解開維捷布斯克水電站的“基因密碼”

劉 文 勝，陳 渝

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.中國電力工程有限公司，北京 100048)

0 引 言

維捷布斯克水電站是白俄羅斯境內西德維納河上游的第一級電站，位于白俄羅斯維捷布斯克州州府維捷布斯克市東北約8 km，距離首都明斯克約300 km。維捷布斯克水電站裝機總容量為40 MW，年均發電量1.5億kWh。樞紐布置從左至右分別為左岸土壩、船閘、連接土壩、泄洪閘、廠房、右岸土壩。

維捷布斯克水電站在中國人眼里是個小不點兒，但在白俄羅斯卻是在建最大的水電站，被譽為“白俄三峽”，得到了參建各方的高度重視。該電站采用中白兩國規范設計，結合了兩國工程師的設計理念和智慧，是中白兩國的“混血兒”，其具有許多鮮明的特征，比如：泄洪閘采用大孔口并設置舌瓣門排冰泄洪，適應低水頭采用燈泡貫流式機組；船閘布置“入鄉隨俗”，因地制宜采用擋墻土壩，推廣水泥碎石樁新技術等。

基因決定特征，本文一一解析這些特征的“基因密碼”。

1 “混血兒”的由來

維捷布斯克水電站由中國公司采用EPC模式總承包，總承包商與白俄羅斯業主維捷布斯克能源局的合同規定：“設計文件在消防、人員安全，工業安全，衛生規程，生態安全和環境保護方面必須按照白俄羅斯的強制性標準和要求；不受白俄羅斯強制性標準和要求的設計文件可按中國標準和要求完成。”

總承包商與中國的設計單位簽訂設計合同規定按照中國規范進行設計；總承包商與白俄羅斯國家電力設計院簽訂的審查合同規定按照白俄羅斯標準進行審查。在具體的設計過程中就需要發揮中白兩國設計人員的智慧來達成共識，維捷布斯克水電站“混血”由此而來。

2 為了排冰泄洪采用大孔口并設置舌瓣門

維捷布斯克地區11月至來年的3月月平均氣溫均低于零度，其中12月至來年2月平均氣溫處于-3°～-10°之間，屬于寒冷地區。庫區積雪的形成開始于12月的10日至15日，一直持續到3月10日至20日。積雪的歷史最厚深度可達61 cm，在冬季平均降雪量為28 cm。在自然地形下的土壤凍結最厚深度可達142 cm，平均一年的土壤凍結可達73 cm。

西德維納河春汛洪水為概率最大洪水，且洪水伴隨冰凌。這就要求泄水建筑物在排泄洪水的同時排泄冰塊。為了解決表層過冰的要求，中方工程師首先提雙層閘孔泄水方案，即表層過漂浮物，底部過泥沙的布置方案。共設置6孔表孔和6孔底孔，孔口寬度均為12 m；表孔高6.2 m，堰頂高程為132.8 m；底孔高3.2 m，堰頂高程為126 m。表孔和底孔之間由混凝土梁隔開，均采用平板門擋水。經水力學計算雙層閘孔泄水方案能滿足泄洪要求，也能滿足溢流表層通過一定冰塊的目的。

但白俄羅斯工程師對閘寬12 m能否通過大冰塊存在較大疑慮。為解除白俄工程師的疑慮，中方又提出大孔口設置舌瓣門方案，即泄洪閘共布置3孔，孔口尺寸為20 m×9 m(寬×高)，堰型為WES實用堰，堰頂高程為130 m；工作閘門為弧形閘門，排冰舌瓣門是嵌在弧形閘門門葉上的小門，頂緣與大門葉齊平，它與大門葉配合成整體。當通過啟閉機向下游翻到開啟時，即可將水庫內漂浮的冰塊排至下游。舌瓣門高2 m，寬11 m。

大孔口設置舌瓣門方案的布置看似常規，但是采用了很多新技術來保證排冰泄洪的暢通和建筑物的安全：1)寬20 m大閘孔，這在已建的泄洪閘中首屈一指，滿足了白俄方對大尺寸冰塊能通過泄水建筑物提出的要求。2)鋼襯包裹閘墩前緣，既能破碎大冰塊又減輕了冰塊撞擊閘墩的影響。3)弧形閘門上設置舌瓣門，保證了小流量時冰塊也能通過樞紐，避免冰塊在樞紐區上游的堆積對建筑物造成持續傷害。

中白兩方工程師通過多次探討，并委托西安理工大學進行了大孔口舌瓣門排冰泄洪的水工模型試驗，試驗表明大孔口設置舌瓣門滿足大冰塊過閘、小流量淌凌的各項要求，最終白俄工程師認同了中方提出的大孔口設置舌瓣門方案。

3 適應低水頭采用燈泡貫流式機組

西德維納河壩址區為平坦的沖積平原，河道寬闊順直(河寬120 m)，來水量大，利用水頭低，采用燈泡貫流式機組，具有較高過流能力和比轉速，結構簡單，施工方便，布置緊湊、投資較小。

維捷布斯克電站為河床式廠房，額定水頭9.1 m，額定流量123.77 m3/s，轉輪直徑3.95 m，單機容量10 MW，技術成熟。廠房布置于壩址區的右岸，左側緊鄰泄洪閘，具備擋水功能，廠房壩段總體尺寸為59.94 m×46.1 m×47 m(長×寬×高)。流道分為進口段、流道中段、出口段，燈泡貫流式機組安裝在流道中段。技術供水系統，直流盤柜、廠用變等布置在尾水副廠房中，空壓機室布置在右岸廠區的空地上，油罐室、消防用水布置在安裝間下部的房間內。整個廠房布置緊湊，設計簡單，施工方便，廠房壩段的混凝土量約為4.7萬m3，投資較小，經濟效益高。

4 “入鄉隨俗”進行船閘布置

本工程船閘為Ⅳ級船閘，設計最大船舶噸級為500 t，設計通航船舶船體長度85 m，船體寬度12.5 m，船體吃水深度1.7 m，吃水線以上尺寸11 m。船閘規模中等，設計多處體現了“入鄉隨俗”的思想。

在總體布置上，結合地形，統籌規劃，永臨結合，將船閘主體結構布置在導流明渠位置，節省工期和投資。同時，為了避免船閘下游引航道對左岸原有夏令營營地的影響，船閘中心線軸線向右旋轉5°，達到互不干擾的目的。

對于船閘尺寸，中白兩國規范有較大差別。依據中國規范，船閘閘室的尺寸需要105 m×16 m(長×寬)，下游引航道直線段長度需要170 m；而白俄羅斯規范計算的船閘閘室尺寸為94 m×13.5 m(長×寬)，下游引航道直線段長度為84 m。經比較，依據白俄規范確定的船閘尺寸大大減少了船閘上下游引航道對兩岸的影響，節省了投資；同時，依據白俄規范確定的船閘尺寸也獲得了白俄羅斯水運管理局和白俄羅斯國家審查委員會的認可和批準。中國工程師通過計算分析認為盡管按白俄規范確定的尺寸不滿足中國規范的要求，但是能夠基本滿足通航要求，最終入鄉隨俗按白俄規范確定船閘尺寸。

5 因地制宜采用擋墻土壩

本工程共有三處布置了土壩，分別是左岸土壩段、連接土壩段和右岸土壩段。秉承土壩“就近取材、減少棄料”的設計思想，土壩上壩料采用基坑開挖料，基坑開挖料為細砂和壤土。對于具體結構型式，中白兩方工程師又出現了分歧，白俄方建議采用混凝土面板土石壩，中方建議采用混凝土擋墻土壩。

混凝土面板土石壩方案壩體采用碎石和土填筑，碎石層作為排水層，上下游邊坡坡度都為1∶3；采用混凝土面板、高壓旋噴防滲墻及附屬結構和橡膠止水作為防滲結構。擋墻土壩方案壩體主體結構為混凝土擋墻，擋墻后填筑基坑開挖料，下游坡度為1∶3；擋墻、高壓旋噴體和橡膠止水作為防滲結構。

從結構上看，對于面板土石壩方案，混凝土面板分縫止水結構復雜、止水接頭及安裝固定施工難度大，混凝土澆筑容易出現缺陷。工程所在區域屬于寒冷地區，較薄的面板和外界環境接觸面大，受氣候環境的影響較重，相對比較容易受冰雪凍融損壞；而且，為壩體安全和控制面板的變形，對其下部的壩體分區及填筑質量有較高的要求。對于擋墻土壩方案，擋墻結構直立，厚重，止水可靠，防滲可靠性高，其對墻后填土要求相對較低，整體安全性較高。

從防滲型式來看，對于面板土石壩方案，擋水壩基采用趾板與防滲墻連接的結構形式，由于變形差異導致接縫止水受拉較重，相對不利；防滲墻軸線與相鄰壩段也不在同一軸線上，相差較遠，導致擋水建筑物防滲軸線走向復雜多變，給施工造成較大困難。對于擋墻土石壩方案，采用擋墻結構后，擋水建筑物基礎防滲墻軸線統一在一條直線上，施工較為方便；同時上部混凝土結構與防滲墻之間連接止水為受壓狀態，防滲結構可靠性大為提高。

從工程量及投資來看，面板土石壩方案與擋墻土石壩方案工程量主要區別在于混凝土量、壩體排水體碎石量：擋墻土壩方案增加混凝土量7 900 m3，而碎石量填筑減少48 000 m3，由于當地缺少碎石而采購價格不低，故可以認為兩方案總費用基本相當。

中白兩國工程師經過多次探討分析認為，與面板土石壩方案相比，擋墻土壩方案更為安全可靠，施工簡單，最終選用擋墻土壩方案。

6 推廣應用水泥碎石樁技術

本工程泄洪閘建基面高程為121.5 m。根據地勘資料，閘址區110～122 m高程為索日河冰磧沉積砂壤土，110 m高程以下為白云巖層。根據泄洪閘基底應力計算結果，閘底最大應力約為260 kPa，而砂壤土地基最大承載力為170 kPa。不滿足地基承載力要求，需進行地基處理。在泄洪閘地基處理方式選擇上，中白兩國工程師也提出了不同的方案，白俄方建議采用混凝土灌注樁，中方建議采用水泥碎石樁。

水泥碎石樁是CFG樁的一種，不添加粉煤灰，增大地基承載力同時提高地基的密實度。水泥碎石樁復合地基是由樁間土和樁體共同承擔荷載，綜合樁長、樁徑、樁間距、樁身強度和天然地基承載力等5個因素進行優化，在理論計算基礎上結合實際工程施工經驗，得出最佳的設計。水泥碎石樁具有施工速度快、工期短、質量容易控制、工程造價低廉等特點，目前已成為中國應用最普遍的地基處理技術之一。

白俄方工程師之前從未接觸過CFG樁，通過多次溝通和介紹，白俄工程師最終認可了水泥碎石樁方案，這是我國成熟工程經驗在國際工程中的成功實踐。

7 結 語

維捷布斯克水電站的這種“混血兒”模式并非獨有。中國電力工程顧問集團中南電力設計院設計的白俄羅斯別列佐夫國營地區電站400 MW聯合循環發電機組項目也采用了同樣的模式。隨著我國水電行業國際業務的發展，特別是在較發達地區的業務開展，采用兩國的規范進行設計的情況較為普遍。這就要求水電行業的設計人員積極掌控合作方式，學習當地規范和設計理念，為更好開展國際業務夯實基礎。

此外，盡管部分國外工程師水電設計經驗較少，思維刻板，但其慎重、嚴謹的職業精神值得稱道。所以，設計的過程中我們更要充分開啟智慧，積極溝通，將我國已成熟的技術經驗應用到國際工程中去。