非洲某電站長引尾水發電系統布置設計

孔宇田，余 揚，王 坤，孫寶成

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 概述

GD6 水電站位于埃塞俄比亞格納萊河（GENALE River）干流中游河段亞奧羅米亞州（Oromiya Kilil/Region）境內，壩址位于Negele 以東80 km。電站正常蓄水位585 m，正常蓄水位時庫容1.81 億m3，電站裝機容量248.28 MW，引用流量126 m3/s，年發電量15.635 億kW·h。工程樞紐由瀝青心墻堆石壩、左岸溢洪道、右岸進水口、中部地下廠房、長引尾水組成。

引水系統采用1 洞1 井2 機布置方式，包括有壓引水隧洞、上游調壓井、壓力鋼管；尾水系統采用2 機1 井1 洞的布置方式，包括下游調壓井、尾水隧洞和尾水閘門等組成。引水系統總長約5290 m，內徑9.0 m 的鋼筋混凝土襯砌有壓引水隧洞接上游調壓井，調壓井直徑20.8 m，高61.9 m；調壓井下游為壓力鋼管，壓力鋼管主管直徑6.0 m，長約284 m，支管直徑4.2 m，長約40 m；鋼管正向接入地下廠房后經兩條長約140 m 的尾水延長段隧洞接下游調壓室，下游調壓室直徑21.1 m，高76.3 m；下游調壓室后為直徑10m 的尾水隧洞，尾水隧洞長約11500 m，最后經尾水出口閘室進入下游河道[1-3]。整個引尾水系統總長約17254 m。

2 引尾水發電系統地質條件

GD6 水電站擬定的引尾水線路總長約17km，由壩前右岸山體引水，引尾水線路經過三次折線后尾水由右岸引入格納萊（Genale）河下游。右岸進水口處地形較陡，有利于進口開挖成洞。引尾水線路埋深較深，洞線大部分位于新鮮巖體內，其最大埋深為550 m，有利于成洞。工程區位于東非大裂谷附近，為高地應力區域，對引尾水隧洞開挖及支護有一定影響，容易發生巖爆、高壓水等危害。地下水的影響對深埋洞線較為不利，高壓地下水及河流對地下水的補給使洞線沿線水壓力較大、水量多。引尾水洞線在5.8 km～6.0 km 處通過大沖溝，洞線頂部與巖體微風化下限重合，該段巖層裂隙較發育，巖性破碎對成洞有一定影響，該沖溝為季節性侵蝕沖溝，存在水流侵蝕下切的情況。尾水出口位于下游沖溝口，利用原有沖溝進行排水消能布置使尾水流向與下游河流流向大致一致，減少對原有河道影響。

引水管線穿越巖層以火成巖為主，巖性為弱透水層。豎井段及下平段隧洞埋深大，地下水活動強烈，巖體比較新鮮、堅硬、完整，成洞條件好，圍巖多屬Ⅱ、Ⅲ類，穩定性較好。少數洞段受巖層平緩和裂隙發育及地下水影響，圍巖穩定性差，多見掉塊甚至小規模塌方，屬Ⅳ類圍巖，需及時支護處理，并應注意加強隧洞內排水措施。

3 引尾水發電系統布置設計

引水發電系統主要由進水口、引水隧洞、高壓管道、調壓室、地下廠房、尾水隧洞及尾水出口閘室等建筑物組成。GD6 引（尾）水洞線長度為16 km～19 km，除進出口靠河兩岸及局部溝谷外，隧洞沿線一般埋深150 m～200 m，最大埋深達550 m，布置施工支洞、斜井和豎井等輔助施工洞困難，給地質勘探、設計和施工等方面帶來了一系列復雜的技術難題。

3.1 引尾水線路布置設計

引尾水線路布置主要結合廠址位置選定，由于引尾水線路超長，廠址河段河谷深切，岸坡陡峻，各洞線方案的引水發電系統均采用地下廠房開發方式[4]。根據現有工程地質、水文地質情況，分別布置首部廠房、中部廠房、尾部廠房三個廠房位置，選擇三種引尾水發電線路進行布置比選。三種方案的引尾水線路布置見圖1～圖3。

圖1 方案一：上下游雙調壓室地下廠房-樞紐布置平面圖

圖2 方案二：上游調壓室地下廠房-樞紐布置平面圖

圖3 方案三：下游調壓室地下廠房-樞紐布置平面圖

線路布置設計方案：

方案一：上、下游雙調壓室地下廠房；

方案二：上游調壓室地下廠房；

方案三：下游調壓室地下廠房。

電站進水口均采用岸塔式獨立進水口，各線路引水系統均采用1 洞2 機布置，引水隧洞、壓力鋼管、尾水隧洞均采用相同的尺寸。

三個引尾水布置方案主要特征參數見表1。

表1 各引尾水布置方案主要特征參數表

三方案中，方案一、方案三尾水隧洞均采用TBM 掘進，方案二引水隧洞采用TBM 掘進。

方案二長引水線路中洞線與兩個大型沖溝相交，第一個沖溝距隧洞進口約5.8 km，即推薦方案尾水調壓井下游處，沖溝跨度約321 m，管線最大離地高度約45 m，采用架空明管布置，工程投資大，施工困難。第二個沖溝距隧洞進口約14.5 km，沖溝跨度約405 m，管線最大離地高度約68 m，且該沖溝之后地面線均低于洞線高程，仍需要布置長約2.3 km 的尾水隧洞，另外，調壓井規模較大且地形埋深不足，布置困難。雖然方案二增加了引水隧洞工作面可加快施工進度，但是相比其余兩個方案需要進行混凝土襯砌的引水隧洞長度大幅增加，導致投資遠比其余方案多。

方案三的尾水隧洞長度比方案一長約5 km，考慮到地下廠房埋深大，TBM 安裝平臺只能放在尾部，增加的5km 隧洞會使方案三工期較方案一延長至少16 個月，工期過長，經濟效益大大降低。

因此，綜合考慮洞線長度、電站運行穩定性、工期和工程投資等因素，方案一優于方案二和方案三，所以選用方案一引尾水線路布置作為GD6 水電站引水系統的線路布置方案。

3.2 引尾水系統洞徑比較

根據選定的引尾水發電系統的布置線路及方式，上游引水隧洞與下游尾水隧洞均為有壓洞，引水發電系統線路較長，為控制總水頭損失，設計隧洞流速均小于2 m/s，上游引水隧洞采用鋼筋混凝土襯砌，洞內流速1.98 m/s，尾水隧洞采用噴射混凝土襯砌，洞內流速1.60 m/s，與一般工程相比，隧洞流速均較小。通過提高隧洞流速，在不改變隧洞支護方式的前提下，減小隧洞過水斷面尺寸，計算降低的工程投資與減少的發電量，以此為基礎計算出該減少電量的單位電量投資，若該單位電量投資大于調整前的單位電量投資，則認為此調整有利，反之，則不利。

根據類似工程經驗，將引水隧洞流速提高為約3 m/s，引水隧洞直徑調整為7.2 m；尾水隧洞流速提高到約2.5 m/s，尾水隧洞直徑調整為7.8 m。經計算，差額單位電量投資見表2。

表2 洞徑調整差額單位電量投資表

由表2 可以看出，調整引水、尾水隧洞斷面尺寸后，水頭損失增加13.14 m，多年平均發電量減少0.897 億kW·h，工程投資減少8611 萬元，減少單位電量投資為0.96 元/（kW·h），遠小于原方案的1.87 元/（kW·h）。由此可見，增加隧洞洞徑、減小水頭損失、增加投資帶來的發電效益是有利的；減小隧洞洞徑、提高流速、減少投資是不經濟的。因此，長引尾水發電系統選擇較大洞徑的設計是合理的。

4 結語

結合GD6 水電站樞紐布置特點，論述了引尾水發電系統的布置，GD6 水電站擬定的引尾水線路總長約17 km，屬于超長引水式電站，電站引尾水隧洞深埋于工程地質、水文地質構造復雜的東非大裂谷附近的火成巖地層，工程區為高地應力區域，易發生巖爆、高壓水等危害。通過三種方案的線路布置，從引水發電系統運行穩定性、施工方便性、投資節約性角度進行了比較分析，最終采用中部地下廠房布置的上下游調壓井引尾水發電系統布置方案，具有較好的技術經濟性；并通過對洞徑調整差額單位電量投資進行對比分析，論證了長引尾水系統選擇較大洞徑的設計是合理的。為今后類似長引尾水系統的布置提供了設計思路。