哈萨克斯坦玛依纳水电站引水发电枢纽建筑物布置设计

尹晓林，程 春

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

玛依纳水电站位于哈萨克斯坦共和国东南部阿拉木图州莱姆别克区的伊犁河支流——恰伦河上，为一座综合性水利枢纽。工程主要任务为发电，其次是灌溉。电站为混合式开发，其主要建筑物由首部大坝枢纽、引水系统、厂区枢纽等建筑物组成。大坝为黏土心墙堆石坝，坝高94.0m；水库正常蓄水位1 770.00m，死水位1 736.0m；电站引用流量74.0m3/s，引水系统长约9.2km，电站利用落差约500m，安装2台单机容量150MW的冲击式水轮发电机。

玛依纳水电站工程区及外围位于天山地震带活动性很强的中天山地震带内，场地的地震烈度按国际MSK-1964烈度表为Ⅸ度。大坝坝址峡谷谷底部和中部的基岩、顶部覆盖层的地震动峰值加速度amax分别为0.44g、0.88g。

电站的引水发电建筑物包括引水建筑物和厂房建筑物两部分。

引水建筑物由引水隧洞、调压井及压力管道组成。引水建筑物处出露的地层主要为石炭系下统克特缅(C1t-v1kt)火山岩，岩性主要有层凝灰岩、不同成分的凝灰岩、斑岩、玢岩、凝灰角砾岩、粗面流纹岩和少量玄武岩等。压力管道末段有奥陶系上统(γO3)花岗岩侵入，岩性复杂。区内无大的区域性断裂构造。地下洞室围岩条件和围岩的稳定性主要受控于地层岩性、上覆岩体厚度、地质构造、岩石强度、岩体完整性、结构面组合、风化卸荷程度和地下水活动情况等。地下水蕴藏受地形地貌与构造控制，预计在断层破碎带与影响带、裂隙密集带部位地下水相对较丰富且可能局部有承压水。推测引水建筑物洞室围岩类别Ⅲ类占60%，Ⅳ、Ⅴ类占40%。

厂房建筑物由主厂房、副厂房、综合办公楼、主变场组成，开关站由哈方自建。

地面厂房附近为一级阶地缓坡平台，经勘探揭示冲积堆积层厚10～15m，下伏基岩为奥陶系上统(γO3)浅肉红色二长花岗岩。推测岩体强风化、强卸荷垂直埋深10～20m，弱风化、弱卸荷垂直埋深25～30m。

2 引水建筑物布置方案选择

2.1 引水建筑物一般布置方式

引水式电站引水建筑物一般由电站进水口、引水隧洞、调压井和压力管道组成，引水建筑物纵剖面布置一般采用一坡到底方案或竖(斜)井方案。

一坡到底方案即从电站进水口至安装高程基本采用一个纵坡值，高压引水隧洞段较长。该布置方案要求地形陡峻、引水隧洞区的围岩地质条件好。优点是：方便施工支洞的布置，有利于环境保护；方便利用掘进机施工；充分利用围岩承载，支护结构简单；调压室采用深埋的气垫式调压室；工程投资省；建筑物结构的运行可靠性高。该布置方案在挪威运用较多。近年来，在国内电站建设条件适宜的工程项目中也推广采用一坡到底布置方案，采用气垫式调压室。

竖(斜)井方案即充分利用地形条件，从电站进水口至调压井采用较缓的隧洞纵坡值，缩短高压隧洞的长度，在调压井后采用竖井或斜井的集中压坡布置方式。优点是：高压引水隧洞段缩短；调压井竖井高度降低；引水隧洞和调压井的结构受力条件改善；重点加强高压洞段的结构支护，确保建筑物结构的运行可靠性。该方案是国内外水电站设计中成熟而普遍采用的布置型式。

2.2 引水建筑物布置方案

2.2.1 一坡到底方案(哈萨克斯坦水利设计院推荐方案)

引水隧洞进口底高程为1 718.50m，至调压井处底高程为1 520.00m，隧洞长4 820m，纵坡i=0.041 83，引水隧洞最大内水压力2.7MPa。露天调压井筒高260.0m。地下埋藏式压力管道首端底高程1 520.00m，末端底高程1 247.00m，压力管道长4 300m，前段纵坡i=0.087 1，后段纵坡i=0.002 73。根据地形条件，在引水系统中部设一条施工支洞，支洞长1 100m，为便于引水建筑物检修，在施工支洞设置检修进人孔。

2.2.2 竖井方案(中方调整方案)

引水隧洞进口底高程1 718.50m，考虑引水隧洞沿线实际的地形条件，结合合同工期要求和布置施工支洞的地形、地质条件，确定调压井处底高程1 605.00m。隧洞长约4 912m，纵坡i=0.118 18和i=0.015 200 2，引水隧洞最大内水压力为1.81MPa。露天调压井竖井高175.00m。地下埋藏式压力管道分上平段、竖井段(或斜井段)和下平段以及岔支管段。

压力管道采用竖井还是斜井布置，主要取决于施工方法、施工设备。竖井布置有利于采用反井钻机进行施工，投资略大；斜井布置有利于采用爬罐进行施工，投资略小。考虑本工程在国外施工，为了加快施工进度，确保施工安全，合理利用施工设备(闸门井、调压井采用反井钻机施工)，推荐该电站的压力管道采用竖井布置方案。

压力管道上平段底高程1 605.00m，竖井高205m，下平段起点高程1 396.05m，压力管道主管长约4 301m，纵坡i=0.039 06和i=0。为满足该工程项目的建设工期要求，适应常规的钻爆法开挖，根据引水线路沿线地形条件，该方案引水系统共设4条施工支洞，1号和2号施工支洞布置在引水隧洞区，3号和4号施工支洞布置在压力管道区。1号施工支洞长790m，2号施工支洞长634m，3号施工支洞长516m，4号施工支洞长464m。为便于引水建筑物的维护和检修，在2号施工支洞设置检修进人门。

2.3 引水建筑物布置方案比选

工程引水建筑物的布置受地形、地质条件的限制，一坡到底方案和竖井方案的引水系统平面布置基本一致，全部水头损失完全相同。两个方案的引水建筑物衬砌型式基本相同，只是衬砌段的长度和对应的结构参数是根据洞室围岩条件和建筑物承受的内外水压力大小确定而各异。

对本工程而言，一坡到底方案的布置只是引水隧洞和压力管道检修方便，其他优点无法体现，反而缺点明显。哈方推荐的一坡到底方案实际上从隧洞进口到出口的纵坡并不完全一致，且坡度较大，导致施工不便，与利用掘进机施工和常规的施工方法、施工设备都不适应；隧洞和调压井的支护结构复杂；受地形、地质条件的限制，不能采用气垫式调压室，只能采用常规调压井，导致调压井竖井很高；隧洞和调压井建筑物结构的运行可靠性降低；调压井检修难度增大；总投资增大；建设工期长。

竖井方案较好地解决了一坡到底方案所遇到的问题。有利于利用常规施工设备组织施工，加快了施工进度；减少了结构设计难度，提高了建筑物结构的运行可靠性。

综上所述，中方推荐引水建筑物布置采用竖井方案。引水发电枢纽建筑物布置方案见图1、2。

3 厂房建筑物的布置

哈萨克斯坦水利设计院推荐的地面厂房位于阿克斗卡附近恰伦河右岸一级阶地缓坡台地上，该地具有布置地面厂房较好的地形条件。经中方工程师现场勘察复核，该范围冲沟发育，一级阶地缓坡台地覆盖层较厚、地基承载力较低，在一级阶地上游靠山侧的1 245～1 275m高程有一天然基岩边坡，坡高约20m，坡度40°～50°。经推测，该基岩边坡外侧一定范围内的一级阶地缓坡台地下部有基岩出露，由于该工程区的地震烈度为Ⅸ度，按照规范要求，厂房建筑物不宜建在软基上。

厂房建筑物的主机间和安装间呈“一”字形排列，安装间布置在主机间右侧，安装间的上游侧布置综合办公楼，主机间上游侧布置副厂房和主变场。主厂房平面尺寸78.98m×28.00m(长×宽)，其中主机间长50.90m，安装间长28.08m；副厂房长50.90m，宽12.92m；综合办公楼平面尺寸28.0m×22.20m(长×宽)。根据厂房建筑物的布置及尺寸大小，对原哈方设计的地面厂房位置进行了调整，将厂房移至天然基岩边坡出露范围。该布置方案不仅避开了下游较大冲沟水流对厂房建筑物的影响，同时，将厂房建筑物基础全部置于基岩上，且保证了压力管道、尾水和对外交通的布置顺畅。为满足将厂房建筑物基础全部置于基岩上，仅对天然基岩边坡进行适当开挖，开挖厂房后坡总高约40m，并对开挖形成的厂房边坡和局部的厂房基础进行适当的工程处理，以确保厂房建筑物的结构及运行安全。

图1 引水发电枢纽建筑物平面布置示意

图2 引水发电枢纽建筑物纵剖面

地面厂房的布置位置见图1。

4 结 论

玛依纳水电站为高水头引水式电站，引水系统为“一洞一井一管两机”，机组采用冲击式水轮发电机。引水建筑物由于受地形条件的限制，调压井位置无选择余地，引水隧洞长4 913m，调压井后压力钢管主管长约4 322m，调压井后Tw=5.21s ，Tw/Ta=0.62。通过利用计算机程序进行模拟，对整个引水发电系统(含水轮发电机组)进行水力过渡过程分析计算。计算结果表明：由于配水环管末端的最大压力和机组的最大转速上升率分别由针阀和折向器控制，均能够选择合适的启闭规律保证调保参数在控制值范围内。

玛依纳水电站的引水发电工程项目由中方采用EPC承包方式承建，由中方经调整推荐的引水发电建筑物布置方案获得了哈方相关部门的审查同意，从而使工程项目的建设得以顺利推进。

该工程项目于2008年4月8日双方签订EPC合同，2008年7月，中方人员进场开展施工前的各项准备工作。中方承包商克服人员签证和设备进场困难，通过努力在恶劣的气候条件和较差的施工环境下，于2009年10月完成地面厂房开挖，2010年7月完成调压井开挖，2010年9月完成引水隧洞开挖，2011年4月完成压力管道开挖，2012年2月1日实现第一台机组的发电目标。

通过对引水隧洞、调压井、压力管道、地面厂房开挖揭示的地质条件分析表明：中方推荐的引水建筑物布置采用竖井方案和地面厂房位置调整方案，较好地满足了施工及工期要求，同时确保了施工安全和质量。如果按照一坡到底方案实施，在施工过程中，不仅很长的压力引水隧洞段都有可能遇到严重的地下水问题，而且在引水隧洞前段和压力管道的局部洞段都会遇到成洞难的问题，对工程建设的安全、质量、工期、费用等都可能造成很大的影响。调整后的地面厂房基础基本上都位于弱风化、弱卸荷岩体上，仅安装间底板的局部范围位于强风化、强卸荷岩体上，达到了调整引水发电枢纽建筑物布置方案的预期目的。