喀麦隆曼维莱水电站工程首部枢纽布置设计

鲁永华 郭 强 包第啸 王立群

喀麦隆曼维莱水电站工程首部枢纽布置设计

鲁永华 郭 强 包第啸 王立群

曼维莱水电站工程位于喀麦隆南部恩特姆流域原始森林地区,主要任务是发电。首部枢纽主要由拦河坝、主溢洪道及泄洪冲沙闸、辅助溢洪道，渠道进水口等建筑物组成，重点介绍了首部枢纽的布置和各组成建筑物的设计及功能。

溢洪道 拦河坝 泄洪冲沙闸 渠道进水口

1 工程概况

喀麦隆共和国曼维莱水电站工程位于喀麦隆南部大区恩特姆流域原始森林地区。水库总库容为1.3亿m3，电站总装机容量为211 MW。曼维莱水电站主要任务是发电，电站在电力系统中的工作位置处于腰、基荷以及承担部分调峰任务。工程等别为Ⅱ等，大(2)型规模。工程主要由首部枢纽、发电引水系统、电站厂房系统组成。其中首部枢纽主要由拦河坝、主溢洪道、泄洪冲沙闸、辅助溢洪道及渠道进水口等建筑物组成。

综合考虑曼维莱水电站泄水建筑物实际规模以及在喀麦隆国民经济发展中的重要作用，洪水标准最终确定为：首部枢纽及电站厂区设计、校核洪水标准分别为10 000年一遇洪水和10 000年一遇洪水加大20%校核，相应的坝址处设计及校核洪峰流量为3 450 m3/s和4 140 m3/s。

2 水文、气象及地质条件

恩特姆河位于喀麦隆西南部。全年分为4个季节：12月—翌年2月为小旱季，气温较高，湿度较小；3—6月为小雨季，降雨频繁，强度不大，气温较高，湿度适中；7—8月为大旱季，气温较低，湿度较大；9—11月为大雨季，降雨频繁，强度较大，气温适中，湿度较大。多年平均气温为24.8 ℃，极端最高气温为39.5 ℃(6月份)，极端最低气温为16.5 ℃(4月份)。坝址处年径流总量124亿 m3，径流主要集中在两个雨季，4—6月占年径流量的26.3%，9—12月占年径流量的54.8%，年平均流量392 m3/s。

拦河坝坝轴线位于恩特姆河渡口下游大约2 km处，渡口处河道水面宽度约为300 m，而拦河坝轴线附近河床则变得平缓宽阔，河床高程为381～382 m，坝址上游地形平缓，水流缓慢。拦河坝两岸坝肩不对称发育，左岸山脊高程约420 m，岸坡较陡，自然边坡约35°；右岸山脊高程约400 m，现状自然岸坡较缓，为5°～10°。

3 首部枢纽总体布置

首部枢纽拦河坝及泄水建筑物沿坝轴线从左至右依次为：渠道进水口、左岸接头坝段、主溢洪道、河心岛坝段、辅助溢洪道和右岸滩地及岸坡坝段。

渠道进水口沿水流方向布置有进口拦污栅段、连接段、进水闸段等建筑物，水流向总长度约139 m。拦河坝及泄水建筑物顶高程为395.0 m，总长约1 800 m。左岸混凝土接头坝段坝高约18 m，坝顶长度20 m；左岸泄洪冲沙闸段净宽11.0 m，闸底高程379.0 m；左岸主溢洪道段共5孔，单孔净宽11.0 m，堰顶高程382.0 m；河心岛坝段平均坝高约13.5 m，坝顶长度约1 260 m；辅助溢洪道段共8孔，单孔净宽11.0 m，堰顶高程392.0 m；右岸滩地及岸坡坝段平均坝高约11.8 m，坝顶长度约332 m。

在本项目前期研究阶段，从位于坝址处的尼亚贝桑村附近的恩特姆河渡口至下游曼维莱瀑布范围内大约2 km的恩特姆河河段上共选择了5条坝线进行了比较，5条坝线选择综合比较见表1。

表1 首部枢纽坝线布置比选表

从地形条件来看，坝线1～3处河床宽度适中，右坝肩地形条件较好，但河床左岸地形地势均较低且平坦，坝肩布置难度较大，左岸坝轴线均需要向下游延伸至左岸小山包处，坝顶长度较长，工程量较大；从地质条件来看，坝线1～3处河床地质条件较好，但两岸地表覆盖层较厚，基岩顶高程较低，坝轴线穿越地面沉陷带的范围均较大，基础处理难度及投资较大。

坝线4两岸地形条件均较好，河床地形简单，坝顶长度相对较短，河道主流分左右两条支流，为泄水建筑物的布置及施工导流布置提供了便利条件。坝线4处河床冲积层及两岸坝肩覆盖层均相对较薄，坝线不穿越断层，穿越凹陷带的范围相对较小，地质条件总体相对较好。

坝线5拦蓄恩特姆河及其右岸两条主要支流的来水，坝顶长度较长，增加了水库的调蓄功能，但对拦河坝下游曼维莱瀑布的生态及景观用水影响较大。另外，该坝线不可避免地要穿越附近次级断层，受区域性断裂的影响较大。

综合工程规模、地形与地质条件、施工条件及建坝后对曼维莱瀑布、当地交通条件的影响，最终选择坝线4作为实施的推荐坝线，该坝轴线处地形起伏不大，适合水工建筑物布置和上、下游水流衔接，充分利用天然地形条件后形成了高度较小、工程量相对节省的拦河坝，坝址上游水面开阔，易形成较大的库容。主溢洪道和辅助溢洪道则则分别布置于沿坝轴线恩特姆河左、右岸主河槽上，使得泄水建筑物水流和下游河道衔接比较平顺。

4 建筑物设计

4.1 渠道进水口

为防止库内杂物进入输水系统，保证机组安全运行，在渠道进水口首部设置一道拦污栅。拦污栅段顶高程为395.0 m，孔口净宽9.0 m ，高9.0 m，共10孔，水流向长度为12.0 m，垂直水流向顶部宽度为108.5 m，在闸墩处分缝，每2孔一联。当电站引用最大流量450 m3/s时，过栅流速约为0.83 m/s。为便于清污，栅体倾斜布置，倾角80°，顶部从上游至下游设有自动清污机和工作桥。

在渠道进水口连接段与输水明渠之间布置有进水闸，该闸为单向挡水，其功用为：在下游输水明渠检修及天然前池放空清淤检修时下闸挡水。进水闸设计引水流量为450 m3/s，为开敞式钢筋混凝土结构，共5孔，两边跨为2孔一联，中间1孔为一联，单孔净宽9.0 m，闸室水流向长度为14.0 m，垂直水流向顶部宽度为58.0 m。闸室底板顶高程386.0 m，闸室顶部侧设检修交通桥，进水闸下游侧采用扭面翼墙与输水明渠衔接。

进水闸每孔设1道工作闸门和1道检修门槽，工作闸门采用平板钢闸门，共5套，启闭设备为固定卷扬机，启闭机平台高程404.0 m，宽5.40 m，其上设启闭机房，在机房两侧设楼梯作为上下平台通道。检修闸门为叠梁门，5孔共用1套，启闭设备为启闭机平台上游侧的电动葫芦。

渠道进水口拦污栅段与进水闸段布置有连接段，连接段在平面上呈直线及曲线型布置。连接段在平面上宽度从进口处的105.5 m逐渐缩至进水闸前缘处的55.0 m，沿水流向的长度约113 m，为渠道进水口内拦污栅与进水闸之间的水流平顺衔接创造了良好条件。

4.2 拦河坝

拦河坝由均质土坝和黏土心墙坝两种坝型组成。

均质土坝坝顶宽10.0 m，坝顶高程395.0 m。坝体基本采用黏土单一料填筑。上游坝坡为1∶3，采用0.80 m厚干砌石护坡，为利于水位骤降工况上游坡排水，在上游坝坡干砌石底部设置厚度分别为0.5 m和0.3 m的过渡层和反滤层；下游坝坡为1∶3，下游坝坡采用30 cm过渡料进行保护，坡脚设排水棱体。由于坝高较低，均质土坝上、下游坝坡均不设马道。坝顶上游侧设1.2 m高钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程396.2 m。防浪墙与坝体防渗体结合，形成坝体防渗体系。

黏土心墙坝坝顶宽10.0 m，坝顶高程395.0 m，坝壳用厂房基坑开挖料填筑，基岩面上的黏土心墙下部设截渗槽及一排帷幕灌浆。上游坝坡为1∶2，388.5 m高程以上采用0.80 m厚干砌石护坡；下游坝坡为1∶1.8，坝坡不做防护。在坝轴线上游侧设置黏土心墙，心墙顶高程394.0 m，顶部宽度5.0 m，心墙上下游坡比均为1∶0.5，心墙上、下游侧与坝壳料之间均设置反滤层和过渡层。坝顶上游侧设1.2 m高钢筋混凝土防浪墙，墙顶高程396.2 m。防浪墙与坝体防渗体相结合。

拦河坝坝顶公路表面采用贯入式沥青碎石，砾石粒径0.4～1.5 cm，厚4 cm；基层采用粒径3～6 cm级配碎石，厚15 cm，表面撒布乳化沥青。路面向下游侧倾斜，坡度为2%，以利于坝顶排水。

4.3 泄洪冲沙闸及主溢洪道

首部枢纽泄水建筑物包括：1孔带弧门的泄洪冲沙闸、5孔带弧门的主溢洪道和8孔无闸门控制的辅助溢洪道。在非汛期天然来水流量小于电站机组发电流量，所有水流通过机组发电后进入下游河道。根据泄水建筑物过流能力复核计算，在正常蓄水位392.00 m时，1孔泄洪冲沙闸的全开最大泄量为850 m3/s，5孔主溢洪道全开最大泄量为3 688 m3/s，总泄量达到4 538 m3/s，满足枢纽的泄流能力需要(校核洪水流量为4 140 m3/s，设计洪水流量为3 450 m3/s)。

泄洪冲沙闸及主溢洪道位于拦河坝左岸主河槽上，由上游连接段、控制段、消力池段和海漫段等部分组成。泄洪冲沙闸1孔、主溢洪道5孔，孔口净宽均为11.0 m，均为开敞式布置，泄洪冲沙闸及主溢洪道的堰顶高程分别为379.0 m和382.0 m，闸顶高程与土坝坝顶高程同为395.0 m。

泄洪冲沙闸采用平底板宽顶堰，泄洪冲沙闸上游侧底板为水平段，长度为14.0 m，底板顶高程为379.0 m；下游侧为1∶4的斜坡与消力池平顺连接，闸室斜坡段长度为19.6 m，底板顶高程由379.0 m渐变至374.1 m。闸室上游侧水平段设事故检修门槽和11.0 m×13.5 m(宽×高)的弧形工作闸门，检修叠梁门由布置于闸顶的门机启闭，操作平台高程为395.0 m，工作弧门采用液压启闭机启闭，其油泵房布置在左侧闸墩上，高程为396.0 m，油泵房设有台阶与下游公路桥桥梁相通。

主溢洪道堰顶高程382.0 m。溢流堰前沿与闸墩前沿齐平。堰面沿水流方向由进口圆弧段、堰面曲线段、1∶1斜坡连接段、半径为15.0 m的圆弧反弧段和水平段组成。堰顶设事故检修闸门槽和11.0 m×10.5 m的弧形工作闸门，上游检修叠梁门由布置于闸顶的门机启闭，操作平台高程为395.0 m，工作弧门采用液压启闭机启闭，其油泵房分别布置在闸墩上，高程为396.0 m，油泵房设有台阶与下游公路桥桥梁相通。考虑经常性的水库表面排漂的需要和节约排漂用水，为配合电站的清污运行，在事故闸门启闭门机设清污抓斗(容量为10 t)，在门前漂浮物较小时仅采用清污抓斗清污而不用开闸排漂。

主溢洪道顶部从上游至下游依次布置门机轨道梁及操作平台、油泵房、电缆沟、公路桥桥梁等。

4.4 辅助溢洪道

辅助溢洪道布置在右岸主河槽上，其功用，首先是在一般洪水条件下，当水库来流量超过电站发电引用流量时，多余的来水量通过辅助溢洪道自然下泄，保证有一个相对稳定的库水位，以尽量避免因频繁开启泄洪冲沙闸或者主溢洪道的闸门而带来的运行操作上的不便或者因闸门操作失误带来的危险；其次是在水库遇到超标洪水的极端情况下，可以作为洪水的下泄通道，从而成为确保土坝安全的又一道安全防线和储备；第三，通过参与水库多余弃水下泄或者泄洪，可以避免坝址下游现状河道右岸主河槽出现彻底断流现象。第四，当主溢洪道和泄洪冲沙闸下游消能防冲设施需要检修时，可以拆除辅助溢洪道堰头素混凝土泄放枯水期常遇洪水，为检修创造条件。

辅助溢洪道由上游连接段、控制段、下游连接段等部分组成，上、下游总长105.0 m。辅助溢洪道共8孔，孔口净宽均为11.0 m，均为开敞式布置，溢流堰堰顶高程为392.0 m，与水库正常蓄水位同高，顶高程与拦河坝顶高程同为395.0 m。控制段顺水流向长19.0 m，沿坝轴线方向顶部宽106.0 m。堰面沿水流方向由进口椭圆弧段、堰面曲线段、1∶1斜坡连接段以及半径为5.0 m的圆弧反弧段和水平段组成。辅助溢洪道顶部布置有公路桥桥梁。

5 结 语

喀麦隆曼唯莱水电站工程为典型的明渠引水式水电站工程，首部枢纽建筑物由拦河坝、主溢洪道、泄洪冲沙闸、辅助溢洪道及电站进水口等建筑物组成，首部枢纽布置及各建筑物设计中综合考虑了地形地质、水文、筑坝材料、运行管理等诸多方面的因素：选定的首部枢纽轴线地形起伏相对较小，工程量相对节省；坝址上游水面开阔，易形成较大的库容；主溢洪道和辅助溢洪道则则分别布置于沿坝轴线恩特姆河左、右岸主河槽上，使得泄水建筑物水流和下游河道衔接比较平顺；选定的首部枢纽在满足泄洪、排沙、排漂、引水等基本功能要求的同时，还兼具运行管理及检修方便的特点。

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鲁永华 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

郭 强 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

包第啸 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

王立群 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

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