孔宇田，余 扬，王 坤，孙宝成

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

1 概述

GD6 水电站位于埃塞俄比亚格纳莱河（GENALE River）干流中游河段亚奥罗米亚州（Oromiya Kilil/Region）境内，坝址位于Negele 以东80 km。电站正常蓄水位585 m，正常蓄水位时库容1.81 亿m3，电站装机容量248.28 MW，引用流量126 m3/s，年发电量15.635 亿kW·h。工程枢纽由沥青心墙堆石坝、左岸溢洪道、右岸进水口、中部地下厂房、长引尾水组成。

引水系统采用1 洞1 井2 机布置方式，包括有压引水隧洞、上游调压井、压力钢管；尾水系统采用2 机1 井1 洞的布置方式，包括下游调压井、尾水隧洞和尾水闸门等组成。引水系统总长约5290 m，内径9.0 m 的钢筋混凝土衬砌有压引水隧洞接上游调压井，调压井直径20.8 m，高61.9 m；调压井下游为压力钢管，压力钢管主管直径6.0 m，长约284 m，支管直径4.2 m，长约40 m；钢管正向接入地下厂房后经两条长约140 m 的尾水延长段隧洞接下游调压室，下游调压室直径21.1 m，高76.3 m；下游调压室后为直径10m 的尾水隧洞，尾水隧洞长约11500 m，最后经尾水出口闸室进入下游河道[1-3]。整个引尾水系统总长约17254 m。

2 引尾水发电系统地质条件

GD6 水电站拟定的引尾水线路总长约17km，由坝前右岸山体引水，引尾水线路经过三次折线后尾水由右岸引入格纳莱（Genale）河下游。右岸进水口处地形较陡，有利于进口开挖成洞。引尾水线路埋深较深，洞线大部分位于新鲜岩体内，其最大埋深为550 m，有利于成洞。工程区位于东非大裂谷附近，为高地应力区域，对引尾水隧洞开挖及支护有一定影响，容易发生岩爆、高压水等危害。地下水的影响对深埋洞线较为不利，高压地下水及河流对地下水的补给使洞线沿线水压力较大、水量多。引尾水洞线在5.8 km～6.0 km 处通过大冲沟，洞线顶部与岩体微风化下限重合，该段岩层裂隙较发育，岩性破碎对成洞有一定影响，该冲沟为季节性侵蚀冲沟，存在水流侵蚀下切的情况。尾水出口位于下游冲沟口，利用原有冲沟进行排水消能布置使尾水流向与下游河流流向大致一致，减少对原有河道影响。

引水管线穿越岩层以火成岩为主，岩性为弱透水层。竖井段及下平段隧洞埋深大，地下水活动强烈，岩体比较新鲜、坚硬、完整，成洞条件好，围岩多属Ⅱ、Ⅲ类，稳定性较好。少数洞段受岩层平缓和裂隙发育及地下水影响，围岩稳定性差，多见掉块甚至小规模塌方，属Ⅳ类围岩，需及时支护处理，并应注意加强隧洞内排水措施。

3 引尾水发电系统布置设计

引水发电系统主要由进水口、引水隧洞、高压管道、调压室、地下厂房、尾水隧洞及尾水出口闸室等建筑物组成。GD6 引（尾）水洞线长度为16 km～19 km，除进出口靠河两岸及局部沟谷外，隧洞沿线一般埋深150 m～200 m，最大埋深达550 m，布置施工支洞、斜井和竖井等辅助施工洞困难，给地质勘探、设计和施工等方面带来了一系列复杂的技术难题。

3.1 引尾水线路布置设计

引尾水线路布置主要结合厂址位置选定，由于引尾水线路超长，厂址河段河谷深切，岸坡陡峻，各洞线方案的引水发电系统均采用地下厂房开发方式[4]。根据现有工程地质、水文地质情况，分别布置首部厂房、中部厂房、尾部厂房三个厂房位置，选择三种引尾水发电线路进行布置比选。三种方案的引尾水线路布置见图1～图3。

图1 方案一：上下游双调压室地下厂房-枢纽布置平面图

图2 方案二：上游调压室地下厂房-枢纽布置平面图

图3 方案三：下游调压室地下厂房-枢纽布置平面图

线路布置设计方案：

方案一：上、下游双调压室地下厂房；

方案二：上游调压室地下厂房；

方案三：下游调压室地下厂房。

电站进水口均采用岸塔式独立进水口，各线路引水系统均采用1 洞2 机布置，引水隧洞、压力钢管、尾水隧洞均采用相同的尺寸。

三个引尾水布置方案主要特征参数见表1。

表1 各引尾水布置方案主要特征参数表

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

方案二长引水线路中洞线与两个大型冲沟相交，第一个冲沟距隧洞进口约5.8 km，即推荐方案尾水调压井下游处，冲沟跨度约321 m，管线最大离地高度约45 m，采用架空明管布置，工程投资大，施工困难。第二个冲沟距隧洞进口约14.5 km，冲沟跨度约405 m，管线最大离地高度约68 m，且该冲沟之后地面线均低于洞线高程，仍需要布置长约2.3 km 的尾水隧洞，另外，调压井规模较大且地形埋深不足，布置困难。虽然方案二增加了引水隧洞工作面可加快施工进度，但是相比其余两个方案需要进行混凝土衬砌的引水隧洞长度大幅增加，导致投资远比其余方案多。

方案三的尾水隧洞长度比方案一长约5 km，考虑到地下厂房埋深大，TBM 安装平台只能放在尾部，增加的5km 隧洞会使方案三工期较方案一延长至少16 个月，工期过长，经济效益大大降低。

因此，综合考虑洞线长度、电站运行稳定性、工期和工程投资等因素，方案一优于方案二和方案三，所以选用方案一引尾水线路布置作为GD6 水电站引水系统的线路布置方案。

3.2 引尾水系统洞径比较

根据选定的引尾水发电系统的布置线路及方式，上游引水隧洞与下游尾水隧洞均为有压洞，引水发电系统线路较长，为控制总水头损失，设计隧洞流速均小于2 m/s，上游引水隧洞采用钢筋混凝土衬砌，洞内流速1.98 m/s，尾水隧洞采用喷射混凝土衬砌，洞内流速1.60 m/s，与一般工程相比，隧洞流速均较小。通过提高隧洞流速，在不改变隧洞支护方式的前提下，减小隧洞过水断面尺寸，计算降低的工程投资与减少的发电量，以此为基础计算出该减少电量的单位电量投资，若该单位电量投资大于调整前的单位电量投资，则认为此调整有利，反之，则不利。

根据类似工程经验，将引水隧洞流速提高为约3 m/s，引水隧洞直径调整为7.2 m；尾水隧洞流速提高到约2.5 m/s，尾水隧洞直径调整为7.8 m。经计算，差额单位电量投资见表2。

表2 洞径调整差额单位电量投资表

由表2 可以看出，调整引水、尾水隧洞断面尺寸后，水头损失增加13.14 m，多年平均发电量减少0.897 亿kW·h，工程投资减少8611 万元，减少单位电量投资为0.96 元/（kW·h），远小于原方案的1.87 元/（kW·h）。由此可见，增加隧洞洞径、减小水头损失、增加投资带来的发电效益是有利的；减小隧洞洞径、提高流速、减少投资是不经济的。因此，长引尾水发电系统选择较大洞径的设计是合理的。

4 结语

结合GD6 水电站枢纽布置特点，论述了引尾水发电系统的布置，GD6 水电站拟定的引尾水线路总长约17 km，属于超长引水式电站，电站引尾水隧洞深埋于工程地质、水文地质构造复杂的东非大裂谷附近的火成岩地层，工程区为高地应力区域，易发生岩爆、高压水等危害。通过三种方案的线路布置，从引水发电系统运行稳定性、施工方便性、投资节约性角度进行了比较分析，最终采用中部地下厂房布置的上下游调压井引尾水发电系统布置方案，具有较好的技术经济性；并通过对洞径调整差额单位电量投资进行对比分析，论证了长引尾水系统选择较大洞径的设计是合理的。为今后类似长引尾水系统的布置提供了设计思路。