流主要集中在兩個(gè)雨季，4—6月占年徑流量的26.3%，9—12月占年徑流量的54.8%，年平均流量392 m3/s。

攔河壩壩軸線位于恩特姆河渡口下游大約2 km處，渡口處河道水面寬度約為300 m，而攔河壩軸線附近河床則變得平緩寬闊，河床高程為381～382 m，壩址上游地形平緩，水流緩慢。攔河壩兩岸壩肩不對(duì)稱發(fā)育，左岸山脊高程約420 m，岸坡較陡，自然邊坡約35°；右岸山脊高程約400 m，現(xiàn)狀自然岸坡較緩，為5°～10°。

3 首部樞紐總體布置

首部樞紐攔河壩及泄水建筑物沿壩軸線從左至右依次為：渠道進(jìn)水口、左岸接頭壩段、主溢洪道、河心島壩段、輔助溢洪道和右岸灘地及岸坡壩段。

渠道進(jìn)水口沿水流方向布置有進(jìn)口攔污柵段、連接段、進(jìn)水閘段等建筑物，水流向總長(zhǎng)度約139 m。攔河壩及泄水建筑物頂高程為395.0 m，總長(zhǎng)約1 800 m。左岸混凝土接頭壩段壩高約18 m，壩頂長(zhǎng)度20 m；左岸泄洪沖沙閘段凈寬11.0 m，閘底高程379.0 m；左岸主溢洪道段共5孔，單孔凈寬11.0 m，堰頂高程382.0 m；河心島壩段平均壩高約13.5 m，壩頂長(zhǎng)度約1 260 m；輔助溢洪道段共8孔，單孔凈寬11.0 m，堰頂高程392.0 m；右岸灘地及岸坡壩段平均壩高約11.8 m，壩頂長(zhǎng)度約332 m。

在本項(xiàng)目前期研究階段，從位于壩址處的尼亞貝桑村附近的恩特姆河渡口至下游曼維萊瀑布范圍內(nèi)大約2 km的恩特姆河河段上共選擇了5條壩線進(jìn)行了比較，5條壩線選擇綜合比較見表1。

表1 首部樞紐壩線布置比選表

從地形條件來看，壩線1～3處河床寬度適中，右壩肩地形條件較好，但河床左岸地形地勢(shì)均較低且平坦，壩肩布置難度較大，左岸壩軸線均需要向下游延伸至左岸小山包處，壩頂長(zhǎng)度較長(zhǎng)，工程量較大；從地質(zhì)條件來看，壩線1～3處河床地質(zhì)條件較好，但兩岸地表覆蓋層較厚，基巖頂高程較低，壩軸線穿越地面沉陷帶的范圍均較大，基礎(chǔ)處理難度及投資較大。

壩線4兩岸地形條件均較好，河床地形簡(jiǎn)單，壩頂長(zhǎng)度相對(duì)較短，河道主流分左右兩條支流，為泄水建筑物的布置及施工導(dǎo)流布置提供了便利條件。壩線4處河床沖積層及兩岸壩肩覆蓋層均相對(duì)較薄，壩線不穿越斷層，穿越凹陷帶的范圍相對(duì)較小，地質(zhì)條件總體相對(duì)較好。

壩線5攔蓄恩特姆河及其右岸兩條主要支流的來水，壩頂長(zhǎng)度較長(zhǎng)，增加了水庫的調(diào)蓄功能，但對(duì)攔河壩下游曼維萊瀑布的生態(tài)及景觀用水影響較大。另外，該壩線不可避免地要穿越附近次級(jí)斷層，受區(qū)域性斷裂的影響較大。

綜合工程規(guī)模、地形與地質(zhì)條件、施工條件及建壩后對(duì)曼維萊瀑布、當(dāng)?shù)亟煌l件的影響，最終選擇壩線4作為實(shí)施的推薦壩線，該壩軸線處地形起伏不大，適合水工建筑物布置和上、下游水流銜接，充分利用天然地形條件后形成了高度較小、工程量相對(duì)節(jié)省的攔河壩，壩址上游水面開闊，易形成較大的庫容。主溢洪道和輔助溢洪道則則分別布置于沿壩軸線恩特姆河左、右岸主河槽上，使得泄水建筑物水流和下游河道銜接比較平順。

4 建筑物設(shè)計(jì)

4.1 渠道進(jìn)水口

為防止庫內(nèi)雜物進(jìn)入輸水系統(tǒng)，保證機(jī)組安全運(yùn)行，在渠道進(jìn)水口首部設(shè)置一道攔污柵。攔污柵段頂高程為395.0 m，孔口凈寬9.0 m ，高9.0 m，共10孔，水流向長(zhǎng)度為12.0 m，垂直水流向頂部寬度為108.5 m，在閘墩處分縫，每2孔一聯(lián)。當(dāng)電站引用最大流量450 m3/s時(shí)，過柵流速約為0.83 m/s。為便于清污，柵體傾斜布置，傾角80°，頂部從上游至下游設(shè)有自動(dòng)清污機(jī)和工作橋。

在渠道進(jìn)水口連接段與輸水明渠之間布置有進(jìn)水閘，該閘為單向擋水，其功用為：在下游輸水明渠檢修及天然前池放空清淤檢修時(shí)下閘擋水。進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量為450 m3/s，為開敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共5孔，兩邊跨為2孔一聯(lián)，中間1孔為一聯(lián)，單孔凈寬9.0 m，閘室水流向長(zhǎng)度為14.0 m，垂直水流向頂部寬度為58.0 m。閘室底板頂高程386.0 m，閘室頂部側(cè)設(shè)檢修交通橋，進(jìn)水閘下游側(cè)采用扭面翼墻與輸水明渠銜接。

進(jìn)水閘每孔設(shè)1道工作閘門和1道檢修門槽，工作閘門采用平板鋼閘門，共5套，啟閉設(shè)備為固定卷揚(yáng)機(jī)，啟閉機(jī)平臺(tái)高程404.0 m，寬5.40 m，其上設(shè)啟閉機(jī)房，在機(jī)房?jī)蓚?cè)設(shè)樓梯作為上下平臺(tái)通道。檢修閘門為疊梁門，5孔共用1套，啟閉設(shè)備為啟閉機(jī)平臺(tái)上游側(cè)的電動(dòng)葫蘆。

渠道進(jìn)水口攔污柵段與進(jìn)水閘段布置有連接段，連接段在平面上呈直線及曲線型布置。連接段在平面上寬度從進(jìn)口處的105.5 m逐漸縮至進(jìn)水閘前緣處的55.0 m，沿水流向的長(zhǎng)度約113 m，為渠道進(jìn)水口內(nèi)攔污柵與進(jìn)水閘之間的水流平順銜接創(chuàng)造了良好條件。

4.2 攔河壩

攔河壩由均質(zhì)土壩和黏土心墻壩兩種壩型組成。

均質(zhì)土壩壩頂寬10.0 m，壩頂高程395.0 m。壩體基本采用黏土單一料填筑。上游壩坡為1∶3，采用0.80 m厚干砌石護(hù)坡，為利于水位驟降工況上游坡排水，在上游壩坡干砌石底部設(shè)置厚度分別為0.5 m和0.3 m的過渡層和反濾層；下游壩坡為1∶3，下游壩坡采用30 cm過渡料進(jìn)行保護(hù)，坡腳設(shè)排水棱體。由于壩高較低，均質(zhì)土壩上、下游壩坡均不設(shè)馬道。壩頂上游側(cè)設(shè)1.2 m高鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程396.2 m。防浪墻與壩體防滲體結(jié)合，形成壩體防滲體系。

黏土心墻壩壩頂寬10.0 m，壩頂高程395.0 m，壩殼用廠房基坑開挖料填筑，基巖面上的黏土心墻下部設(shè)截滲槽及一排帷幕灌漿。上游壩坡為1∶2，388.5 m高程以上采用0.80 m厚干砌石護(hù)坡；下游壩坡為1∶1.8，壩坡不做防護(hù)。在壩軸線上游側(cè)設(shè)置黏土心墻，心墻頂高程394.0 m，頂部寬度5.0 m，心墻上下游坡比均為1∶0.5，心墻上、下游側(cè)與壩殼料之間均設(shè)置反濾層和過渡層。壩頂上游側(cè)設(shè)1.2 m高鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程396.2 m。防浪墻與壩體防滲體相結(jié)合。

攔河壩壩頂公路表面采用貫入式瀝青碎石，礫石粒徑0.4～1.5 cm，厚4 cm；基層采用粒徑3～6 cm級(jí)配碎石，厚15 cm，表面撒布乳化瀝青。路面向下游側(cè)傾斜，坡度為2%，以利于壩頂排水。

4.3 泄洪沖沙閘及主溢洪道

首部樞紐泄水建筑物包括：1孔帶弧門的泄洪沖沙閘、5孔帶弧門的主溢洪道和8孔無閘門控制的輔助溢洪道。在非汛期天然來水流量小于電站機(jī)組發(fā)電流量，所有水流通過機(jī)組發(fā)電后進(jìn)入下游河道。根據(jù)泄水建筑物過流能力復(fù)核計(jì)算，在正常蓄水位392.00 m時(shí)，1孔泄洪沖沙閘的全開最大泄量為850 m3/s，5孔主溢洪道全開最大泄量為3 688 m3/s，總泄量達(dá)到4 538 m3/s，滿足樞紐的泄流能力需要(校核洪水流量為4 140 m3/s，設(shè)計(jì)洪水流量為3 450 m3/s)。

泄洪沖沙閘及主溢洪道位于攔河壩左岸主河槽上，由上游連接段、控制段、消力池段和海漫段等部分組成。泄洪沖沙閘1孔、主溢洪道5孔，孔口凈寬均為11.0 m，均為開敞式布置，泄洪沖沙閘及主溢洪道的堰頂高程分別為379.0 m和382.0 m，閘頂高程與土壩壩頂高程同為395.0 m。

泄洪沖沙閘采用平底板寬頂堰，泄洪沖沙閘上游側(cè)底板為水平段，長(zhǎng)度為14.0 m，底板頂高程為379.0 m；下游側(cè)為1∶4的斜坡與消力池平順連接，閘室斜坡段長(zhǎng)度為19.6 m，底板頂高程由379.0 m漸變至374.1 m。閘室上游側(cè)水平段設(shè)事故檢修門槽和11.0 m×13.5 m(寬×高)的弧形工作閘門，檢修疊梁門由布置于閘頂?shù)拈T機(jī)啟閉，操作平臺(tái)高程為395.0 m，工作弧門采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，其油泵房布置在左側(cè)閘墩上，高程為396.0 m，油泵房設(shè)有臺(tái)階與下游公路橋橋梁相通。

主溢洪道堰頂高程382.0 m。溢流堰前沿與閘墩前沿齊平。堰面沿水流方向由進(jìn)口圓弧段、堰面曲線段、1∶1斜坡連接段、半徑為15.0 m的圓弧反弧段和水平段組成。堰頂設(shè)事故檢修閘門槽和11.0 m×10.5 m的弧形工作閘門，上游檢修疊梁門由布置于閘頂?shù)拈T機(jī)啟閉，操作平臺(tái)高程為395.0 m，工作弧門采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，其油泵房分別布置在閘墩上，高程為396.0 m，油泵房設(shè)有臺(tái)階與下游公路橋橋梁相通?？紤]經(jīng)常性的水庫表面排漂的需要和節(jié)約排漂用水，為配合電站的清污運(yùn)行，在事故閘門啟閉門機(jī)設(shè)清污抓斗(容量為10 t)，在門前漂浮物較小時(shí)僅采用清污抓斗清污而不用開閘排漂。

主溢洪道頂部從上游至下游依次布置門機(jī)軌道梁及操作平臺(tái)、油泵房、電纜溝、公路橋橋梁等。

4.4 輔助溢洪道

輔助溢洪道布置在右岸主河槽上，其功用，首先是在一般洪水條件下，當(dāng)水庫來流量超過電站發(fā)電引用流量時(shí)，多余的來水量通過輔助溢洪道自然下泄，保證有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的庫水位，以盡量避免因頻繁開啟泄洪沖沙閘或者主溢洪道的閘門而帶來的運(yùn)行操作上的不便或者因閘門操作失誤帶來的危險(xiǎn)；其次是在水庫遇到超標(biāo)洪水的極端情況下，可以作為洪水的下泄通道，從而成為確保土壩安全的又一道安全防線和儲(chǔ)備；第三，通過參與水庫多余棄水下泄或者泄洪，可以避免壩址下游現(xiàn)狀河道右岸主河槽出現(xiàn)徹底斷流現(xiàn)象。第四，當(dāng)主溢洪道和泄洪沖沙閘下游消能防沖設(shè)施需要檢修時(shí)，可以拆除輔助溢洪道堰頭素混凝土泄放枯水期常遇洪水，為檢修創(chuàng)造條件。

輔助溢洪道由上游連接段、控制段、下游連接段等部分組成，上、下游總長(zhǎng)105.0 m。輔助溢洪道共8孔，孔口凈寬均為11.0 m，均為開敞式布置，溢流堰堰頂高程為392.0 m，與水庫正常蓄水位同高，頂高程與攔河壩頂高程同為395.0 m。控制段順?biāo)飨蜷L(zhǎng)19.0 m，沿壩軸線方向頂部寬106.0 m。堰面沿水流方向由進(jìn)口橢圓弧段、堰面曲線段、1∶1斜坡連接段以及半徑為5.0 m的圓弧反弧段和水平段組成。輔助溢洪道頂部布置有公路橋橋梁。

5 結(jié) 語

喀麥隆曼唯萊水電站工程為典型的明渠引水式水電站工程，首部樞紐建筑物由攔河壩、主溢洪道、泄洪沖沙閘、輔助溢洪道及電站進(jìn)水口等建筑物組成，首部樞紐布置及各建筑物設(shè)計(jì)中綜合考慮了地形地質(zhì)、水文、筑壩材料、運(yùn)行管理等諸多方面的因素：選定的首部樞紐軸線地形起伏相對(duì)較小，工程量相對(duì)節(jié)?。粔沃飞嫌嗡骈_闊，易形成較大的庫容；主溢洪道和輔助溢洪道則則分別布置于沿壩軸線恩特姆河左、右岸主河槽上，使得泄水建筑物水流和下游河道銜接比較平順；選定的首部樞紐在滿足泄洪、排沙、排漂、引水等基本功能要求的同時(shí)，還兼具運(yùn)行管理及檢修方便的特點(diǎn)。

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魯永華 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

郭 強(qiáng) 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

包第嘯 男 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

王立群 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

2017-07-06)