喀麦隆曼维莱水电站工程设计优化

2017-11-13席燕林常玉龙

水利水电工程设计 2017年3期

席燕林常玉龙

喀麦隆曼维莱水电站工程设计优化

席燕林常玉龙

喀麦隆曼维莱水电站为径流引水式水电站，采用EPC承包模式。在项目执行过程中，随着对客观自然条件认识的逐步加深、外部条件的不断变化和工程技术的发展，对枢纽布置、基础处理、坝型方案、输水明渠设计等方面进行了完善和优化，得到提高装机容量、降低施工风险、节约造价的多重效果，使业主和总承包商达到了双赢的目标，取得了良好的效果。

曼维莱水电站枢纽布置优化设计

1 工程概况

喀麦隆水电资源丰富(位于非洲第三)，开发潜能巨大，但是开发利用十分有限。根据最新的电网规划及电力需求预测，喀麦隆南方电网至设计水平年2025年时的电力总需求将达到2 345 MW，若考虑南方电网目前的供电电源点来计算，至2025年时电力缺口高达1 536 MW，因电力不足使得喀麦隆政府不得不对电力消费者采取定量分配供应制。喀麦隆正计划大力推动其工业的复兴，电力能源又是工业化的保证，是政府大力支持的行业，根据喀政府的战略计划，为了填补当前和未来的电力需求缺口，喀麦隆政府正在规划和努力实施一批能源项目。其中位于喀麦隆南部地区恩特娒河上的曼维莱(MEMVE＇ELE)水电站是政府重点推进和落实的项目之一，是目前喀麦隆国内在建的最大水电站项目。工程规模为Ⅱ等大(2)型，其主要任务是发电。

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(Ebolowa)约175 km，距首都雅温得(Yaounde)约343 km。

枢纽及电站设计洪水标准为10 000年一遇，校核洪水标准为PMF洪水。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，通过280 km同塔双回225 kV输变电线路接入喀麦隆南部电网。水电站主体工程施工期54个月，主体工程(不包括输变电线路及进场公路)工程总投资约6.37亿美元。中国电建采用EPC方式承包，中水北方勘测设计研究有限责任公司负责勘测设计。

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，拦河坝及泄水建筑物沿坝轴线全长约 1 935 m(含渠道进水口拦污栅闸段长度)。发电引水建筑物为：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户外式开关站及厂区附属建筑物等。

2 设计优化的原则

2.1 设计优化的原则

按照FIDIC条款的解释，EPC(Engineering Procurement Construction)承包模式是指承包公司受业主委托，按照合同约定对工程建设项目的设计、采购、施工、试运行等实行全过程或若干阶段的承包。通常总承包公司在总价合同条件下，对其所承包工程的质量、安全、费用和进度进行负责。因此，设计优化遵循以下原则：

(1)设计优化应不降低合同对项目功能的基本要求，满足合同对质量、安全、费用和进度的基本要求。

(2)在EPC模式中，Engineering不仅包括具体的设计工作，而且包括整个建设工程内容的总体策划以及整个建设工程实施组织管理的策划和具体工作，设计优化是广义的。

(3)由于本工程发包人聘请了监理工程师监督总承包商“设计、采购、施工”的各个环节，发包人通过监理工程师各个环节的监督，介入对项目实施过程的管理。本工程的设计优化可以采用过程优化模式，逐步实施。

2.2 设计优化点的选择

随着设计工作及施工建设过程的不断深入、外部条件的变化，对制约工程施工的影响因素突显出来。主要表现在：

(1)半地下厂房和长尾水洞的引水发电系统布置，施工难度大，地质风险、工期风险、造价风险较大。

(2)拦河坝和二道坝轴线长、坝高小、填筑量大，坝体结构形式对筑坝材料选择、施工方法制约大。

(3)输水明渠通过沼泽地，基础处理方法对施工难度、造价和工期影响大。

(4)输水明渠通过地层复杂，衬砌形式与防渗、排水结构对工程安全、造价影响大。

以上工程的布置与结构对工程的功能发挥、安全运行、施工质量、工期和造价都有重要的影响，是本工程的主要优化点。

3 优化设计

3.1 引水发电系统与厂房布置优化

在承包商与喀麦隆能源部签署的合同中所确定的建设方案是半地下厂房和长尾水隧洞方案。工程中标后，设计认为，采用该方案存在以下问题：工程前期勘察工作量很少，存在地质风险；大量地下建筑物施工难度大，存在工期和造价风险；长尾水水头损失大，不利于水资源充分利用；半地下厂房运行条件较差，且电站耗能较高。

针对以上问题，设计进行了三种不同的开发建设方案的比选研究：分别是下厂址地面厂房A方案、下厂址地面厂房B方案以及下厂址地面厂房C方案。各方案的设计特点均采用低坝径流引水式开发，加长明渠引水替代尾水隧洞，用地面厂房替代半地下厂房的模式。

通过地形地质条件、工程布置、电站运行条件、能量指标、施工条件及工期、工程投资等技术经济综合比较，推荐采用的长明渠引水、地面厂房C方案可以提高机组的稳定性，大大减少了地下工程施工工程量，降低了施工难度和工程投资，加快了施工进度，节约了工程工期。

优化方案将电站装机容量由201 MW提高到211 MW，增加年发电量41 GW·h，节约工程投资约6 900万元，节约工期约6个月。该方案优化实现了业主与承包商双赢的目标。

3.2 拦河坝断面设计优化

曼维莱水电站拦河主坝及二道坝坝顶长度分别为1 800 m和6 00 m(包括泄水建筑物和电站进水口坝段长度)，最大坝高约30 m。

工程区具有典型的赤道温暖气候，每年分别有两个雨季和两个旱季：3—6月为第一雨季，降雨相对频繁但雨量相对适中，约占年降雨量的27%；7—9月中旬为第一旱季；9月中旬—12月中旬为第二雨季，降雨非常频繁且降雨量大，约占年降雨量的55%；12月中旬—翌年2月为第二旱季，气温较高。

详细初步设计阶段，为降低雨季降雨对土石坝坝体填筑进度及质量的影响，采取尽量减少土质防渗体断面设计，拦河主坝及二道坝均采用了心墙堆石坝。

在工程开工以后，从拦河主坝一期坝段(采用黏土心墙堆石坝)的实际施工情况来看：第一，由于坝体高度较小，心墙堆石坝分区材料从上游至下游分别有上游坝坡块石护坡、上游坝壳堆石料、过渡料、反滤料、心墙防渗土料、反滤料、过渡料、下游坝壳堆石料以及下游坝坡块石护坡等。各种材料分区面积小，施工干扰较大，实际上对坝体填筑进度影响较大；第二，咨询工程师要求作为心墙的防渗土料必须采用B3料场的纯黏土防渗料，而B3料场土料运距相对较远且储量有限；第三，曼维莱水电站的坝体填筑块石料、过渡料、反滤料、混凝土骨料以及部分建筑物基础填筑和回填料均采用永久建筑物基坑开挖料，没有开采专门的石料场作为补充，通过土石方平衡分析计算，若不再专门从石料场开采石料，仅仅利用建筑物基坑开挖石料的话，石料缺口达到约6万m3。

为消除以上不利因素的影响，设计对坝体结构进行了优化，采用均质土坝替代心墙堆石坝，带来的主要效益和优势为：

(1)利用均质土坝对坝基地质条件要求相对较低的特点，将辅助溢洪道右岸约150 m拦河主坝坝段、二期拦河主坝河心岛约80 m长坝段以及大部分二道坝坝段坝基的残积土厚度较厚、地质条件相对较差部位直接作为拦河坝建基面。相对原设计的岩基作为坝基基础要求，不仅减少了坝基开挖量和填筑量，大大的节省了坝基清理的工作量，加快了施工进度。

(2)对于与均质土坝防渗断面加大，咨询工程师同意采用砾石含量在20%左右的天然砾石土作为筑坝材料，因此，可利用距离二期拦河主坝距离更近的B1土料场，这不仅大大缩短了土料的运距，节约了成本，而且含有一定砾石含量的砾石土受气候影响小，碾压施工更容易，施工质量更可靠。

(3)采用均质土坝断面结构，大大降低了块石用料以及过渡料和反滤料等材料的用量，解决了可利用石料不足的状况，从而避免增加石料场开采石料的结果发生，大大节约了工程成本。

3.3 输水渠基础处理方案优化

对于该段约300 m长的穿越沼泽地段的输水明渠基础处理，合同规定采用振冲碎石桩加固处理方案。振冲碎石桩的直径确定为1.0 m，间距2.0 m，呈等边三角形布置，平均桩长为10.0 m，桩端坐落在粉质黏土或黏土层上。为确保渠道基础振冲加密效果，布孔范围扩大至渠道基础轮廓线外5.0 m，全部振冲碎石桩基础处理的总长度约150 km。

由于振冲碎石桩基础处理方案工程量大，需要专门进口专用设备，工程造价高。设计根据现场进一步地质勘察资料分析，认为处理深度7 m左右，采用换填处理方案其施工难度和经济性具有竞争力。

由于输水明渠施工不处于本工程关键线路上的诸多有利特点，现场土料资源丰富、设计采用基础换填替代振冲碎石桩基础处理方案，最大处理深度约7.0 m，换填范围沿渠纵轴线方向长300 m。施工时在换填基础基坑开挖底部首先回填1～1.5 m厚的石渣作为换填基础兼排水层，方便换填黏土填筑之前施工车辆通行及首层黏土的碾压压实效果。

该优化方案降低了施工难度和工程投资，大大加快了施工进度，节约工程投资约3 000万元。该方案较振冲碎石桩基础处理方案施工质量更易控制，从基础换填之后的渠堤沉降量观测来看，渠堤基础处理质量满足要求。

3.4 输水明渠衬砌结构优化

输水明渠渠道衬砌原设计采取不透水衬砌型式，即过水断面全断面采用钢筋混凝土衬砌，混凝土衬砌板之间的永久伸缩缝设置止水带，混凝土衬砌板下部设置30 cm厚的反滤透水层，渠坡两侧坡脚透水层内设置两根沿渠线方向的Φ300 mm的排水管，在渠堤两侧每隔一定的距离布置集水井并设置水泵进行抽水，以降低渠堤内的地下水，确保渠坡及混凝土衬砌板的稳定，该方案在国外渠道衬砌排水中是常规方案。

设计根据最新地质勘察成果和渠线地形条件，将渠道分成开挖渠道和回填渠道。其中挖方段渠坡、渠底所涉及的土层有残积土层、强风化岩层和弱风化岩层，渗透系数均小于10-4cm/s；渠道填方段采用的基础换填土和堤身土压实后的渗透系数亦都小于10-4cm/s，故输水明渠渠身、渠底土体、岩体都属于弱渗透性。设计根据渠堤全线渗的渗透特点，将渠道过水全断面由不透水衬砌调整为透水衬砌，即在基岩段的混凝土衬砌的渠道边坡和底板上设置系统排水孔，以便于渠道水位骤降时迅速降低混凝土衬砌下的水压力，避免混凝土衬砌被地下水顶托破坏。在土方填筑渠段的混凝土衬砌板底部设反滤排水料层和反滤土工布并在混凝土衬砌上设系统排水管。

两种不同形式的混凝土衬砌的反虑与排水结构很好地适应了当地的地质与地形条件。同时，结合工程所在地区气候条件点，优化了混凝土板的施工分缝设计，在垂直水流向每隔4 m设置永久伸缩缝，顺水流向则采取每隔4 m及时对混凝土板进行人工切割半缝，降低了施工难度。

混凝土衬砌的反虑与排水结构经优化后，受力清晰、排水畅通、施工简便。设计将原钢筋混凝土衬砌调整为素混凝土衬砌，节约钢筋约1 200 t。取消混凝土衬砌板配筋之后，也为渠道衬砌施工采用渠道衬砌机提供了可能，大大加快了施工进度。