喀麦隆曼维莱水电站引水发电系统方案研究

常玉龙 范永平 林德金 徐 强

喀麦隆曼维莱水电站引水发电系统方案研究

常玉龙 范永平 林德金 徐 强

承包商与喀麦隆业主合同签署的曼维莱水电站工程开发建设方案为半地下厂房长尾水隧洞方案。在工程正式开工前，设计开展了为期一年的补测勘测及专题研究，对电站引水发电系统方案进行了多方案比选论证研究，成功地进行了方案优化和变更，节约了工程投资和工期，取得了良好的经济和社会效益。

曼维莱水电站 枢纽布置 引水发电系统 研究

1 工程概况

曼维莱水电站位于喀麦隆共和国南部玛安省镜内紧邻赤道几内亚的恩特姆河上，地处热带丛林地区，距南部大区首府埃博洛瓦市约175 km，距首都雅温得约343 km。水库总库容1.3亿m3，电站总装机容量211 MW(4×52.75 MW)，多年均发电量11.87亿kW·h，工程规模为Ⅱ等大(2)型，其主要任务是发电。

工程主要建筑物由首部枢纽以及位于工程区左岸的引水发电系统建筑物等组成。首部挡水和泄水建筑物主要包括：拦河坝、主溢洪道及泄洪冲沙闸、辅助溢洪道及渠道进水口等；发电引水建筑物主要包括：输水明渠(设计引用流量450 m3/s)、前池及二道坝、压力管道、电站厂房、 225 kV户外式开关站及附属建筑物等。

2 枢纽总体布置格局特点

曼维莱水电站工程位于喀麦隆恩特姆河主干流上，枢纽区地形起伏不大，推荐坝址上游水面开阔，易形成较大的库容，使水库具有一定功能的调蓄功能，产生很好的发电效益。

工程区总体地质条件较好，基岩主要为花岗片麻岩，除峡谷地段风化卸荷相对强烈并分布少量崩塌堆积体外、其余地段物理地质现象不发育，地表出露基岩多为弱、微风化，覆盖层以下基岩则多为微、新岩体，仅局部地段岩体为强风化。

枢纽布置充分利用了工程区起伏不大的地形和较好的地质条件，坝轴线、电站进水口、输水明渠线路以及电站厂址的布置均很好地匹配了地形及地质条件，形成坝顶长度相对较短、水流衔接平顺以及尽可能充分利用了河道水头落差来增加发电收益的枢纽布置格局。

3 引水发电系统方案研究

关于曼维莱水电站的开发建设方案，不同时期先后开展了四次不同深度和不同阶段的研究论证工作，所有研究成果所推荐的曼维莱水电站建设开发方案均采用低坝径流引水式开发方案，不同阶段研究提出的开发方案的拦河坝坝址及坝线选择、电站装机规模和水库特征水位等指标基本一致，主要区别是在电站引水发电系统布置方案、厂址选择及厂房型式。

3.1 电站厂址选择

考虑到曼维莱水电站主要是利用将恩特姆河在曼维莱瀑布处形成的河道落差裁弯取直进行引水发电，其发电水头主要利用曼维莱瀑布约35 m的落差以及瀑布下游急流产生的约15 m的水头，因此，曼维莱水电站可能的电站建设厂址只能位于曼维莱瀑布下游的恩特姆河峡谷段。

从地形条件来看，曼维莱瀑布下游恩特姆河峡谷左岸地势总体平缓，地形向峡谷缓斜降低，基本具备布置岸边式地面厂房或半地下式厂房的地形条件。

从地质条件来看，坝址下游沿恩特姆河峡谷发育有一条区域性断裂，该断裂控制了水系的走向，使恩特姆河由北西转向南西，在断裂带附近形成瀑布，并使恩特姆河峡谷直线状延伸约 40 km，受该区域断裂影响，沿恩特姆河峡谷岸边也发育有部分次级断层，越靠近恩特姆河峡谷岸边岩石相对比较破碎，从钻孔结果看厂房基坑上部岩体存在一些节理密集带。因此，厂房位置则应尽可能远离岸边布置，避免因穿越岩石结构面对厂房基坑开挖及边坡支护和稳定造成不利影响。

通过现场查勘并综合考虑不同的输水线路方案在曼维莱瀑布下游恩特姆河峡谷左岸斜坡地带初步选择了两处比较可行的电站厂址位置(简称为上厂址和下厂址)，其中上厂址位于恩特娒河左岸的平台上，距上游曼维莱瀑布约1.5 km，而下厂址位于上厂址下游约1.5 km处的峡谷岸边，两厂址之间恩特姆河的水头落差7～8 m。

3.2 上厂址引水发电系统方案

根据上厂址处地形特点，在输水明渠末端利用一天然低洼区域作为天然前池，天然前池的容积约为60万m3。在天然前池下游侧的V形山口可布置电站进水口。进水口后接引水压力管道，可将发电水流引入厂房。

3.2.1 半地下厂房方案+长尾水隧洞

该方案厂房型式采用半地下厂房，尾水隧洞长约1.4 km。厂房位置距恩特娒河左岸岸坡约360 m，距离上游曼维莱瀑布约1.5 km，厂房顶部缓坡平台一带的地面高程为375～380 m。水轮机机组安装高程采用330 m，在厂区布置副厂房及地面开关站。两条直径为9.0 m、长约1.4 km的电站尾水隧洞基本上平行于恩特娒河峡谷布置，尾水隧洞出口位于电站厂房下游约1.2 km的恩特娒河左岸岸边，尾水隧洞上游分别布设有尾水调压室及尾水施工支洞兼调压洞，厂房主要设备运输通过位于安装间一侧的进场主交通洞来实现，详见图1。

该方案的主要特点是水能利用比较充分，厂房及尾水系统均采用半地下或地下式，避免了因基坑开挖而形成高边坡稳定问题，但也存在地下建筑物结构相对复杂、电站运行条件相对较差等不利因素。

图1 上厂址半地下厂房方案引水发电系统平面布置示意图

3.2.2 地面厂房方案+尾水明渠

该方案采用地面厂房后接尾水明渠，厂房位置在半地下式厂房位置的基础上向岸边偏移120 m左右，原则是厂房不穿越恩特娒河左岸岸边的次级断层及不设置上游调压室，厂房距恩特娒河左岸约210 m，采用大开挖形成地面厂房，电站尾水接尾水明渠将水流引至主河道，尾水明渠采用大开挖形成，详见图2。

该方案的主要特点是施工方便，电站运行条件好，厂房及尾水明渠土石方开挖工程量大。该方案和半地下长尾水隧洞方案相比水能利用减少7～8 m，就能量指标来讲，该方案相对半地下长尾水隧洞方案减少了1.21亿kW·h发电量，减少的比例约为11.9%，按上网电价0.412元计算，上厂址长尾水隧洞方案相对上厂址短尾水明渠方案增加的工程投资在2～3年内就可以收回，从电站长期运行的收益方面来看，上厂址长尾水隧洞优于短尾水明渠方案。

3.3 下厂址引水发电系统方案

为了充分利用上厂址厂房与尾水隧洞出口1.2 km长河道的天然落差发电，在上厂址尾水隧洞出口附近选择作为下厂址来布置电站厂房。

3.3.1 上池地面厂房方案

该方案取消了在拦河坝左坝肩上游山包内开挖的取水口以及输水明渠沼泽地段的填方渠道，利用枢纽区的地形特点，将库区内一段天然冲沟进行简单疏浚整治后形成天然水库渠道，人工开挖一段长约600 m的渠段将水引至上厂址半地下厂房方案中布置的天然前池内，再从该前池的南端人工开挖约710 m长的输水明渠至电站进水口，电站进水后后接两条内径为10 m、单洞水平投影长约660 m的压力竖井和平洞，每条压力平洞末端再分别接钢岔管与下厂址处地面厂房内的蝶阀相连，发电尾水通过开挖尾水明渠流入原河道，详见图3。

图2 上厂址地面厂房方案引水发电系统平面布置示意图

该方案的主要特点是大大简化了取水口建筑物，同时利用现状天然冲沟从水库引水，缩短了输水明渠长度。但渠道进水口调整之后由于在进口前没有排沙设施，在电站长期运行期间会因为泥沙淤积而造成电站取水困难，影响电站正常发电。另外，该方案压力管道较长，需要设置上游调压井，增加了工程投资和施工难度。

3.3.2 下池地面厂房方案

通过现场查勘及分析最新补测的地形图后发现在上厂址半地下厂房方案尾水隧洞出口下游附近亦存在天然洼地和相对较为平缓开阔的地形，只需要在洼地下游，靠近恩特姆河峡谷岸边天然垭口处修建规模不大的二道坝后，即可形成类似于上厂址半地下式厂房方案中的天然压力前池，前池可以形成392.0 m的最高运行水位，很好地提供了发电水头，在二道坝右坝肩处存在布置电站进水口和岸边地面厂房的良好地形条件。该方案中压力引水发电系统以及开关站及厂区建筑物全部布设在二道坝右坝肩一侧的平台及岸坡上，由于电站进水口布设位置相对灵活，具备布置长度相对较短的压力管道的地形条件。该方案输水明渠线路首段与上厂址方案基本一致，其后逐步沿现状低洼地形逐步向东南方向偏转，输水明渠末端与天然前池平顺连接。

图3 下厂址地面厂房方案(上池)引水发电系统平面布置示意图

该方案的主要特点是同样利用天然洼地形成了天然压力前池，电站进水口及电站厂房均位于恩特姆河峡谷岸边附近，具备布置长度相对较短的压力管道的地形条件，机组稳定运行条件有保障且不需要设置上游调压井。

图4 下厂址地面厂房方案(下池)引水发电系统平面布置示意图

4 结 语

通过对曼维莱水电站工程引水发电系统的多方案比选论证研究，最终选择推荐下厂址地面厂房方案(下池)作为最终实施方案。该方案相较原合同方案增加装机容量10 MW，多年平均发电量增加约5 300万kW·h，从工程建设实施的效果来看，不仅降低了工程造价，节省投资约14 000万美元；而且降低了施工难度，节约工期约半年，取得了良好的经济及社会效益。

TV731

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1007-6980(2017)03-0016-04

常玉龙 男 教授级高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

范永平 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

林德金 男 教授级高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

徐 强 男 助理工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

2017-07-10)