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(shè)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(nèi)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?cè)萘繛?0 MW，年均發(fā)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(guī)范設(shè)計，結(jié)合了兩國工程師的設(shè)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(shè)置舌瓣門排冰泄洪，適應(yīng)低水頭采用燈泡貫流式機組；船閘布置“入鄉(xiāng)隨俗”，因地制宜采用擋墻土壩，推廣水泥碎石樁新技術(shù)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(yè)主維捷布斯克能源局的合同規(guī)定：“設(shè)計文件在消防、人員安全，工業(yè)安全，衛(wèi)生規(guī)程，生態(tài)安全和環(huán)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(shè)計文件可按中國標準和要求完成。”

總承包商與中國的設(shè)計單位簽訂設(shè)計合同規(guī)定按照中國規(guī)范進行設(shè)計；總承包商與白俄羅斯國家電力設(shè)計院簽訂的審查合同規(guī)定按照白俄羅斯標準進行審查。在具體的設(shè)計過程中就需要發(fā)揮中白兩國設(shè)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(shè)置舌瓣門

維捷布斯克地區(qū)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(qū)。庫區(qū)積雪的形成開始于12月的10日至15日，一直持續(xù)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(jié)最厚深度可達142 cm，平均一年的土壤凍結(jié)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(shè)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(jīng)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(shè)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(nèi)漂浮的冰塊排至下游。舌瓣門高2 m，寬11 m。

大孔口設(shè)置舌瓣門方案的布置看似常規(guī)，但是采用了很多新技術(shù)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(shè)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(qū)上游的堆積對建筑物造成持續(xù)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(shè)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(shè)置舌瓣門方案。

3 適應(yīng)低水頭采用燈泡貫流式機組

西德維納河壩址區(qū)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(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)輪直徑3.95 m，單機容量10 MW，技術(shù)成熟。廠房布置于壩址區(qū)的右岸，左側(cè)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(shù)供水系統(tǒng)，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(qū)的空地上，油罐室、消防用水布置在安裝間下部的房間內(nèi)。整個廠房布置緊湊，設(shè)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(jīng)濟效益高。

4 “入鄉(xiāng)隨俗”進行船閘布置

本工程船閘為Ⅳ級船閘，設(shè)計最大船舶噸級為500 t，設(shè)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(guī)模中等，設(shè)計多處體現(xiàn)了“入鄉(xiāng)隨俗”的思想。

在總體布置上，結(jié)合地形，統(tǒng)籌規(guī)劃，永臨結(jié)合，將船閘主體結(jié)構(gòu)布置在導(dǎo)流明渠位置，節(jié)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(zhuǎn)5°，達到互不干擾的目的。

對于船閘尺寸，中白兩國規(guī)范有較大差別。依據(jù)中國規(guī)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(guī)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(jīng)比較，依據(jù)白俄規(guī)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(jié)省了投資；同時，依據(jù)白俄規(guī)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(guī)范確定的尺寸不滿足中國規(guī)范的要求，但是能夠基本滿足通航要求，最終入鄉(xiāng)隨俗按白俄規(guī)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(shè)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(jié)構(gòu)型式，中白兩方工程師又出現(xiàn)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(jié)構(gòu)和橡膠止水作為防滲結(jié)構(gòu)。擋墻土壩方案壩體主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

從結(jié)構(gòu)上看，對于面板土石壩方案，混凝土面板分縫止水結(jié)構(gòu)復(fù)雜、止水接頭及安裝固定施工難度大，混凝土澆筑容易出現(xiàn)缺陷。工程所在區(qū)域?qū)儆诤涞貐^(qū)，較薄的面板和外界環(huán)境接觸面大，受氣候環(huán)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(qū)及填筑質(zhì)量有較高的要求。對于擋墻土壩方案，擋墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，由于變形差異導(dǎo)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(dǎo)致?lián)跛ㄖ锓罎B軸線走向復(fù)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(jié)構(gòu)后，擋水建筑物基礎(chǔ)防滲墻軸線統(tǒng)一在一條直線上，施工較為方便；同時上部混凝土結(jié)構(gòu)與防滲墻之間連接止水為受壓狀態(tài)，防滲結(jié)構(gòu)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(qū)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?shù)厝鄙偎槭少弮r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(jīng)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(yīng)用水泥碎石樁技術(shù)

本工程泄洪閘建基面高程為121.5 m。根據(jù)地勘資料，閘址區(qū)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(jù)泄洪閘基底應(yīng)力計算結(jié)果，閘底最大應(yīng)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(fù)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(yōu)化，在理論計算基礎(chǔ)上結(jié)合實際工程施工經(jīng)驗，得出最佳的設(shè)計。水泥碎石樁具有施工速度快、工期短、質(zhì)量容易控制、工程造價低廉等特點，目前已成為中國應(yīng)用最普遍的地基處理技術(shù)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(jīng)驗在國際工程中的成功實踐。

7 結(jié) 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(shè)計院設(shè)計的白俄羅斯別列佐夫國營地區(qū)電站400 MW聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組項目也采用了同樣的模式。隨著我國水電行業(yè)國際業(yè)務(wù)的發(fā)展，特別是在較發(fā)達地區(qū)的業(yè)務(wù)開展，采用兩國的規(guī)范進行設(shè)計的情況較為普遍。這就要求水電行業(yè)的設(shè)計人員積極掌控合作方式，學習當?shù)匾?guī)范和設(shè)計理念，為更好開展國際業(yè)務(wù)夯實基礎(chǔ)。

此外，盡管部分國外工程師水電設(shè)計經(jīng)驗較少，思維刻板，但其慎重、嚴謹?shù)穆殬I(yè)精神值得稱道。所以，設(shè)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(shù)經(jīng)驗應(yīng)用到國際工程中去。