英布鲁水电站枢纽总体布置设计

余伦创 李秀明 庞书聪 尹风刚

英布鲁水电枢纽位于刚果人民共和国布拉柴维尔东北约215 km处的莱菲尼河上,工程的主要任务是发电,该电站承担刚果电力系统调峰、调频和骨干电站作用。电站建成后将极大缓解布拉柴维尔及周边城市电力负荷日益紧张的局面,进而促进刚果北方地区的发展。

坝址距莱菲尼河汇入口14 km,坝址以上河道长266 km,坝址以上流域面积16 000 km2。水库总库容5.84亿m3,电站装机容量120MW,多年平均发电量6.815亿kW◦h,年利用小时数5 679 h。

工程等别为一等,大 (Ⅰ)型规模。永久性主要建筑物按1级建筑物设计,设计洪水标准为1 000年一遇,相应洪峰流量为962m3/s；校核洪水标准为10 000年一遇 (考虑扩大20%),相应洪峰流量为1 280 m3/s。

1 自然条件

1.1 气象

莱菲尼河流域属于热带雨林气候,全年雨量变化分为旱季和雨季两个季节,旱季的特点是气压高,气温低,多云少雨或几乎无雨；雨季的特点为暴雨多,持续时间一般1～2 h。坝址处多年平均降雨量为1 598 mm,多年平均蒸发量769.6 mm,多年平均气温26.3℃,极端最高气温为37.6℃,极端最低气温为14.5℃。

1.2 地形地质条件

莱菲尼河位于巴泰凯高原地区,两侧为侵蚀程度不一的高原,河谷深度在300～400 m。在坝轴线上游800 m处,莱菲尼河由南向北急转成东南方向,并在上游300 m处转成东西向流经坝轴线,然后在下游400 m处再次折向东南。坝址附近水面宽80～100m,河床高程一般在285 m左右,最低高程约为281.3 m。两岸为漫滩,左岸宽约50 m,右岸宽约150m,且沿河方向延伸,时有时无,宽度变化较大,在上游弯道处,右岸滩地宽度达300多m。坝址滩地高程290 m左右,形成较平坦的沼泽地。漫滩外侧为平缓的山坡,左岸稍陡,山顶高程470 m,右岸稍缓,山顶高程570 m。河谷略呈不对称。

坝址区主要地层由老至新依次为:白垩系砂岩(K2)、第三系砂壤土 (R)和第四系松散堆积物。上白垩系 (K2)分为薄层细砂岩 (K2i-1)、中厚层砂岩 (K2i-2)和薄层砂岩 (K2i-3)。土坝、泄水闸及河床式厂房基础地质条件如下:

(1)土坝。坝基跨两岸边坡、漫滩和河床三部分。两岸岸坡地基为第三系砂壤土,具有低—中压缩性,清除表层腐植土后满足土坝地基条件；漫滩和河床中薄层砂岩上覆盖第四系冲积层和坡积层,由于冲积层表层有机质含量高,坡积层结构松散,二者渗透稳定性差,不宜作为土坝坝基,应予以清除。土坝坝基为无限深透水地基,应满足地基渗径和坝基渗透稳定要求。水库蓄水后,会带来两岸坝肩的绕渗问题,应采取相应的防渗措施。

(2)泄水闸与厂房。泄水闸与厂房为混凝土建筑物,建基于上白垩系软砂岩上,软砂岩具有胶结不良、孔隙多、容重低、强度差以及透水性大的特性,同时具有比较均匀、裂隙不多、整体性较好的特点。坝基下砂岩属于中等透水性,其中河床部位平均渗透系数较大 (20～25 m/d),右岸稍小 (6～10 m/d)。

坝址区地处地质构造上的刚果盆地,属于稳定的非洲地块。坝址区为无震或微震区域,设计考虑地震影响。

2 枢纽总体布置方案选择

2.1 方案选择需考虑的几个主要问题

根据坝址地形、地质、水文等自然条件,在枢纽总布置中着重考虑以下几个问题:

(1)地质勘探表明,坝址附近土料储量丰富,但缺乏可作混凝土骨料的砂砾石及优质石料,需到布拉柴维尔贡贝料场开采石料,运距长达240 km；因此必须尽量减少建筑物的混凝土用量。

(2)莱菲尼河流量大而均匀,施工期导、截流标准分别采用20年一遇及10年一遇洪水,相应流量为750 m3/s及720 m3/s。由于河床及两岸的覆盖层与基岩抗冲能力较低,因此施工导、截流是一个比较困难的作业,枢纽布置方案的选择必须结合施工导、截流方案综合考虑。

(3)坝基坝肩下软砂岩可看作无限深透水地基,天然地下水位较低,水库蓄水后,应对两岸坝肩的绕渗问题给予足够重视。

(4)水库建成后库区将会存在一定的漂浮污物,泄水闸应布设表孔排漂,要求泄水闸进流顺畅,并与厂房连接,以尽量减少厂房进水口拦污栅淤堵。

2.2 枢纽布置方案比较

根据工程任务及低水头电站的特点,枢纽主要建筑物包括拦河坝、泄水闸、河床式厂房及220 kV开关站。由于当地筑坝土料丰富,拦河坝宜采用均质土坝。根据刚果方要求,运行人员永久生活区布置在左侧高程400 m左右的山坡上。与北方2#公路相连接的60 km新修对外交通公路直达坝址右岸。

结合工程实际情况,设计因地制宜,对枢纽总体布置进行了如下两个方案的比选:

方案1:泄水闸和电站厂房布置在右岸滩地。该方案突出的特点是,可先在岸边旱地进行泄水闸和电站厂房施工,完成泄水闸和电站厂房施工后只需进行一次截流,利用右岸泄水闸进行导流,再进行河床部分土坝施工。该方案导、截流施工简单。

方案2:泄水闸和河床电站布置在主河床。该方案主要特点是泄水和发电建筑物的运行在各种条件下基本不改变原河道的天然状态,水流流态好,没有局部冲刷岸坡的运行问题。需单独布置导流明渠进行导流,方案2需进行二次导流。

两个枢纽布置方案建筑物的种类和规模相同,两个枢纽布置方案的泄水闸及电站厂房均建于白垩系软砂岩上,地基的工程地质条件基本相同。由于泄水闸和电站厂房的不同布置位置,对枢纽水流条件、运行条件和施工工期均有不同的影响。经分析认为,方案1具有工期短,导、截流施工简单,可以提前发电等优点。工程区河床及右岸建基面基础条件相差不大,地质条件对枢纽布置影响较小。方案2的水流条件稍好,但方案1经水工模型试验论证,仅在下游存在岸坡局部冲刷问题,但对建筑物本身安全已无影响。经综合比较,为确保工程在规定的工期内顺利建成,推荐采用方案1作为枢纽布置方案。

3 枢纽总布置设计

坝轴线方向NE1°04′45.7″,主要建筑物沿坝轴线从左至右依次为左岸土坝、泄水闸、河床式电站厂房、右岸土坝。泄水闸与厂房作为挡水建筑物的一部分,与土坝成直线布置。坝顶高程311.5 m,坝顶总长585 m,其中左岸土坝长289.5 m,右岸土坝长132.6m,泄水闸34.5 m,包括安装间在内,主厂房总长128.4 m,见图1。

泄水闸位于厂房左侧,与厂房毗连,两者均布置于右岸滩地,两侧以土坝与岸坡相连,安装间布置于厂房右侧。对外交通由右岸进场,进厂公路可直接从右坝头沿右岸土坝下游岸坡经厂前区进入安装间,并在右岸坝头通过坝顶公路与左岸生活区公路相连。副厂房布置于主厂房下游地面高程298 m的厂前区,平行布置于主厂房安装间右侧。厂前区除副厂房外,还布置了机修间、绝缘油油库、油处理室、柴油发电机房以及30 kV开关站等辅助生产建筑物。

3.1 土坝布置设计

从地质勘探资料分析,英布鲁水电枢纽工程坝址附近缺少石料和砂砾料。石料场远在240 km以外布拉柴维尔的贡贝,运距较远,石料单价较高,不宜修建混凝土坝或堆石坝。根据筑坝材料调查,距坝址7 km的林中空地土料场土质比较均一,储量丰富,适合作为土坝筑坝材料；另外,在基坑开挖中有大量胶结较差的砂岩,可以作为坝壳材料,因此,选择土质防渗体分区坝作为推荐坝型。

工程开工后,在工程区周围补充了勘探和试验研究,在左岸距离坝址2～6 km找到储量满足设计用量的砂类土料场,根据当地3种筑坝材料的储量、力学指标、渗透特性、施工难易程度以及设计筑坝材料用量要求,设计对土坝设计断面进行调整,在确保工程安全的前提下,针对不同材料特性,进行分区使用,最终土坝调整为四分区:坝体中部和上游底部为防渗土料,坝壳料由左岸砂类土料和坝基开挖料两部分组成。土坝上游区上部及下游区底部为左岸砂类土料,坝基砂岩开挖料用于坝体下游区水上部分。调整为四分区后,各筑坝材料储量和力学指标满足设计要求。

考虑坝体后期沉降,土坝坝顶高程311.7 m,最大坝高32.5 m,坝顶宽7 m,以2.0%坡度向下游放坡,坝顶上游设1.2 m高混凝土防浪墙。土坝 与混凝土建筑物之间设置刺墙。

图1 英布鲁水电站枢纽总平面布置图

土坝上游坝坡自上而下分别为1∶3,1∶4,在高程297 m设2 m宽马道；下游坝坡自上而下分别为1∶2.5,1∶2.75,1∶3, 分别在303.5 m 设 3 m 宽马道,贴坡顶高程297.5 m,设4.6 m宽马道。右岸拦河坝上游坝坡为1∶3,下游坝坡为1∶2.5,右岸土坝较低,故不设马道。坝体上游坝坡采用干砌石护砌,坝体下游坝坡采用草皮护坡。

3.2 泄水闸布置设计

3.2.1 运用要求及布置原则

3.2.1.1 运用要求

在正常运行条件下的任何泄洪工况,假定只有1台机组运行参加泄洪,其余洪水全部由泄水建筑物宣泄；泄水建筑物应满足导流要求和库区大、小漂浮物排漂要求；泄水建筑物应有可靠的排泄淤积物的能力；泄水建筑物应具备降低库水位的能力。

3.2.1.2 布置原则

(1)根据上述布置要求,泄水闸布置除应保证泄洪外,还需满足排泄漂浮物和冲刷淤积物,因此选用表孔与底孔相结合的型式。

(2)表孔孔口尺寸应考虑排泄可能出现的少量大树木,底孔孔口尺寸则应考虑导流及放空水库要求。选择单宽流量时还应考虑下游河道的抗冲要求。

(3)由于泄水建筑物布置在右岸滩地,下游出流与主河道有一交角,布置上应尽量避免下泄水流顶冲河岸和回流淤积电站尾水渠。

(4)泄水建筑物下游消能工必须满足各种泄流条件下的消能要求,要力求水跃跃首向闸室靠近,同时要避免水跃跃首拍打底孔闸门。

3.2.2 布置方案选择

根据上述运用要求及布置原则,通过比选和模型试验验证,泄水闸采用底孔和表孔结合布置型式。

针对表孔和底孔相互位置、表孔堰顶高程及下游消能防冲进行了如下两个方案的比选:方案1。表孔布置于右侧紧靠厂房,堰顶高程303.5 m,采用面流消能以利于排漂；2个底孔布置于左侧,采用底流消能；消力池内设长导墙以隔开底流和面流两种不同流态。方案2。中间布置表孔,堰顶高程为301.7 m,两侧为底孔,对称布置,表孔、底孔均采用底流消能,消力池中不设导墙。

通过水工模型试验,两方案比较如下:

(1)方案1表孔采用面流消能,对下游水位比较敏感,当泄量大于600 m3/s,下游水位高于291.0 m时,出流成为淹没面流,消力池内漂浮物打滚,水面形成较大波浪,对下游出口消能不利。方案2表孔采用底流消能,在各种流量情况下,流态稳定,消能可靠。

(2)方案1因受要求产生面流所制约,表孔泄量不宜大于220 m3/s,不仅减少表孔分流比,影响排漂效果,而且在常遇流量500 m3/s左右情况下,尚需经常同步开启两底孔,运行不够灵活。

(3)方案1比方案2需在表孔和底孔消力池之间多设1道长导墙,增加钢筋混凝土1 500多m3,工程费用增加。

(4)方案2虽有漂木在消力池打滚不易排走的缺点,但考虑库区清理后,水库蓄水后已无大量漂木来源,一些较小漂浮物能够随水流从消力池排走。

经综合比较,泄水闸采用方案2布置型式,在库水位308.5 m时,泄水闸最大泄量达到1 954 m3/s,满足运行要求。

3.2.3 泄水闸布置设计

泄水闸布置在枢纽的右岸,距离主河槽约150 m。泄水闸左侧为左岸土坝,右侧为河床电站。泄水闸建基面高程为276.50～279.00 m,位于薄层砂岩 (K2i-3)的下部,最大挖深约16.5 m。

泄水闸由上游铺盖、闸室、消力池、海漫、防冲槽等部分组成,总长201.39 m。泄水闸分为2个闸室,左闸室由左底孔和边墙组成,底宽25.5 m,闸室设1个7 m×7 m(宽×高)的底孔。右闸室由表孔和右底孔组成,闸室宽为25m,布置1个表孔和1个底孔,表孔孔口宽10 m,底孔孔口尺寸为7 m×7 m(宽×高)。

经分析和模型试验验证,上述泄水闸布置方案满足导流、放空要求。在库水位308.5 m时表孔敞泄流量可达320 m3/s,两个底孔全开可达1 634 m3/s。而运行期枢纽校核流量为1 280m3/s,因此泄水闸泄流能力是留有余地的。合理运用表孔和底孔能够实现枢纽的安全运行。

3.3 厂房及开关站布置设计

电站厂房为径流河床式厂房,布置在右岸滩地,左侧为泄水闸,安装场右侧为右岸土坝。电站厂房为枢纽中最高挡水建筑物,最大高度达44.5m。

厂房安装4台轴流转桨式水轮发电机组,单机容量为30MW,总装机容量为120MW。主厂房总长度为128.4m,其中机组段长90.9 m,安装间长37.5m。从电站进水口至尾水管下游末端顺水流向下部全长62.61m。主厂房发电机层高程为298.0 m,其下部依次布置有水轮机层、蜗壳和尾水管层。

副厂房布置于安装间右侧坝轴线下游43.25 m处的厂前区平台上,地面高程为298 m,副厂房通过连廊与主厂房相连。厂前区长127 m,宽109.75 m,除副厂房外,还布置有机修间、30 kV开关站、绝缘油油库、柴油机房等。

开关站布置于右岸土坝下游,距坝轴线146.75 m,与厂房成90°布置,面积为153 m×65 m,地面高程298.0 m。电压220 kV,容量3.15万kW的主变压器布置于高程为298 m的尾水平台上,高压侧引出线经架空线路通过尾水渠右岸4个单回路转角铁塔进入220 kV开关站。开关站与进场公路相连,与主副厂房相距较近,管理集中,交通方便。

电站进水口引渠和下游尾水渠与泄水闸共用,施工期为导流渠。进水渠与尾水渠底高程均为286.0 m,进水渠进口最窄处62.5 m,下游尾水渠最窄处宽92.35 m,尾水渠从尾水管出口高程277.33 m开始,以1∶4的反坡延伸至283.5 m,设2.0 m平台,再以1∶3反坡延伸至286.0m,然后与下游河道平顺连接。经水工模型试验及现场过流运行验证,引渠和尾水渠的水流平稳,流速较缓,流态良好。

4 结 语

英布鲁水电站作为刚果(布)境内目前已建成并投入使用的最大水电站,设计人员在数十年的勘测设计工作中,通过大量分析和模型试验研究,根据现场的条件,因地制宜,合理、巧妙地对枢纽总布置及建筑物进行了设计。电站建成至今,运行状况良好。